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(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)   　　回顾2022年，ULVAC-PHI各个系列的XPS仪器——VersaProbe、Quantera和Quantes对科研发展和技术进步做出了重要贡献。据不完全统计，借助PHI XPS设备，2022年已发表超过4400篇的学术出版物，包括期刊文章和书籍等。其中，有99项工作发表在《Nature》和《Science》等高影响力期刊上。   　　例如，我们的用户利用PHI VersaProbe设备对嵌入磁性CoNi合金颗粒的掺氮碳纤维复合材料表面进行了全面表征，研究发现该材料表现出优异的电磁波吸收性能。该项工作发表于《Colloid and Interface Science》1上，引用频次相当高(一年内已被引用24次)。   　　为了深入理解材料/器件性能和结构之间的联系，利用XPS结合功能配件进行多技术表征是至关重要的。对此，PHI VersaProbe和PHI Genesis系列XPS可集成多种功能配件，满足多种测试需求，如样品XPS表征后可对同一样品同一测试点进行原位UPS和LEIPS测试。   　　基于此，用户在一项工作中利用多表面分析技术开展了n型In:GaN和p型Mg:GaN对Ta3N5薄膜光阳极上下界面的改性研究工作，相关成果发表在《Nature Communications》2。该团队先是通过XPS（PHI VersaProbe Ⅲ）仪器分析膜层的组分信息，而后利用UPS表征样品的能带结构(见图1)。这项工作证明了基于薄膜的光阳极的界面工程在实现高效光电化学水分解制氢方面起着关键作用。   图1 (a) Mg:GaN/Nb的UPS谱图。(b) In:GaN/Nb的UPS谱图。(c) In:GaN/Ta3N5/Mg:GaN薄膜的能级排列示意图。（UPS数据由PHI 5000 VersaProbe III搭载的UPS配件测得）   　　值得注意的是，UPS结合低能量反光电子能谱(LEIPS)，可以获得完整的电子能带结构。在一项发表于《Nature》3的工作中，作者研究了通过共轭碳网络形成的具有独特拓扑结构的新型二维碳材料，在平面上拥有各向异性。为进一步研究该材料的电学性质，如图2所示，利用UPS和PHI LEIPS设备表征了该材料的电子能带结构。结果表明该材料与石墨烯相比，表现出适中的带隙和导电性，这意味着该材料可应用于半导体领域。   图2. UPS结合LEIPS表征单层qHP C60纳米片的电子能带结构。Eg为带隙；ECB表示CBM与EF的能级差；EVB表示VBM与EF的能级差。   　　了解电极与电解质界面上形成的固体电解质界面膜(SEI)的化学组成对于开发可靠的电池至关重要。对此，具有原位分析能力的原位XPS在电池材料的研究中应用也越来越广泛。比如，牛津大学的PHI用户在《Nature Communications》4上发表的一篇论文中介绍了用电子束在Li6PS5Cl固态电解质颗粒表面镀锂过程中的XPS表征。利用原位XPS（PHI Versaprobe III）研究电化学电镀过程中Li金属与LPSCl硫化物固体电解质界面的电流密度介导的界面相的演变。结果表明形成的负电荷表面有利于Li+离子的迁移，最终导致金属Li镀在SE表面上。此外，通过改变电子束电流可以调控入射到SE表面的电子通量，从而调节虚拟电极的电镀电流。如图3所示，展示了在三种不同电流密度下LPSCl表面的虚拟电极电镀过程中，Li 1s、S 2p和P 2p XPS谱图的演变及其定量分析。   图3。利用XPS研究SE表面虚拟电极电镀过程中SEI的演化。   参考文献 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979721016726 https://www.nature.com/articles/s41467-022-28415-4 https://www.nature.com/articles/s41586-022-04771-5 https://doi.org/10.1038/s41467-022-34855-9   原文链接： https://www.phi.com/news-and-articles/xps-impact-2022.html    

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           学术期刊是研究人员共享科技成果、加深对科学问题的理解和学习交流的基石。高质量文章的发表，既离不开让人耳目一新的新思路、新观点，更不乏有效的、可靠的表征技术的支撑。例如，PHI公司（Physical Electronics）中的俄歇电子能谱(AES)在推动2022年科技的大力发展上功不可没。          回顾2022年，PHI AES仪器帮助相关学者发表了800余篇学术出版物，包括同行评审的文章和书籍，其中不少论文发表在影响力很高的顶级期刊上。 PHI AES设备被应用于诸多高新技术领域，例如高温防腐涂层1、无碳钢2、结构钢3-4、月球地质学5、区域选择性ALD6、环境修复7和燃料电池8等。          例如，KTH皇家理工学院和Sandvik Materials Technology的研究人员借助PHI AES来研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作机制，为电动汽车的发展提供了一个有前途的选择，从而有望推动内燃机的替代。研究表明，对PEM燃料电池中的双极板(BPPs)进行改进，可以在降低成本的同时提高功率密度。该项工作发表于国际知名期刊《Energy Conversion and Management》8。           PEMFC由许多堆叠膜电极组件（MEA）构成，组件之间通过BPPs分隔氧化剂和还原剂，并传导电流和排出所产生的水，因而BPPs的稳定性对燃料电池的性能影响甚大。一方面，在研究BPPs的过程中，发现其表面上存在碳-金属氧化物（MOxCy (M = Cr, Fe, Ni）“污渍”。这种污渍是在激光切割BPPs时产生：激光切割带碳涂层的不锈钢（C-coated 316L）会产生喷射物质并溅在碳涂层上，形成的碳-金属氧化物（被定义为“污渍”，碳来源于碳涂层）直接连接到不锈钢基底上，并且污渍周围的碳涂层上也会覆盖一层与之组分类似的薄膜（见图1）。 图1. 双极板表面上“污渍”的示意图。           另一方面，在循环后的MEA中发现了大量的金属污染物，特别是Fe和Ni，这些溶解金属可能来源于BPPs。为更好地解析金属溶解和导致BPPs腐蚀的过程，在本工作中利用AES对负载循环前后的BPPs表面进行了详细表征。图2展示了BPPs表面的SEM图像、AES谱图以及AES深剖曲线。AES结果表明与未受损害的极板（见图1a）相比，在H2饥饿条件下，阳极板碳涂层区域（见图2d，橙色标记）出现Fe和Ni匮乏现象。此外，深剖曲线表明出现H2饥饿的阳极板在纵向上Cr（右图，蓝色曲线）含量恒定，与之相反，无损极板在接近表面的区域Cr含量明显下降。这一结果进一步证明了MEA中的Fe和Ni来源于阳极BPPs，未受碳涂层保护的多组分表面（即污渍区域）会对H2饥饿做出反应发生溶解，直到Cr浓度趋于稳定。     图2. 碳涂层316L双极板上的污渍及其周围碳涂层的表面分析(SEM[左]、AES[中]和AES溅射深度分析[右])。(a)无损极板。(d) 出现燃料H2饥饿现象的阳极板(316L碳涂层)。           显然，AES在探索BPPs的腐蚀机理方面发挥了关键作用。其高空间分辨率(＜5 nm)的成像技术结合元素定量和精准的深度分析能力，使腐蚀机理的研究成为可能，有助于高度稳定的、可替代化石燃料驱动的内燃机的研发。          无独有偶，斯坦福大学的Yarbrough研究团队于2022年在《Chemistry of Materials》上发表了一篇关于利用PHI AES来研究区域选择性原子层沉积(AS-ALD)的文章。6 AS-ALD是一种在纳米尺度上制造薄膜的方法，厚度通常控制在埃米（Å）量级。