由于最近幾十年超高真空、高分辨和高靈敏電子測量技術(shù)的快速發(fā)展，表面分析技術(shù)也有了長足進(jìn)步。目前，全球已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十種常用的表面分析技術(shù)，如X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)、輝光放電光譜(GDS)、掃描探針顯微鏡(SPM)等。
X射線光電子能譜儀(XPS)與俄歇電子能譜(AES)是重要的表面分析技術(shù)手段。XPS在分析材料的表面及界面微觀電子結(jié)構(gòu)上早已體現(xiàn)出了強(qiáng)大的作用，它可用于材料表面的元素定性分析、半定量分析、化學(xué)狀態(tài)分析、微區(qū)分析以及深度剖析(<200nm)等。俄歇電子能譜(AES)主要檢測由表面激發(fā)出來的俄歇電子來獲取表面信息，它不僅能定性和定量地分析物質(zhì)表界面的元素組成，而且可以分析某一元素沿著深度方向的含量變化。輝光放電光譜技術(shù)是基于惰性氣體在低氣壓下放電轟擊樣品表面，濺射出的表面原子因激發(fā)而發(fā)光的原理而發(fā)展起來的光譜分析技術(shù)。與其他表面分析技術(shù)如俄歇電子能譜(AES)、二次離子質(zhì)譜(SIMS)相比，具有分析速度快，分析成本低等優(yōu)勢。
TOF-SIMS(飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜)采用一次離子轟擊固體材料表面，產(chǎn)生二次離子，并根據(jù)二次離子的質(zhì)荷比探測材料的成分和結(jié)構(gòu)。TOF-SIMS是一種非常靈敏的表面分析技術(shù)，可以精確確定樣品表面元素的構(gòu)成：通過對分子離子峰和官能團(tuán)碎片的分析可以方便的確定表面化合物和有機(jī)樣品的結(jié)構(gòu)，配合樣品表面的掃描和剝離，可以得到樣品表面甚至三維的成分圖。相對于XPS、AES等表面分析方法，TOF-SIMS可以分析包括氫在內(nèi)的所有元素，可以分析包括有機(jī)大分子在內(nèi)的化合物，具有更高的分辨率。
目前表面分析儀器的主要供應(yīng)商Thermo Fisher、Shimadzu、Phi、Joel、VG Sceinta、PreVac、SPECS、Omicron等。
表面分析技術(shù)與市場
表面分析技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，如進(jìn)行半導(dǎo)體失效分析等。國內(nèi)表面分析技術(shù)起步于80年代，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)科研、先進(jìn)材料研制、高精尖技術(shù)、裝備制造等領(lǐng)域;目前全國的表面分析儀器有300臺左右，其中，北京地區(qū)擁有大型表面分析儀器設(shè)備20多臺，從事專業(yè)表面分析相關(guān)工作的人員有50多人，大量分布于各大高校、科研院所;國內(nèi)學(xué)者主要是利用XPS、AES等表面分析技術(shù)研究材料表面與界面的物理化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，研究熱點(diǎn)主要集中在催化材料、碳納米管石墨烯等新型材料、聚合物太陽能電池等新型器件等。
Markets and Markets的最新市場調(diào)查報(bào)告預(yù)計(jì)，到2020年，表面分析市場將達(dá)到約39.897億美元;2015年到2020年期間，該市場將以6.2%的復(fù)合年增長率增長。然而，儀器成本高等因素將限制表面分析市場的增長。
該報(bào)告稱，半導(dǎo)體行業(yè)是表面分析技術(shù)最大的終端用戶所在領(lǐng)域，該技術(shù)顯著改善各種應(yīng)用，如測量薄膜的厚度、密度和組成，摻雜劑量和剖面形狀等。在解決半導(dǎo)體行業(yè)所面臨的一些主要挑戰(zhàn)時(shí)，表面分析技術(shù)扮演著至關(guān)重要的角色，包括識別和定位跟蹤半導(dǎo)體中痕量級別的雜質(zhì)，認(rèn)證新的生產(chǎn)工具和量化散裝摻雜物等。此外，在過去的幾年里，由于利用表面分析技術(shù)進(jìn)行缺陷識別、微量金屬污染檢測、薄膜或樣品的深度分析、失效分析的需求不斷上升，使得表面分析技術(shù)在能源、醫(yī)療保健、聚合物、薄膜、冶金、食品和飲料、紙張和紡織品等行業(yè)的應(yīng)用也增加了。
2014年，北美地區(qū)是表面分析最大的區(qū)域市場，約占全球市場的37.0%;其次是歐洲、亞太。北美和歐洲的高市場份額主要?dú)w因于公共和私人來源對納米技術(shù)研究的高投入、醫(yī)療設(shè)備公司增加研究支出，以及在這一地區(qū)存在的一些大公司，這些因素使得相關(guān)用戶更多的應(yīng)用了表面分析解決方案。亞太地區(qū)則是表面分析市場未來增長的推動力，因?yàn)樵摰貐^(qū)的低成本資源、強(qiáng)大客戶基礎(chǔ)、越來越多的制藥研發(fā)支出、越來越多的大公司在這個(gè)地區(qū)建立研發(fā)和生產(chǎn)設(shè)施等因素，使得亞太地區(qū)存在著巨大的投資機(jī)會。市場的增長可能會集中在印度、中國、韓國、日本。
