What is X-ray photoelectron spectroscopy and what does it measure?

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is a non-destructive surface analytical technique that measures elemental composition, chemical state, and electronic state of materials within the top 10 nanometers. X-rays strike atoms, ejecting core shell electrons whose kinetic energies are measured. By calculating binding energies from these measurements, researchers determine the material's surface chemistry and composition.

How does the photoelectric effect enable XPS signal generation?

When a core shell electron absorbs a highly energetic X-ray photon, it gains enough energy to escape its orbit as a photoelectron. The excess energy beyond the work function threshold becomes the electron's kinetic energy. This photoelectric effect, which earned Albert Einstein a Nobel Prize, underpins XPS signal generation and allows researchers to determine original binding energies from measured kinetic energies.

What information can be extracted from comparing XPS peaks to reference samples?

Subtle shifts in binding energies relative to reference compounds reveal the chemical state of elements in the sample. The intensity ratio between peaks indicates surface composition. These comparisons allow researchers to identify elemental composition, detect contaminants, and determine electronic states. XPS is particularly valuable for characterizing semiconductor films and analyzing material surfaces for microelectronics manufacturing.

How does pass energy affect XPS spectrum quality and resolution?

Pass energy determines the energy at which all photoelectrons enter the spectrometer, setting constant resolution across the spectrum. High pass energy increases photoelectron flux and signal-to-noise ratio but reduces resolution. Low pass energy improves resolution but decreases signal-to-noise ratio. Researchers must balance these trade-offs based on their analytical requirements.

Why is a survey spectrum collected before high-resolution XPS analysis?

A survey spectrum covers a broad energy range to identify all photoelectron emission peaks from the sample surface. This initial scan reveals which elements are present and their approximate binding energy locations. Once a region of interest is identified from the survey spectrum, researchers can then collect high-resolution spectra of specific elements for detailed chemical analysis.

What sample handling procedures are essential for XPS analysis?

Proper cleanliness is critical for ultra-high vacuum XPS systems. Samples must be handled with powder-free nitrile gloves and tweezers, stored in covered glass containers, and transported safely. Sample holders should be cleaned thoroughly with isopropyl alcohol before use. The load-lock chamber must be vented and pumped to specific pressure ranges (10^-7 to 10^-8 millibar) before analysis begins.

What types of materials can XPS analyze and why is it valuable for research?

XPS analyzes diverse materials including metal alloys, ceramics, polymers, semiconductors, and biological samples. For microelectronics, XPS characterizes thin semiconductor films and detects contaminants to improve manufacturing. XPS also enables researchers to relate novel semiconductor properties to their chemistry, critical for developing new materials. Additionally, XPS analyzes fossilized biological samples to reveal evolutionary and environmental information.

التحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية

0 مشاهدة09:20 دقيقة

ينطبق الإجراء التالي على أداة XPS معينة والبرامج المرتبطة بها، وقد تكون هناك بعض الاختلافات عند استخدام أدوات أخرى.