值得注意的是，普通的表面分析方法受限于其空间分辨能力，难以对这类纳米尺度的材料进行表征。而PHI AES的二次电子成像的空间分辨可达3 nm，成分分布影像的空间分辨可达8 nm，分析深度在4-50 Å，因此借助PHI AES可以确定ALD过程的选择性。   图3. (a) Al ALD前Cu/SiO2基底的SEM图像。(b) Al ALD循环30次后，Al在Cu/SiO2上的AES元素影像。(C) Al ALD循环30次后，Cu/SiO2表面的AES线分析。           图3展示了Cu/SiO2 衬底在Al ALD后的AES分析结果。如图3b所示，AES 元素mapping表明Al只在选定的区域沉积。对该区域进行进一步的线扫描分析(见图3c)，结果证明了Al ALD的高度选择性，即高强度的Al和Cu与低含量Si的分布区域一一对应，反之亦然。该项工作再次证明了PHI AES仪器的高空间分辨率成像能力允许在纳米尺度上表征这种沉积区域。           总之，PHI AES在表面元素鉴定和元素成像上具有其独特的优势，尤其是在针对具备纳米尺度特征的样品的表征上拥有不可替代表面分析能力。目前，PHI AES已经成为应用最广泛的表面分析技术之一，在合金、催化、半导体、能源电池材料、电子器件等领域的研发上起着至关重要的作用。   联系我们 010-62519668 sales@coretechint.com   参考文献 https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128503 https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143525 https://doi.org/10.1016/j.elecom.2022.107265 https://doi.org/10.1016/j.nme.2022.101139 https://dx.doi.org/10.46770/AS.2022.014 https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00513 https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.1c00413 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115153 原文链接： https://www.phi.com/news-and-articles/impact-aes-2022.html

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           钙钛矿材料因具备较长的电子-空穴扩散长度、较大的光学吸收系数、较强的激子跃迁及可低温制备等诸多优点, 成为了光伏太阳能领域的研究热点。以钙钛矿材料作为光活性层的太阳能电池器件，由于其简单的加工工艺和出色的能量转换效率，更是引起了广泛的研究兴趣。自2009年首次报道以来，有机无机杂化钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，PSCs）的效率已超过25 %，成为极具潜力的光伏器件之一。然而， PSCs 在多种环境条件下服役的稳定性仍未达到商业化使用标准，PSCs性能的提升及其应用推广仍然面临极大的挑战。               研究表明有效控制钙钛矿结晶和对钙钛矿薄膜表面/晶界缺陷进行钝化，已成为抑制电荷重组，从而提高钙钛矿太阳能电池高性能和长期稳定性的重要策略。对此，丰嘉大学H.C. Chen[1]等人通过在MAPbI3 PSCs中加入0.01 ~ 0.1%肉碱（含有羧基和季铵官能团的天然维生素B）来钝化其缺陷，如图1a所示。由于PSCs的能级排列对有效界面接触和载流子提取至关重要，因此很有必要对器件的电子能带结构进行全面表征。在本项工作中，利用ULVAC-PHI的XPS（X射线光电子能谱），结合UPS（紫外光电子能谱）和LEIPS（低能量反光电子能谱）设备，详尽地探索了钙钛矿薄膜的化学成分和相互作用。如图1b和1c所示，改性前后的钙钛矿薄膜的VBM、CBM、功函数(WF)和电离势存在差异。其中，钙钛矿改性后电离势增加了0.16 eV，CBM改变了0.31 eV，VBM明显升高，与氧化镍的VBM形成更好的能级梯度，有利于空穴传输和提取。结果表明肉碱分子可以有效地对钙钛矿进行改性，使其具有良好的结晶度和纹理，孔隙少，表面覆盖高，同时能增加载流子的寿命以及更好的能级排列，从而改善了器件的效率和稳定性。   图1. a) PSCs和在缺陷位点上组装肉碱分子的示意图，b)钙钛矿薄膜的UPS和LEIPS结果以及c)钙钛矿光伏器件中各个膜层的能级示意图。[1] （尽管能级排列出现标注错误，但是研究思路仍然可以借鉴）           虽然，已经证实表面钝化是提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效途径。然而，大多数钝化策略面临的一个关键挑战是在不对电荷提取施加能量障碍的情况下减少界面电荷重组。此外，大多数界面改性方法都引入了电绝缘层，这就需要平衡有效钝化和高效电荷提取。因此，找到一种新的方式来修饰界面，提高稳定性的同时并不损失电荷在界面处传输的效率，是进一步提升钙钛矿太阳能电池表现的关键。基于此，普渡大学Letian Dou教授团队开发了一种新型的多功能新型的有机共轭分子4Tm(2-(3′′′,4′-dimethyl-[2,2′:5′,2″:5″,2′″-quaterthiophen]-5-yl)ethan-1-ammonium iodide)对钙钛矿进行界面修饰，并利用XPS（PHI 5600）和UPS分别对处理前后的钙钛矿薄膜的组分以及表面能级进行表征。[2]            如图2所示，从XPS结果可以看出钙钛矿经4TmI界面修饰形成多功能修饰层（MCL）后，代表Pb0的特征峰（Pb 4f5/2 =137.2 eV）消失，表明CsFAMA-MCL样品的稳定性提高，Pb0缺陷减少。   图2. CsFAMA和CsFAMA-MCL薄膜Pb 4f 的XPS谱图，探测角分别为：(a) 0°、(b) 45°和(c) 75°。[2] （探测角度为分析器与样品法线方向的夹角）           随后借助UPS对钙钛矿表面能级进行表征，如图3所示，结果表明共轭分子的修饰使得钙钛矿表面的功函数减小，价带显著提高，使得原本偏n型半导体的表面转换成了p型半导体，能级与p型半导体的空穴传输层更为吻合，因而可以极大地提高空穴传输效率。该方法证明了采用的共轭分子有机盐对钙钛矿太阳能电池的界面进行修饰，可以克服传统界面修饰所带了的电荷传输损失，为界面修饰提供了新的思路。   图3. 能级表征。(a) 紫外光电子光谱（UPS）。(b) 由UPS光谱得到的能级图。[2]           综上，缺陷钝化是提高钙钛矿太阳能电池效率和稳定性的有效策略。然而，选择不同的改性材料对钙钛矿性能的影响甚大，故而在高性能的PSCs设计中，需要了解材料的组成（元素及化学态）以及带隙（价带和导带）。对此，可借助XPS，结合UPS和LEIPS对钙钛矿材料进行全面表征。     参考文献 [1] H. Chen, et al. Synergistic Engineering of Natural Carnitine Molecules Allowing for Efficient and Stable Inverted Perovskite Solar Cells. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 8595−8605.  DOI: org/10.1021/acsami.0c22817. [2] K. Ma，et al. Multifunctional Conjugated Ligand Engineering for Stable and Efficient Perovskite Solar Cells. Adv. Mater. 2021, 2100791. DOI: 10.1002/adma.202100791.