截至2013年，國際上已經(jīng)安裝了約280套TOF-SIMS，每年約20-25臺的增長量。相比之下，中國的TOF-SIMS研究剛剛起步，僅有約10套系統(tǒng)。世界上TOF-SIMS的用戶群半導(dǎo)體工廠和科研院所用戶各占半壁江山。
X射線光電子能譜儀(XPS)技術(shù)與市場
Grand View Research公司研究稱，到2022年，全球XPS(X射線光電子能譜)市場預(yù)計(jì)將達(dá)到7.124億美元。XPS在醫(yī)療、半導(dǎo)體、航空航天、汽車和電子產(chǎn)品等行業(yè)的應(yīng)用日益增長，以及所有這些行業(yè)中研發(fā)需求的不斷增長，有望推動XPS市場增長。此外，聯(lián)用技術(shù)的日益普以及其他技術(shù)的進(jìn)步，如硬X射線光電子能譜(HAXPES)，也將促使XPS市場的增長。
藥品安全和醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域?qū)PS技術(shù)的需求日益增長，預(yù)計(jì)將給該市場帶來增長機(jī)會。美國FDA的“安全使用倡議”和加拿大衛(wèi)生部推動的“藥品安全信息調(diào)查”有可能為XPS制造商提供增長的機(jī)會。在2014年北美占40.0%以上的份額，亞太地區(qū)被確定為市場增長最快的地區(qū)。在中國和印度等新興經(jīng)濟(jì)體地區(qū)，存在著巨大的未滿足需求、政府推出合適的計(jì)劃以提高認(rèn)識水平、改善商業(yè)環(huán)境等是該地區(qū)市場具有高吸引力的主要原因。在預(yù)測期間，XPS市場的競爭有望保持中等水平，儀器公司之間也將出現(xiàn)收購、合并等以強(qiáng)化產(chǎn)品組合和區(qū)域市場份額。
據(jù)業(yè)內(nèi)資深人士介紹，關(guān)于X射線光電子能譜，目前的市場主要分兩塊，一個(gè)是標(biāo)準(zhǔn)化、常規(guī)的XPS，如Thermo Fisher、Shimadzu(kratos)、Phi、Joel等。目前，該市場每年的銷售額大約在1億美元左右。全球來說，估計(jì)Thermo Fisher大約60%、Shimadzu大約25%、Phi大約10%，還有其他公司的5%。還有另外一塊細(xì)分市場，配有角分辨光電子能譜(ARXPS)等的XPS市場;ARXPS技術(shù)改變收集電子的發(fā)射角度，可探測到不同深度的電子;儀器公司包括VG Sceinta、PreVac、SPECS、Omicron等，這塊不大，應(yīng)該在2000萬美元以內(nèi)。所以，目前，XPS整體的市場應(yīng)該在1.2億美元左右，年增長率應(yīng)該在10%以內(nèi)。所以到2022年整體市場應(yīng)該在2.35億美元左右。
關(guān)于硬X射線光電子能譜(HAXPES)，由于其技術(shù)仍然不是很成熟，且由于其本身的信噪比等固有缺陷，在找到新的解決方案之前，用于科研仍然需要時(shí)間。但可以考慮在同步輻射等方面的研究需求，雖然也不會太大。整體市場可能每年50~100套，但這個(gè)源需要和比較特殊的分析器聯(lián)用，所以應(yīng)該屬于VG Scienta、SPECS、PreVac等公司的領(lǐng)域。市場的容量每年大約會在1000萬~2000萬美元。對整體市場需求量不會有太大影響。
從國內(nèi)情況看，2014年表面化學(xué)分析領(lǐng)域的XPS應(yīng)該在20多臺；物理類表面分析領(lǐng)域的XPS，10多臺。去年全球經(jīng)濟(jì)不景氣，國內(nèi)購買表面分析儀器(含化學(xué)和物理)不會低于25%的全球銷售量。
XPS技術(shù)發(fā)展至今已有幾十年的歷史，近年來XPS技術(shù)并沒有很大的突破。據(jù)了解，單臺XPS儀器價(jià)格一般在百萬美元，儀器價(jià)格較高；XPS儀器技術(shù)復(fù)雜，XPS對于操作人員、售后服務(wù)人員水平要求較高；XPS技術(shù)的用戶群，尤其是在中國，目前更多地集中在科研領(lǐng)域，應(yīng)用市場的用戶并不算多，XPS的銷售量不太大。以上幾種因素可能對XPS快速普及產(chǎn)生影響，需要加以關(guān)注。
不過， XPS正從“陽春白雪”向“下里巴人”過渡，如同40年前的電鏡。這里并不是貶低XPS技術(shù)，因?yàn)橹挥谐蔀椤跋吕锇腿恕保拍苡袕V泛的市場。(1)全球經(jīng)濟(jì)很好的復(fù)蘇；(2)大量舊儀器更新；(3)新型儀器的出現(xiàn)；(4)找到工業(yè)測試的結(jié)合點(diǎn)；(5)貨幣貶值。如果以上這些因素全部開動， XPS市場才有可能快速發(fā)展。