العينة عبارة عن طبقة رقيقة من Pt (3 طبقات ذرية) تنمو على طبقة واحدة من الجرافين ، والتي يتم دعمها على شريحة زجاجية تجارية من السيليكا (SiO₂). تمت زراعة الجرافين (وهو طبقة واحدة من الكربون) على النحاس ثم تم نقله إلى الركيزة الزجاجية. ثم تم ترسيب الطبقات الذرية Pt بطرق الترسيب الكهربائي.
لتحميل العينات ، قم أولا بتنفيس قفل التحميل للحصول على حامل العينة. تأكد من اتباع قواعد النظافة لأنظمة UHV. وتشمل هذه: عدم وجود جلد عاري أو شعر أو رطوبة عند ملامسة العينات أو حامل العينة. استخدم ملاقط نظيفة للتعامل مع عينتك. سيتم فتح باب قفل التحميل بعد تنفيس غرفة قفل التحميل للضغط الجوي (~ 5 دقائق). أخرج حامل العينة.
يتم الاحتفاظ بالعينة بواسطة مقاطع الربيع التي يجب أن تكون على المسرح. امسح سطح المسرح والمشابك التي تستخدمها بالكحول وجففها تماما.
أ. افتح باب قفل التحميل وأعد حامل العينة إلى ذراع النقل. سوف يتناسب الحامل بشكل صحيح في اتجاه واحد فقط.
ب- أغلق الباب وضخ قفل الحمل لمدة 10 دقائق تقريبا ، على الرغم من أنك قد تحتاج إلى وقت ضخ إضافي لبعض العينات (على سبيل المثال ، إذا كانت مسامية للغاية أو مسحوقا أو تحتوي على بعض المذيبات غير المبخرة) ثم انقل العينة إلى غرفة التحليل. لاحظ ضغط غرفة التحليل عند حدوث نقل العينة. يجب أن يكون في نطاق ^10-7 ملي بار من المنتصف إلى المنخفض ثم ينخفض بسرعة إلى نطاق ^10-8 ملي بار عندما يغلق الصمام بين الغرفتين.
تحقق من ضغط غرفة التحليل. يجب أن يكون في منتصف نطاق ^10-8 ملي بار أو أقل عند بدء التجربة.
اضبط طاقة التمرير. طاقة التمرير هي الطاقة التي ستدخل بها جميع الإلكترونات الضوئية إلى مقياس الطيف وتضمن أن جميع الميزات المقاسة في الطيف لها نفس دقة الطاقة. وذلك لأن دقة الطاقة لمقياس الطيف ، ΔE ، تتدرج مع الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية ، وبالتالي فإن وجود طاقة ثابتة لجميع الإلكترونات التي تدخل الكاشف يحدد دقة ثابتة للطيف بأكمله. كلما زادت طاقة التمرير ، زاد تدفق الإلكترونات التي تدخل الكاشف ، وبالتالي ، كانت نسبة الإشارة إلى الضوضاء أفضل (s / n) ، ولكن هذا يأتي على حساب دقة طاقة أسوأ (ΔE أكبر). على العكس من ذلك ، تضمن طاقة التمرير المنخفضة دقة طاقة أفضل ولكن بتكلفة تدفق أقل ، وبالتالي انخفاض s / n.
جمع طيف المسح. هدفك هنا هو التقاط جميع الأنواع المختلفة من الإلكترونات التي يتم إخراجها من العينة ، وبالتالي تكون قادرا على مسح المحتوى الأولي لعينتك. لذلك يجب إعداد الكاشف (مطياف) لمحاولة التقاط أكبر عدد ممكن من هذه الأنواع من الإلكترونات. يمكنك القيام بذلك عن طريق تعيين أوسع نطاق مسح للطاقة لمقياس الطيف. ستختلف عناصر التحكم في البرامج المحددة باختلاف أنظمة XPS التجارية. يسمح لك طيف المسح بفحص جميع انبعاثات الإلكترون الضوئي داخل عينتك قبل إجراء مسح عالي الدقة على انبعاثات معينة.
بالنسبة للطيف التمثيلي لدينا بنية مدعومة من SiO₂ ، والتي تحتوي أيضا على C و Pt. يتم تصنيف قمم المستوى الأساسي Pt و Si و C و O في طيف المسح (<فئة قوية = "xfig" >الشكل 1). نظرا لوجود جزيئات الماء والأكسجين والهيدروكربون في الهواء في كل مكان ، من المتوقع دائما أن يتم امتصاص كمية معينة من هذه الجزيئات فيزيائيا أو كيميائيا على سطح أي عينة ، وبالتالي من المتوقع دائما إشارة C و O.
اجمع أطياف المستوى الأساسي المميزة للمواد الخاصة بك. هنا كلطيف التمثيلي ، نعرض قمم انقسام المدار الدوراني 4f ل Pt.

التحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية ، أو XPS ، هو تقنية غير مدمرة يمكن استخدامها لقياس كيمياء سطح المادة. في XPS ، تصطدم الأشعة السينية بالطاقة المعروفة بذرة. يمتص إلكترون الغلاف الأساسي فوتون الأشعة السينية ، ويكتسب طاقة كافية لمغادرة مداره.

تظل الطاقة الزائدة التي يمتصها الإلكترون كطاقة حركية. من خلال تجميع طيف من هذه الطاقات الحركية ، يمكن حساب طاقات الربط الأصلية للإلكترونات واستخدامها لتحديد التركيب الكيميائي وحالة المادة.