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           国民经济发展和社会进步很大程度上依托于现代科学技术的革新。为促进科技进步，国家自然科学基金委员会每年都会运用国家财政资助自然科学基础研究和部分应用研究，重点支持具有良好研究条件、研究实力的高等院校和科研机构中的研究人员。目前，国家自然科学基金委员会发布了《2023年度国家自然科学基金项目指南》，引导申请人申请国家自然科学基金的资助[1]。指南特别提出了要加强基础研究，突出原创，鼓励自由探索，同时强化了资助导向，引导提升科研选题质量，增强对科学问题属性的理解。        根据指南中的统计，2022年国家基金委共受理申请面上项目116561项，经过评审，共资助面上项目20472项，直接费用1087845.00万元，直接费用平均资助强度为53.14万元/项，平均资助率为17.56%；共受理申请青年科学基金项目129193项，经过评审，共资助青年科学基金项目22262项，总金额662800万元，平均资助率为17.23%；共受理申请国家杰青项目4612项，经过评审，共资助国家杰青项目415项，资助总金额162880万元，平均资助率为9.00%；共受理申请国家优青项目6946项，共资助国家优青项目630项，资助总金额126000万元，平均资助率为 9.07%。        国家自然科学基金项目是目前我国基础研究的主要资助渠道之一，但是大多数基金项目的资助率不足20%，甚至不足10%，可谓竞争激烈。申请人提交的申请项目需要经过初审、同行专家通讯评审（函评）、会议评审（上会），到最终批准项目需要经过层层严格的评审。基金项目继续试点开展基于四类科学问题属性的分类评审工作：（1）“鼓励探索、突出原创”（2）“聚焦前沿、独辟蹊径”（3）“需求牵引、突破瓶颈”（4）“共性导向、交叉融通”。关键科学问题的解决离不开拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明），其中先进且恰当的实验技术是达到预期目标的重要保证。正如19世纪英国化学家汉弗里·戴维所言 “Nothing tends so much to the advancement of knowledge as the application of a new instrument. 没有什么比应用一种新工具更能促进知识的发展了”。        材料的性质与结构、组分和化学态密切相关，而表界面作为与外界进行物质和能量交换的通道，其表界面性质在很大程度上决定了材料/器件的性能，因此对复杂体系表界面性质密切相关的科学问题的研究是当前基础研究的重要任务。表面化学分析主要是探究材料表面的元素组成、化学态及其分布（表面成像或纵向分布），可通过X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）和二次离子质谱（SIMS）等技术来实现。此外，材料的性能还与表界面的电子态分布，特别是表面能级性质息息相关，如半导体、光伏器件以及新能源材料等。对此，可进一步借助紫外光电子能谱（UPS）、低能量反光电子能谱（LEIPS）以及电子能量损失谱（EELS）等表征材料表面的能带信息。传统的表面分析方法和研究范式越来越不能满足创新的需求，好在分析技术和仪器的创新发展的推动下，表面分析研究体系从简单模型延展到了复杂体系，研究维度从单点平均结果扩展到微区面分布、深度分布和3D分布，研究过程从静态深入到外场条件下的动态过程。ULVAC-PHI公司作为全球表面分析技术的领导者，致力于开发先进的表面技术方法和仪器。为了帮助申请人更加深入理解每种表面分析方法的原理和应用，进而为项目申请开拓思维、发掘突破点和增加创新亮点，本文针对基金项目申请中表面分析技术所涉及的相关学科进行了详细汇总：   图1. 国家自然科学基金项目中涉及表面分析技术的学科申请代码（三级学科后的abcde分别表示a. XPS; b. AES; c. TOF-SIMS; d. UPS; e. LEIPS）。   表面分析技术原理和应用介绍   XPS          原理：X射线光电子能谱仪（X-Ray Photoelectron Spectroscopy）利用扫描聚焦X射线入射固体样品表面并采集从样品表面出射的光电子，从而提供样品表面从微区（≤5 µm）到大面积（毫米级）的元素成分和化学态信息（如图2所示）。         应用：XPS能够满足材料和器件表面成分和化学态定性、定量分析，利用扫描微聚焦X射线可以获得材料表面/界面元素和化学态的空间分布成像（如图3和图4（a）所示），结合离子溅射技术，还能实现深度分析（如图4（b）所示），此外可以实现对固态电池充放电条件下的原位测试（如图5所示）。因此，XPS被广泛应用于固体材料表/界面的元素组分和化学态的研究，例如电池材料、催化剂、集成电路、半导体、金属、聚合物、陶瓷和玻璃等，可满足从研发到失效分析的广泛分析需求，成为材料分析中离不开的利器。   图2. PHI XPS工作原理 图3. 燃料电池隔膜截面C/O/F/S/Pt元素影像和F化学态影像。 图4. （a）锂电池电极截面的Li元素和化学态成像，（b）SnO2及锂电池极片深度分析案例。   图5. 固态电池充放电条件下的原位XPS测试。   UPS + LEIPS         原理：紫外光电子能谱(UPS)，是基于光电效应，利用紫外光（HeⅠ，hν=21.22 eV）激发价带电子, 可以获取样品价带位置（VB/HOMO）、功函数（Ф）和电离势（IE）信息。低能量反光电子能谱（LEIPS）是采用低能量电子（小于5 eV）入射到样品表面，与未占据态（导带）耦合释放出光子，然后通过光子探测器对发射光子进行检测，从而获取样品导带（CB/LUMO）和电子亲和势（EA）的信息。        应用：将UPS与LEIPS结合，可以完整地表征出样品的能带电子结构（如图6所示），可以应用于半导体材料（如太阳能电池、发光二极管和催化剂等）的能级调控和带隙调控的研究。值得注意的是，低能量电子（小于5 eV）作为LEIPS入射电子源，可以减弱电子束照射引起的样品损伤，为有机材料和钙钛矿材料提供更加可靠的导带信息。 图6. UPS+LEIPS结合能够表征材料电子能带结构（价带、导带、费米能级和真空能级）以及各种半导体材料的UPS+LEIPS测试结果。   AES         原理：俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy）采用电子源入射样品的表面激发出二次电子（用于形貌观察）以及俄歇电子（用于成分分析），如图7所示。         应用：AES主要用于分析固体材料表面纳米深度的元素（部分化学态）成分组成，可以对纳米级形貌进行观察和成分表征。AES的分析深度为4-50 Å，二次电子成像的空间分辨可达3 nm，成分分布像可达8 nm，可分析材料表面元素组成（Li ~ U），是真正的纳米级表面成分分析设备。可满足合金、催化、半导体、能源电池材料、电子器件等材料和产品的分析需求。