铁 • 过渡金属

主要 XPS 区：Fe2p
重叠区：Cu LMM、Ni LMM
常见化学态的结合能：

实验信息

• Fe2p 与 Ni LMM 俄歇峰强烈重叠，例如在一些钢样品中。
  • 可以使用较弱的 Fe3p 或 Fe3s 峰进行定量分析。
• 铁的一些化合物/合金具有磁性。
  • 可以的话，在测试之前对样品进行消磁处理。
• 铁氧化物很容易被氩单体溅射还原。
  • 在试图清洁氧化物样品表面或进行深度剖析时，使用尽可能低的离子束能量。
    • 最小化（但不能完全防止）还原效应。

XPS 谱图解读

• Fe2p 具有明显的自旋轨道分裂峰（Δ_金属=13.1eV）。
• 金属的 Fe2p 峰形不对称。
  • 金属的高分辨率 Fe2p_3/2 谱显示了多重分裂。
  • 在拟合典型的混合氧化物/金属谱时，可以不对较弱的分裂峰进行拟合（与主峰的位移为 0.9eV）。

• 相对于金属，Fe 氧化物峰明显移向更高的结合能。
  • 即使在相对较低的离子能量下，Fe 化合物也可能被 Ar 离子溅射还原。
• 铁化合物可以描述为高自旋或低自旋（如晶体场理论所定义）。
  • Fe(III) 化合物始终是高自旋的，导致复杂的多重分裂 Fe2p 谱^[1]。
  • Fe(II) 化合物可能是高自旋，也可能是低自旋^[1]。
    • 高自旋化合物（例如，FeO 或 FeCl₂）的 Fe2p 谱显示出复杂的多重分裂且具有卫星峰。
    • 低自旋化合物（例如，FeS₂）谱不显示多重分裂或卫星峰。
  • 可以使用 Fe2p 的卫星峰区分 Fe 的各种氧化态。

• 主峰与卫星峰的相对结合能和强度比因化合物而异，例如，相较于 FeO，FeCl₂ 具有非常强的卫星峰。
• 对于暴露在空气中的白铁矿 (FeS₂)，由于 Fe²⁺ 处于低自旋组态，因此未观察到卫星峰。
  • 主 Fe2p_3/2 峰的较高结合能 (~710.5eV) 的宽结构不是卫星结构，而是由于表面氧化产生的 Fe³⁺ 态所致。
  • 更高的结合能、更小的白铁矿峰 (708.4eV) 可能是由于 Fe-S 键断裂造成的缺电子 Fe²⁺ 位点所致^[2]。

参考文献

• [1] MC Biesinger et al., Applied Surface Science 257 (2011) 2717-2730
• [2] Uhlig et al., Applied Surface Science 179 (2001) 222-229

关于此元素

符号：Fe
发现日期：古代
名称来源：拉丁语
外观：银色
发现者：未知
来源：铁矿石

熔点：1535 K
沸点：2861 K
密度 [kg/m3]：7.86
摩尔体积：7.09 × 10-6 m3/mol
质子/电子：26
中子：30
壳层结构：2,8,14,2
电子构型：[Ar]3d64s2
氧化态：2,3,4,6
晶体结构：立方晶体

铁占地球质量的 35%，是钢的主要成分，也是最常用的金属。铁有多种形态，包括铸铁、熟铁和生铁，但如果不加以保护，就会严重生锈。铁是所有已知生物所必需的微量元素。在哺乳动物和其他动物中，血红蛋白是红细胞中携带氧气的含铁金属蛋白。良好的膳食铁来源包括肉类、豆类和叶菜；然而，体内的铁过量会导致细胞损伤，并最终导致长期器官损伤甚至死亡。

应用资料

• 金属组分的快速、高效 XPS 定点分析
• 钢样品表面污染物的 XPS 分析
• 燃料电池应用钢隔板上金薄层的表征分析

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