سيشرح هذا الفيديو مبادئ التحليل الطيفي للإلكترون الضوئي للأشعة السينية وسيوضح كيفية قياس وتفسير طيف XPS.

عندما يمتص الإلكترون المرتبط فوتونا ذا طاقة كافية ، يتم إخراجه من مداره. لكي يتم إخراج إلكترون الغلاف الأساسي المرتبط بإحكام ، يجب أن يمتص فوتون الأشعة السينية عالي الطاقة. إذا كان الفوتون الممتص يحمل طاقة إضافية كافية لتجاوز وظيفة عمل العتبة للمادة ، فقد يهرب الإلكترون إلى الفراغ. يشار إلى هذه الإلكترونات باسم الإلكترونات الضوئية. تظهر أي طاقة متبقية من الأشعة السينية على أنها الطاقة الحركية للإلكترون الضوئي.

بالنسبة للتحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية ، يتم استخدام مصادر الأشعة السينية للطاقة المعروفة. أحد المصادر الشائعة هو الألومنيوم K alpha ، الذي ينتج 1،486.7 إلكترون فولت أشعة سينية تستخدم طاقة الأشعة السينية ووظيفة عمل السطح جنبا إلى جنب مع الطاقة الحركية المقاسة للإلكترون الضوئي لتحديد طاقة الربط الأصلية للإلكترون. طاقة الربط تساوي الطاقة الأصلية لمصدر الأشعة السينية ، مطروحا منها طاقة وظيفة العمل للسطح والطاقة الحركية المتبقية للإلكترون الضوئي. بمجرد جمع الطيف ، يمكن مقارنة ذروة الطاقة بتلك الموجودة في العينات المرجعية.

يمكن استخدام التحولات الطفيفة في طاقة القمم المقاسة من القمم المرجعية ، بالإضافة إلى الارتفاعات النسبية بين قمم الطيف المقاس ، لتحديد التركيب الأولي والحالات الكيميائية والحالات الإلكترونية للعناصر في العينة. XPS مفيد على عمق 10 نانومتر تقريبا.

الآن بعد أن فهمت المبادئ الكامنة وراء XPS، أصبحت الآن جاهزا لقياس الطيف.

من المهم اتباع قواعد النظافة لأنظمة التفريغ فائقة الارتفاع عند قياس طيف الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية. يجب ارتداء قفازات البولي إيثيلين أو النتريل الخالية من المسحوق. ويجب استخدام الملقط للتعامل مع شريحة العينة. يجب تخزين العينة في وعاء زجاجي ، يتم تغطيته بعد ذلك ، بحيث يمكن نقلها بأمان إلى مطياف الإلكترون الضوئي بالأشعة السينية. لاحظ أن الإجراء التالي ينطبق على أداة XPS معينة والبرامج المرتبطة بها، وقد تكون هناك بعض الاختلافات عند استخدام أدوات أخرى.

من أجل تحميل العينات ، قم أولا بتنفيس غرفة قفل الحمل للوصول إلى حامل العينة. يجب أن يستغرق هذا عدة دقائق. عندما تنفيس الغرفة للضغط الجوي ، سيفتح الباب. بمجرد فتح غرفة قفل التحميل ، قم بإزالة حامل العينة من ذراع النقل. لمنع التلوث من التحليلات السابقة ، قم بتنظيف حامل العينة جيدا عن طريق مسحه بكحول الأيزوبروبيل. تأكد من تنظيف المشبك المعدني أيضا. قم بتحميل كل شريحة في حامل العينة بالضغط عليها أسفل المشابك المعدنية.

ثم أعد حامل العينة إلى غرفة قفل التحميل وضعه على ذراع النقل. عندما يجلس حامل العينة بشكل صحيح ، أغلق باب الغرفة. قم بضخ غرفة قفل التحميل حتى يسجل الضغط في نطاق 10 إلى سبعة مللي بار تحت الصفر. يجب أن يستغرق هذا عدة دقائق. قد تستغرق بعض العينات ، مثل المساحيق أو المواد عالية المسامية أو تلك التي تحتوي على مذيبات غير مبخرة وقتا أطول.