例如AES可以满足FIB制备的器件截面、单个锂电池正极颗粒、碎裂陶瓷晶界表面的元素高空间分辨率测试，以及单根纳米线中掺杂元素的深度分析（如图8所示） 图7. AES基本原理示意图 图8. AES纳米级别的元素空间分布测试和单根纳米线的深度分析   TOF-SIMS        原理：飞行时间二次离子质谱（Time-Of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry）采用一次脉冲离子入射材料表面，通过飞行时间质量分析器测试表面被激发出的二次离子，来表征样品表面的元素成分和分子结构信息（如图9所示）。        应用：TOF-SIMS具有超高表面灵敏度（~ 1 nm）和检测灵敏度（ppm-ppb级），以及极佳的质量分辨率和空间分辨率，可以检测包括H在内的所有元素和同位素，还可以提供表面、薄膜、界面以至于三维样品的元素、分子等结构信息（如图10所示）。TOF-SIMS被广泛应用于物理、化学、微电子、生物、制药、空间分析等工业和研究方面，为所有需要极端表面敏感性和表面分子信息的领域提供了可能，例如分析电池极片深度分析和钙钛矿太阳能电池缺陷钝化剂的3D分布（如图11所示）。   图9. TOF-SIMS的基本原理 图10. TOF-SIMS获得数据类型：表面质谱谱图、二次离子表面分布影像、深度分布曲线，3D重构影像。     图11. TOF-SIMS对电池极片的深度分析和钙钛矿太阳能电池缺陷钝化剂的3D分布。   通过以上原理和应用的介绍，可以看到XPS、AES和TOF-SIMS可以提供丰富的表面，为了更好地将这些表面分析与科学问题的结合，我们汇总了丰富的表面分析应用典型案例：   表面分析技术应用典型案例汇总   文件名 分析技术 类型 1 XPS案例：电池材料 XPS 表面、Operando 2 微区XPS在摩擦学研究与抗磨材料开发中的应用 XPS 微区、成像 3 XPS案例-钙钛矿 XPS 深剖 4 XPS案例-半导体（IGZO） XPS 表面、界面 5 XPS案例-稀土陶瓷 XPS 表面、深剖 6 XPS案例-金属-钢铁 XPS 表面 7 XPS技术特点 XPS 微区、成像、多点、深剖、双阳极 8 XPS应用-药物 XPS 表面 9 XPS应用-石墨烯 XPS 表面 10 XPS应用-微生物 XPS 表面 11 XPS在稀土材料中的应用 XPS 材料科学 12 XPS在腐蚀学中的应用 XPS 材料科学 13 XPS在浮法玻璃的应用 XPS 表面、深剖 14 XPS在石墨烯材料分析中的应用 XPS 石墨烯 15 XPS在矿物的应用 XPS 表面 16 XPS在涂层方面的应 XPS 涂层 17 XPS在微区分析方面的应用 XPS 微区分析 18 XPS案例-催化 XPS 表面、微区、成像 19 HAXPES应用案例 HAXPES 表面、锂电、催化 20 XPS应用-量子点 XPS 表面 21 利用UPS+LEIPS研究钙钛矿缺陷钝化和改性 XPS/UPS/LEIPS 能带结构 22 XPS/UPS/LEIPS表征TCO薄膜 XPS/UPS/LEIPS 表面、能带结构 23 UPS和LEIPS评估钙钛矿太阳能电池材料的能级结构 UPS/LEIPS 能带结构 24 UPS-LEIPS 评估全固态电池材料的能带结构 UPS/LEIPS 能带结构 25 LEIPS经典应用案例统计 LEIPS LEIPS 26 TOF-SIMS在生物医药领域的应用 TOF-SIMS 生命科学 27 TOF-SIMS半导体行业应用 TOF-SIMS 半导体 28 TOF-SIMS应用于植物学研究 TOF-SIMS 植物 29 TOF- SIMS在环境科学和大气科学以及地质方面的应用 TOF-SIMS 大气污染物、化石、土壤污染 30 TOF SIMS在OLED材料中的应用 TOF-SIMS OLED 31 TOF SIMS在钙钛矿材料中的应用 TOF-SIMS 钙钛矿 32 AES在电池领域的应用之一 AES 电池 33 AES在半导体行业的应用 AES 半导体 34 AES在电池领域的应用之二 AES 全固态电池   获取以上表面分析技术应用典型案例汇总文件包，可以关注PHI高德英特（下方二维码），回复2023基金必中需要对基金撰写中的表面分析技术进行沟通讨论，可通过扫下方二维码，添加PHI-小助手 参考资料：[1] https://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab1398/ 封面图片：  

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)   1. 引言         宽带隙钙钛矿（1.68 eV）是两端钙钛矿/硅叠层太阳电池的重要前电池吸光材料。然而，这类宽带隙钙钛矿太阳电池中存在大量缺陷诱导的非辐射电荷复合，导致器件开路电压（VOC）远低于理论值，严重限制了器件效率的进一步提升。深能级受体缺陷是影响VOC的主要因素，缺陷钝化是提供器件效率的有效策略。   2. TOF-SIMS应用成果         近日，陕西师范大学方志敏&冯江山&刘生忠团队通过采用氟化物辅助表面梯度钝化的策略获得了光电转换效率（PCE）高达21.63%，VOC达1.239 V （VOC损失低至441 mV）的宽带隙钙钛矿太阳电池（图1）。该工作以题为“Wide-Bandgap Perovskite Solar Cell Using a Fluoride-Assisted Surface Gradient Passivation Strategy”发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie）期刊上。   图1. 参比与p-PEAI修饰器件的J-V曲线；最优器件与文献对比图。           团队首先通过深能级瞬态谱测试得出，在宽带隙钙钛矿薄膜中存在着大量的受体缺陷（反占位IPb，IA缺陷），极大地限制了器件VOC的提升。为了有效钝化这些受体缺陷，进一步地通过DFT理论计算结果得出，使用F取代苯乙胺碘（PEAI）苯环中不同位置（邻、间、对）的H，即o-FPEAI，m-FPEAI和p-FPEAI，可以显著提高-NH3+末端的正电性，从而明显提高FPEA+在带负电的IA和IPb缺陷上的吸附性（图2）。其中p-FPEAI的吸附性最强，使其具有最好的缺陷钝化效果。   图2. o-FPEA+，m-FPEA+和p-FPEA+在不同受体缺陷上的吸附能及其缺陷钝化机制。           实验结果进一步证实，相比于PEAI，o-FPEAI和m-FPEAI，采用p-FPEAI钝化钙钛矿薄膜后，钙钛矿薄膜的质量提高最为显著。p-FPEAI修饰后的器件性能最优，与理论计算结果一致。         之后，为了团队进一步地对比不同钝化方式的效果，即体相掺杂钝化（bulk passivation, BP），后处理钝化（post-treatment passivation, PTP）以及反溶剂萃取表面梯度钝化（surface gradient passivation, SGP）。发现当使用SGP方式引入p-FPEAI钝化剂时，缺陷钝化效果最好，电荷传输性能最佳，从而实现了最优的器件性能（VOC=1.239 V，JSC=21.16 mA/cm2，FF=82.50%，PCE=21.63%）。而使用BP和PTP方式引入p-FPEAI的器件效率分别为19.46%（VOC=1.169 V，JSC=20.59 mA/cm2，FF=80.86%）和19.27%（VOC=1.172 V，JSC=21.14 mA/cm2，FF=77.85%）。