ZnOの酸素1s X線光電子分光法の解釈

X線光電子分光法（XPS）は、材料内の原子の化学的および電子的状態を決定するために広く使用されています。しかし、金属酸化物のO 1s領域を解釈することはしばしば複雑です。ここでは、格子酸素（約530 eV）と酸素含有表面種（約532 eV）の間に現れる約531 eVの結合エネルギーの特徴が見られます。この特徴は、何十年もの間、酸素欠陥や酸素欠乏領域に曖昧に帰属されてきました。この研究では、期待されるXPSスペクトルのプローブとして、2次元および3次元周期境界条件下でのO 1s電子の結合エネルギーを計算するために、全ポテンシャル密度汎関数理論を採用します。ZnOが例系として用いられています。酸素欠陥を含むバルク結晶領域とさまざまな表面終端および機能化を持つスラブが考慮されています。考慮されたスラブは、解離したバルク構造から再構成されないと予想される主に1010および1120面です。得られたO 1s結合エネルギーは、バルク領域における酸素欠陥の指標を示しません。さらに、酸素欠陥や酸素欠乏領域にしばしば帰属される531 eVの結合エネルギーの特徴は、むしろ、露出したZnO表面に強く結合した水分子からのO 1s電子（すなわち、より緩く結合した水とは異なる化学吸着）または水素でパッシベートされた表面酸素によって容易に説明できます。この研究は、金属酸化物のO 1s領域のXPSデータの多くの誤解を修正し、材料の酸素状態を正確に理解するためのガイダンスを提供し、材料特性の本当の起源を明らかにすることを可能にします。