أخيرا ، انقل العينات إلى غرفة التحليل. عندما يكون ضغط الغرفة في نطاق 10 إلى سالب ثمانية مليبار ، يمكنك البدء في جمع الطيف.

الآن بعد أن تم تحميل العينات وأصبحت جاهزة للتحليل ، اضبط طاقة التمرير لمقياس الطيف. طاقة التمرير هي الطاقة التي ستدخل بها جميع الإلكترونات الضوئية إلى مطياف. تحدد طاقة التمرير دقة ثابتة للطيف بأكمله. يؤدي تعيين طاقة تمرير عالية إلى تدفق أعلى للإلكترونات الضوئية ونسبة إشارة إلى ضوضاء أكبر للتجربة ، ولكن دقة أسوأ.

الطيف المأخوذ بإعداد طاقة تمرير منخفض له دقة أفضل ، ولكن نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل. الآن بعد أن تم ضبط طاقة التمرير ، فإن المهمة التالية هي جمع طيف مسح للعينة. يغطي طيف المسح مجموعة واسعة من الطاقات من أجل تضمين جميع الأنواع المختلفة للإلكترونات المقذوفة من السطح. سيسمح هذا الطيف بفحص جميع ذروة انبعاث الإلكترون الضوئي قبل اختيار منطقة طاقة معينة للمسح.

بالنسبة لهذا الطيف المسح ، فإن العينة عبارة عن طبقة رقيقة من البلاتين تزرع على طبقة واحدة من الجرافين ، والتي تدعمها شريحة زجاج السيليكا التجارية. يمكن رؤية القمم المقابلة للبلاتين والسيليكون والكربون والأكسجين في الطيف. تنشأ قمم السيليكون والكربون من الوسائط التي تدعم العينة. ذروة الأكسجين ناتجة عن التصاق الماء في الغلاف الجوي بالسطح. تظهر قمم البلاتين بين 60 و 90 إلكترون فولت. هذه هي القمم التي نهتم بها. الآن بعد أن تم جمع طيف المسح ، وتم تحديد منطقة الاهتمام ، يمكننا جمع طيف XPS عالي الدقة.

يستغرق

قياس الطيف عادة ما بين 30 دقيقة وساعة لمجموعة تتضمن مسحا وبعض المناطق المختلفة عالية الدقة. عند اكتمال الطيف ، تكون النتائج جاهزة للتحليل.

الآن بعد أن تم إنتاج طيف XPS عالي الدقة ، يمكن مقارنة القمم بقمم طاقة ربط المستوى الأساسي الموجودة في قواعد البيانات المرجعية.

تشير التحولات الطفيفة في طاقات الربط بالنسبة لتلك الخاصة بالمركبات المرجعية إلى الحالة الكيميائية لكل عنصر من العناصر في العينة. تكشف نسبة الشدة بين قمم الطيف عن تكوين السطح.

يستخدم XPS بشكل روتيني لتحليل مجموعة واسعة من المواد مثل السبائك المعدنية والسيراميك والبوليمرات وأشباه الموصلات والمواد البيولوجية. XPS هي أداة مهمة لتوصيف أسطح أغشية أشباه الموصلات الرقيقة المستخدمة لإنتاج الإلكترونيات الدقيقة. يساعد تحديد كيمياء السطح بدقة في الكشف عن الملوثات ، والتي يمكن أن تحسن عملية التصنيع.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن XPS الباحثين من ربط الخصائص الجديدة لأشباه الموصلات بكيمياءها ، وهو أمر بالغ الأهمية لتطوير مواد جديدة. يمكن أيضا استخدام XPS لتحليل العينات البيولوجية مثل العظام المتحجرة. يحمل التركيب الكيميائي للبقايا الأحفورية قدرا كبيرا من المعلومات. باستخدام XPS ، يمكننا التعرف على بيولوجيا تطور الكائنات الحية وبيئتها والظروف التي تم فيها تحجرها.

لقد شاهدت للتو مقدمة جوف للتحليل الطيفي للإلكترون الضوئي بالأشعة السينية. يجب أن تفهم الآن المبادئ الكامنة وراء XPS ، وكيفية جمع طيف XPS ، وكيفية تفسير النتائج لتحديد تكوين وحالة عينة المواد.

شكرا للمشاهدة.