为了解释性能差异背后的机理，团队首先利用XPS对参比和三种不同钝化方式的钙钛矿薄膜进行p-FPEAI分子特征元素—氟（F）分布的表征（图3），可以看出，PTP方式表面F元素含量最高，说明PTP方式下p-FPEAI主要分布在薄膜表面，这与文献中后处理方式的结论一致。SGP方式处理的钙钛矿薄膜也检测到F元素。有趣的是，BP方式下，并未在薄膜表面检测到F。 图3. 不同钙钛矿薄膜中F元素的XPS表征。           为了进一步探究SGP和BP方式下p-FPEAI在薄膜内部的分布情况。团队通过时间分辨二次离子质谱（ToF-SIMS， PHI nanoTOF II）对SGP和BP钙钛矿薄膜进行F元素分布表征（图4）。可以看到，SGP方式下F元素呈梯度分布，即表面F含量最高，薄膜内部自上而下逐渐降低，这与文献中反溶剂萃取钝化方式的结果一致。BP方式下F元素主要分布在薄膜内部，在薄膜表面和底部几乎没有分布，这与BP方式薄膜XPS表征结果一致。由此，根据三种方式下p-FPEAI的分布情况，对器件性能的差异作出如下解释：对于PTP器件，p-FPEA+主要分布在薄膜表面，只能钝化表面缺陷，且大分子p-FPEA+聚集在表面可能会阻碍界面电荷转移，导致器件FF降低；对于BP器件，尽管p-FPEA+可以钝化晶界缺陷，但薄膜表面的缺陷未能得到有效钝化，同时p-FPEA+大量聚集在薄膜中间部分，阻碍膜内电荷传输，导致器件JSC降低；对于SGP器件，p-FPEA+在钙钛矿膜内呈梯度分布，可以同时钝化薄膜表面和晶界的IPb和IA缺陷，且不阻碍电荷传输，从而实现了最优的器件效率。最终，有效面积为0.09 cm2的刚性电池效率为21.63%，VOC损失为441 mV，相同面积柔性电池效率为21.02%。此外，当电池有效面积增加到1 cm2后，效率仍高达19.31%。该工作有助于为开发高效宽带隙钙钛矿太阳电池提供理论指导和实验支持。   图4. SGP和BP钙钛矿薄膜中F元素的ToF-SIMS表征。   3. TOF-SIMS表面分析方法         飞行时间二次离子质谱仪（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，TOF-SIMS）是由一次脉冲离子束轰击样品表面所产生的二次离子，经飞行时间质量分析器分析二次离子到达探测器的时间，从而得知样品表面成份的分析技术，具有以下检测优势: 兼具高检测灵敏度（ppm-ppb）、高质量分辨率(M/DM>16000)和高空间分辨率(<50nm)； 表面灵敏，可获取样品表面1-2个原子/分子层成分信息 (≤2nm)； 可分析H在内的所有元素，并且可以分析同位素； 能够检测分子离子，从而获取有机材料的分子组成信息； 适用材料范围广：导体、半导体及绝缘材料   图5. TOF-SIMS可以提供的数据类型。           目前，TOF-SIMS作为一种重要的表面分析技术，可以用于样品的表面质谱谱图分析，深度分析，2D以及3D成像分析，所以被广泛应用于半导体器件、纳米器件、生物医药、量子材料以及能源电池材料等领域。   参考文献： [1] Yan et al. Wide-Bandgap Perovskite Solar Cell Using a Fluoride-Assisted Surface Gradient Passivation Strategy, Angewandte Chemie International Edition (2023). https://doi.org/10.1002/anie.202216668

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           摩擦副之间的相对运动必然会产生摩擦和磨损，全球约80%的机械零件失效都是由摩擦磨损造成的。此外，地球上每年近三分之一的一次能源消耗被用来克服各种系统和设备的摩擦，这不仅造成了大量的能量损失，而且限制了能源效率的优化。因此，系统深入地研究材料摩擦过程中在表面、界面所发生的化学反应，从微观或分子、原子水平上认识材料有效和失效的机理，继而指导设计制备具有优异摩擦学特性的材料，对于节约能源、提高机械装置使用寿命以及减少环境污染具有重要意义。XPS作为表面化学分析最有效的技术之一，在摩擦学领域应用广泛。然而，摩擦后形成的磨痕、磨斑和磨屑等特征往往尺寸较小（微米量级），受限于普通XPS的空间分辨能力，导致对此类具有微区特征样品的表征存在挑战。         中国科学院兰州化学物理研究所的王齐华研究团队致力于复合材料摩擦学、空间环境材料失效行为和机理研究以及苛刻条件下的润滑材料和密封技术的研究。其研究团队在研究聚酰亚胺-MoS2复合材料真空转移膜的形成机理的过程中，利用ULVAC-PHI 的扫描微聚焦型XPS（PHI 5000 VesaProbe III），成功地对不同摩擦阶段转移膜的微区化学成分和形貌进行了全面表征，揭示了转移膜的形成与磨屑堆积之间的关系。 图1. 跑合（磨合）阶段的磨痕(a1)和磨斑(a2)的微区SXI图像定位和微区XPS表征[1]。   图2. 稳定磨损阶段的磨痕(a1)和磨斑(a2)的微区SXI图像定位和微区XPS表征[1]。           图1和图2展示了跑合（磨合）阶段和稳定磨损阶段分别产生了磨痕和磨斑的形貌，并通过微区SXI影像对磨痕和磨斑的位置进行了精准定位，再利用微区XPS表征了相应位点（红圈）的元素组成和化学态。XPS结果表明在磨损的每个阶段，磨斑上元素的化学态都存在明显差异。此外，通过XPS mapping直观地显示了陡降阶段磨痕表面Mo (a)和Fe (b)的弥散情况。研究发现含MoS2颗粒的磨屑会被拖入摩擦界面形成二次转移，表明磨痕附近磨屑的堆积是影响运行阶段持续时间的关键因素，也是产生“条纹”状转移膜的原因。   图3. XPS mapping反馈出陡降阶段磨痕表面Mo (a)和Fe (b)的弥散情况[1]           相关研究成果以“In-situ research on formation mechanisms of transfer films of a Polyimide-MoS2 composite in vacuum”为题发表在摩擦学领域的顶级期刊《Tribology International》上。   技术讲解：微区分析导航定位利器SXI影像         SXI（Scanning X-Ray induced secondary electron imaging，X射线激发的二次电子影像）：微聚焦扫描X射线束类似扫描电镜SEM中的电子束，可以在样品表面进行扫描而样品不需要移动，因此X射线扫描区域产生的二次电子，经能量分析器收集，可以获得样品表面的二次电子分布，从而表征样品表面形貌特征。由于仪器中的二次电子和光电子来自于设备中的同一光路，SXI影像的定位具有零误差，这是外置相机所不能实现的。         XPS微区分析找到分析位置，进行精确定位，这是微区分析的必备条件，否则定位差之毫厘，结果就会谬以千里。SXI 影像不仅可以获得样品表面的二次电子影像分布，识别出感兴趣区域，而且SXI影像也是微区分析的导航利器，通过SXI影像可以精准定义微区点分析，多点分析，线分析和面分析，精确获得元素和化学态的空间分布。         