国家自然科学基金项目中的表面分析方法

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1087 845.00万元，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22 262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 162 880 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。

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

AES

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

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