SXI在样品导航上的优势以及高灵敏度的小面积XPS采谱能力对PHI XPS的应用产生了深远的影响，尤其在表征材料表面的污渍、起泡、缺陷、腐蚀、磨痕以及粘附等微小特征区域方面优势明显，极大提高了微区分析定性和定量分析的准确性。   总结SXI技术特点： 扫描微聚焦X射线激发的二次电子影像（SXI）可获取样品表面的二次电子分布； 可观察到光学系统很难探测的表面污染以及形貌特征等； 与采谱同源，同光路，同探测器，可保证对分析点零误差精准定位； 通过SXI定位，可准确进行元素和化学态的空间分布测试，即XPS mapping。   参考文献： [1] H. Hu, et al. In-situ research on formation mechanisms of transfer films of a Polyimide-MoS2 composite in vacuum. Tribology International 180 (2023) 108211. https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108211

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           材料表/界面的属性对材料的性能具有重大影响，如表面氧化、腐蚀、污染、偏析、薄膜结构、成分变化和形状变化等，往往决定了材料的性能和使用寿命。 X射线光电子能谱仪(XPS)作为一种重要的表面分析技术，在表/界面组分的确定、元素化学态分析以及相对含量的测试方面具有诸多优势，结合离子溅射技术，还能实现对材料深度方向的追踪探索，对探究材料的构效关系起到了重要的作用。   用户简介         东京大学（The University of Tokyo，简称东大）成立于1877年，是日本第一所国立综合性大学。距今已有145年历史的东大拥有10个大学部，15个研究生院，以及数万师生。东京大学大学院工学系研究科综合研究所作为东大重要的科研机构之一，与诸多世界领先的工程研究人员开展合作交流，旨在开拓世界上最先进的工程，为社会的进步作出贡献。研究所是集纳米工程、电子显微镜、X射线和表面分析，以及激光产业技术于一体的大型科研实验设备共享平台。该研究所配备了世界上最为先进的XPS、TEM、STEM、XRD和MARS等设备，其中包括ULVAC-PHI公司的PHI 5000 VersaProbe II（XPS）、PHI 5000 VersaProbe III（XPS）和PHI Quantera（XPS）仪器，为相关研究提供了重要的实验支撑。[1]   图1. 东京大学大学院工学系研究科综合研究所的PHI VersaProbe XPS设备。           图1为该研究所购置的PHI VersaProbe III XPS设备，拥有X射线扫描微聚焦功能，可以实现大面积样品和微区样品的高灵敏度XPS测试。此外，该设备还配备了丰富的功能配件，包括原位四探针平台（4-contact Heating/Cooling Stage）和用于AES分析的扫描电子枪配件（Scanning Auger electron Microscope，SAM）等。         接下来，敬请欣赏东京大学利用PHI XPS所发表的研究成果：   研究成果1[2]         水系锂离子电池的电解质不是有机溶液而是水溶液，因此具有可持续性、低成本、高安全性和环境友好等优点，是一种很有前途的电化学储能设备。然而，由于水溶剂狭窄的电化学势窗口(1.23 V)，导致其工作电压低，能量密度小，严重限制了正极和负极的选择，从而阻碍了水系锂离子电池的应用。研究发现高浓度盐策略能够解决这一难题，可将含水电解质的电化学势窗口扩大到3 V以上。高浓度水电解质可能具有氧氧化还原活性，但是其与高性能电极材料的兼容性以及对锂离子电池性能的影响知之甚少。         对此，东京大学Atsuo Yamada教授团队结合之前的研究成果，进一步探究了富锂过渡金属氧化物(Li1+xM1-xO2)与水合熔盐电解质的兼容性。利用PHI XPS设备对三种不同的富锂过渡金属氧化物，即Li2RuO3、Li1.2Ni0.2Mn0.6O2和Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2进行了系统的XPS表征（见图2）。XPS结果表明，颗粒表面的Ni发生了还原，证明Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2在水合熔盐电解质中不稳定。相关研究成果发表在《Advanced Science》期刊。   图2. Li1.2Ni0.2Mn0.6O2和Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2的XPS谱图。[2]   这项工作不仅证明了正确的集成设计的重要性，同时还体现了XPS作为分析电池材料中重要的技术手段，可实现对电池材料的全面表征，得到电池材料表面元素以及化学态的定性定量分析，为进一步研究和提升电池性能提供依据和指导。   研究成果2[3]         散热材料的导热性直接关系到高速通信或电动汽车等电力电子设备的性能和稳定性，尤其是复合材料的界面，因其是声子的散射体（导致热阻）而备受关注。为了提高界面的热导率，传统的做法是增加界面的结合力（界面键合）。然而，东京大学Junichiro Shiomi团队却发现了与常规相反的现象，即弱作用力界面可以比强键合界面提供更高的界面热导。         作者在金刚石基板表面合成自组装单层，并在其上沉积铜。利用自组装单层粘合软铜和硬钻石之间的界面，并通过调节自组装单层分子末端的官能团来改变界面的结合强度，同时采用时域热反射法系统的测量界面的热导率。结果发现，以弱范德华力结合的界面比以强共价键结合的界面显示出更高的热导率。为深入了解界面上的结合强弱对热导率的影响，借助PHI XPS设备对铜/自组装单层的晶格的界面处进行了化学态分析，并证明了界面处形成了Cu-S共价键（见图5）。结果表明自组装单层有效地增加了界面上频带的重叠，使声子更容易穿透，界面上的键越弱，重叠越大，自组装单层的声子频带介于铜和金刚石之间，因此材料的导热性得到改善。相关研究成果发表在《Science Advances》期刊。   图3. Cu/SAM（自组装单层）界面附近氩离子溅射后的XPS谱图。[3]           ULVAC-PHI公司始终致力于开发和制造先进的表面分析仪器，包括XPS、AES、TOF-SIMS以及UPS/LEIPS/SAM/REELS/离子源等相关配件，为提升仪器性能和扩展设备功能而不懈努力，同时提供优质的技术服务，期盼与用户共同推动表面分析技术的大力发展和应用拓展。   参考文献： [1] https://www.sogo.t.u-tokyo.ac.jp/ [2] https://doi.org/10.1002/advs.202104907 [3] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abf8197

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)           清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测技术中心作为深圳市规模较大的高校共享实验平台，依托平台先进的设备优势、专业技术优势以及人才优势，致力于充分整合利用资源，为高校科研教学与社会企事业服务。据清华大学深圳国际研究生院统计，截至2021年底，该院共有单台（套）50万及以上仪器设备有217台，设备原值2.98亿元，开放率100%，使用率116%，共享率40%，已服务300多家单位，如宁德时代、大疆创新、中国海洋石油集团有限公司、深圳安吉尔饮用水产业集团、欣旺达电子股份有限公司等。[1] 特别是材料与器件检测技术中心购置了ULVAC-PHI的XPS（PHI 5000 VersaProbe II），为材料的表面分析提供了重要的数据佐证。在2022年，该中心新配备的ULVAC-PHI先进的XPS（PHI VersaProbe 4）和TOF-SMIS（PHI nanoTOF II）开始正式启用，意味着在表面分析领域的科研技术手段进一步增强，势必会为更多的科研设想带来实现的可能性。   图1. 清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测技术中心的XPS设备：PHI 5000 VersaProbe II。   图2. 清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测技术中心的XPS设备：PHI VersaProbe 4。   图3. 清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测技术中心的TOF-SIMS设备：PHI nanoTOF II。   成果赏析         锂离子电池的使用寿命有限，通常不到十年，这意味着将产生大量废旧锂离子电池。由于锂具有经济价值高和天然储备有限的特点，而且锂离子电池中使用的重金属元素以及退役电池如处置不当可能导致潜在的环境污染，因此迫切需要发展回收废旧电池的高效绿色方法。         对此，清华大学深圳国际研究生院材料研究院康飞宇教授和李宝华教授团队合作研究开发出了一套高效绿色回收退役锂离子电池的有效策略（见图4和5）。基于带电退役电池在水中的精准拆解，结合湿法冶金工艺，完成对废旧电池中锂、铁和磷等单个元素的高效提取，并借助XPS（PHI 5000 VersaProbe II）来确定元素的价态。该研究为解决退役锂离子电池的高效绿色回收和高值化利用问题提供了新思路，有助于推动退役锂电池回收的工业化进程。   图4. 在水中拆解带电卷绕型电池示意图[2]。   图5. 室温下从充电态废旧磷酸铁锂电池中回收提取单个元素示意图[3]。           退役锂电池回收系列相关研究成果分别以 “带电废旧锂离子电池在水中精准分离回收”（Precise separation of spent lithium-ion cells in water without discharging for recycling）和“室温下从充电态废旧磷酸铁锂电池中回收提取单个元素”（Room-temperature extraction of individual elements from charged spent LiFePO4 batteries）为标题发表在国际知名期刊《储能材料》（Energy Storage Materials）及《稀有金属》（Rare Metals）上。   参考文献： [1] https://static.nfapp.southcn.com/content/202212/13/c7169387.html [2] Y. Zhao, et al. Precise separation of spent lithium-ion cells in water without discharging for recycling. Energy Storage Materials 45 (2022) 1092–1099. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.11.005. [3] M.-C. Fan, et al. Room-temperature extraction of individual elements from charged spent LiFePO4 batteries. Rare Met. (2022) 41(5): 1595–1604. https://doi.org/10.1007/s12598-021-01919-6.

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)   1. 引言 新矿物研究，是地球科学领域重要的基础性研究工作。新矿物的发现不仅可以增加自然界的矿物种类，同时也可以为人类认识和利用自然界矿物提供新的参考。截至2022年3月，全球已累计发现新矿物5794种，我国累计发现新矿物188种，不足3%。新矿物的发现数量、研究深度及分析技术水平展现了一个国家基础科技的软实力与硬实力，是国家综合实力的体现。近年来，我国加大了对新矿物研究的支持力度，我国新矿物事业迎来了难得的发展契机。中国地质调查局矿产资源研究所李以科研究团队立足全球最大的白云鄂博稀土铌铁矿床，长期致力于战略性关键矿产成矿作用与资源评价研究工作。   2. 成果介绍 12月2日，由中国地质调查局矿产资源研究所（以下简称“资源所”）李以科研究团队发现并申报的新矿物“白鸽矿”，获得国际矿物学协会-新矿物命名及分类委员会（IMA-CNMNC）高票通过，批准号IMA 2021-002a。新矿物英文名称“Nioboixiolite-(□)”，为纪念在白云鄂博地区首次发现铌铁矿并开启铌资源调查研究的白鸽研究员（1930-2020），申报者将新矿物中文名称确定为“白鸽矿”，目前其标型样品存放于中国地质博物馆，编号M16118。   图1. 白鸽矿晶体结构示意图。   白鸽矿发现于白云鄂博稀土-铌-铁床隐伏碳酸岩体中，是在白云鄂博矿床发现的第16个新矿物。它是一种黑色不透明的铌钽氧化物。简单化学式为：[(Nb,Ta)5+,□,(Ti,Si)4+,U6+,(Ca,Pb)2+,(Fe,REE)3+]O2，理想化学式为：(Nb0.8□0.2)4+O2，属斜方晶系（Orthorhombic），空间群 Pbcn (#60)，晶胞参数：a = 4.7071(5) Å，b = 5.7097(7) Å，c = 5.1111(6) Å，V = 137.37(3) Å3，Z = 4。（□：电子空位）。   一直以来，白云鄂博被认为是极度富钍（Th）贫铀（U）和极度富铌（Nb）贫钽（Ta）的碳酸岩型稀土-铌-铁矿床，本次发现的白鸽矿中UO3、Ta2O5含量分别达到20.21%、13.75%，预示着可能经历了特殊的成矿过程，对研究白云鄂博铌、钍元素超常富集机制提供了新的视角。该新矿物的发现不仅丰富了白云鄂博富铌矿物的种类，为铌矿的开发提供了重要启示，同时为找寻更加珍贵的铀、钽资源提供了新方向。   3. 矿物的XPS测试 按照IMA-CNMNC规定，矿物种主要以其化学组成和结晶学性质为基础加以确定，如果发现一个矿物，其化学性质和结晶学性质与任何已存在的矿物种明显不同，则存在着该矿物为新种的可能性。由于白鸽矿中含铁、铀变价元素，为了准确厘定新矿物的标准化学组成，要首先确定变价元素价态。   图2. 矿物颗粒的SXI影像（左）和SEM影像（右）。   新矿物一般呈现化学成分具有新颖性的微量微小特征，所以矿物颗粒的化学态精准测试成了新矿物研究的难点，这是因为常规XPS的X射线束斑尺寸太大（直径400微米或700微米×300微米），不可避免会测试到矿物颗粒周围的信号，对矿物颗粒的化学态和含量的判定带来较大误差。这次发现的白鸽矿的矿石的粒度较小，约200微米，测试上如果差之毫厘极，结果可能就是天壤之别。在多个实验室尝试结果不理想的情况下，李以科研究员最终在PHI CHINA实验室，利用PHI XPS的微区测试定位功能—SXI影像对矿物进行零误差精准定位(图2所示)，然后采用直径100 微米的X射线束斑，终于圆满完成了白鸽矿的化学态和组分精测（如图3所示），为新矿物的认证之路取得了关键数据。   图3. 矿物颗粒的XPS测试结果。   X射线光电子能谱(XPS)作为重要的表面分析技术，可以对样品表面组分和化学态进行定性和定量分析，已经广泛应用于科学研究中。特别是XPS空间分辨能力的提升，微区XPS技术可以实现对样品表面的组分和化学态的局域化分布信息的获取，为矿物、微电子、半导体和新能源中的微区研究提供重要的实验数据。   文章链接: [1] https://www.cgs.gov.cn/gzdt/zsdw/202212/t20221208_719719.html

(This page is in Chinese only.  For details, please kindly contact our representative.)   1. 用户简介 中国科学院化学研究所成立于1956年，是以基础研究为主，有重点地开展国家急需的、有重大战略目标的高新技术创新研究，并与高新技术应用和转化工作相协调发展的多学科、综合性研究所，是具有重要国际影响、高水平的化学研究机构。化学所的主要学科方向为高分子科学、物理化学、有机化学、分析化学、无机化学。积极开展化学与生命、材料、环境、能源等领域的交叉研究，在分子与纳米科学前沿、有机高分子材料、化学与生命科学交叉、能源与绿色化学等领域取得新的突破，建设和完善了面向国家重大战略需求的先进高分子材料基地。[1]   2. 用户成果赏析 碳是元素周期表中最多样化的元素之一，碳原子具有极轻的原子质量和极强的共价键，以多种杂化方式成键获得结构丰富的碳网络，其独特的π电子共轭体系展现出优异的力、热、光、电等属性。通过调节碳材料的带隙，可以使其表现出迥异的电学性质（如金属、半导体和绝缘体），从而在晶体管、能源存储器件、超导等领域具有广泛应用。碳材料的性能与其拓扑结构密切相关，因此，研究新的二维碳同素异形体，特别是具有带隙的新型结构，具有重要意义。制备新型碳材料一直是材料领域的前沿科学问题，以富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔为代表的新型碳材料的每一次发现都引发了材料学家的研究热潮。[2] 由于碳碳成键的反应收率不是100%，且反应不可逆，因此，基于合成化学的“自下而上”合成策略难以制备二维团簇碳材料单晶。中国科学院化学研究所郑健研究员课题组在常压下通过简单的反应条件，创制了一种新型碳同素异形体单晶——单层聚合C60。这是一种全新的簇聚二维超结构，C60簇笼在平面上通过C-C键相互共价键合形成规则的拓扑结构，相关成果以题为“Synthesis of a monolayer fullerene network”发表于国际顶级期刊《Nature》。[3]   图1. 单晶结构示意图和有机阳离子切片剥脱示意图。   郑健研究员团队在常压下利用掺杂聚合-剥离两步法，通过调节镁（Mg）和C60的比例，制备了两种紧密排列的准六方相和准四方相的Mg插层聚合物单晶，通过新的有机阳离子切片策略，使用四丁基水杨酸铵作为切割试剂，从准六方相结构中剥离得到单层C60聚合物。研究人员利用单晶X射线衍射（XRD）和扫描透射电子显微镜（STEM）对该单层C60聚合物进行了结构表征，结果显示C60之间通过C-C桥连单键和[2+2]环加成的四元环桥连键在平面内连接形成了一种全新的二维拓扑超结构。   图2. qHP C60的UPS（左）和LEIPS（右）测试谱图及电学带隙结果。   能带结构决定了碳材料的电学性质，所以结合LEIPS（low-energy inverse photoelectron spectroscopy，低能量反光电子能谱）和UPS（ultraviolet photoelectron spectroscopy，紫外光电子能谱）对单层C60聚合物的电学带隙进行了表征。如图2所示，UPS结果表明单层qHP C60的VBM（valence-band maximum，价带顶）位于费米能级以下1.17 eV处；LEIPS测量出单层qHP C60的CBM (conduction-band minimum，导带底) 高于费米能级0.43 eV。LEIPS和UPS结果相结合，获取样品完整的电学带隙，并表明单层C60聚合物从绝缘体C60转变成带隙约为1.60 eV的典型半导体，预示着其在光/电半导体器件中具有广阔的潜在应用。由于不对称成键结构，这种新的碳材料具有显著的面内各向异性等优异特性，有望应用于非线性光学和功能化电子器件领域。其独特的共轭结构、晶格和多孔骨架结构，使得该二维簇聚碳材料在超导、量子计算、自旋输运、信息及能量存储、催化等领域也具有潜在的应用。   3. LEIPS和UPS表面分析方法 紫外光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS)，是基于光电效应，利用紫外光（hν=21.22 eV）激发价带电子, 可以获取样品价带位置（VB/HOMO）、功函数（Ф）和电离势（IE）信息。低能量反光电子能谱（Low-Energy Inverse Photoelectron Spectroscopy，LEIPS）是采用低能量电子（小于5 eV）入射到样品表面，与未占据态（导带）耦合释放出光子，然后通过光子探测器对出射光子进行检测，从而获取样品导带（CB/LUMO）和电子亲和势（EA）的信息。将LEIPS与UPS结合，可以完整地表征出样品的能带电子结构。   图3. LEIPS结合UPS表征材料的能带电子示意图。   ULVAC-PHI XPS能够同时搭载LEIPS和UPS功能配件，可以对样品表面同一位点实现多技术联合原位表征，即在XPS表征完成后，在同一个位置进行原位的LEIPS和UPS 测试，进一步提供样品完整的能带电子信息，对深入解析材料性能和改良器件具有重要的指导意义。   参考文献 [1] http://www.ic.cas.cn/jggk/skjj/ [2] http://www.ic.cas.cn/xwzx/yw/202206/t20220616_6462239.html [3] Hou, L., Cui, X., Guan, B. et al. Synthesis of a monolayer fullerene network. Nature 606, 507–510 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04771-5