Das folgende Verfahren gilt für ein bestimmtes XPS-Instrument und die zugehörige Software, und es kann einige Variationen geben, wenn andere Instrumente verwendet werden.
- Die Probe ist ein dünner Film von Pt (3 atomare Schichten dick) auf einer einzigen Schicht von Graphen gewachsen, die auf einem kommerziellen Kieselsäure (SiO2) Glasrutsche unterstützt wird. Das Graphen (das ist eine einzige Kohlenstoffschicht) wurde auf Cu angebaut und dann auf das Glassubstrat übertragen. Die Pt-Atomschichten wurden dann durch Elektrodenpositionsverfahren abgelagert.
- Um die Proben zu laden, entlüften Sie zuerst das Loadlock, um den Probenhalter zu erhalten. Achten Sie darauf, die Sauberkeitsregeln für UHV-Systeme zu befolgen. Dazu gehören: keine nackte Haut, Haare oder Feuchtigkeit in Kontakt mit Proben oder Probenhalter. Verwenden Sie eine saubere Pinzette, um Ihre Probe zu behandeln. Die Tür des Lastschlosses öffnet sich, nachdem die Ladeschlosskammer auf atmosphärischen Druck entlüftet wurde (ca. 5 Minuten). Nehmen Sie den Probenhalter heraus.
- Die Probe wird von den Federclips gehalten, die auf der Bühne sein sollten. Wischen Sie die Bühnenoberfläche und die Clips, die Sie mit Alkohol verwenden, ab und trocknen Sie sie vollständig.
a.Öffnen Sie die Ladeschlosstür und legen Sie den Probenhalter wieder auf den Transferarm. Der Halter passt nur in eine Richtung richtig.
b.Schließen Sie die Tür und pumpen Sie das Lastschloss für ca. 10 Minuten herunter, obwohl Sie für einige Proben möglicherweise zusätzliche Pumpdown-Zeit benötigen (z. B. wenn es hochporös ist, ein Pulver, oder ein unverdampftes Lösungsmittel enthält) und übertragen Sie die Probe dann in die Analysekammer. Beachten Sie den Analysekammerdruck, wenn die Probenübertragung stattfindet. Es sollte im mittleren bis niedrigen 10-7 mbar Bereich sein und dann schnell in den 10-8 mbar Bereich fallen, wenn sich das Ventil zwischen den beiden Kammern schließt. - Überprüfen Sie den Analysekammerdruck. Es sollte im mittleren 10-8 mbar Bereich oder darunter sein, wenn ein Experiment gestartet wird.
- Stellen Sie die Passenergie ein. Die Durchgangsenergie ist die Energie, mit der alle Photoelektronen in das Spektrometer eindringen und sicherstellen, dass alle im Spektrum gemessenen Features die gleiche Energieauflösung haben. Dies liegt daran, dass die Energieauflösung des Spektrometers ,E, mit kinetischer Energie der Photoelektronen skaliert und damit eine konstante Energie für alle Elektronen, die in den Detektor eindringen, eine konstante Auflösung für das gesamte Spektrum setzt. Je höher die Durchgangsenergie, desto höher der Fluss der Elektronen, die in den Detektor eindringen, und damit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (s/n), aber dies verursacht einen Preis für eine schlechtere Energieauflösung (größere E). Umgekehrt sorgt eine niedrigere Durchgangsenergie für eine bessere Energieauflösung, aber zu einem Preis von geringerem Fluss und damit zu einem niedrigeren s/n.
- Sammeln Sie ein Umfragespektrum. Hier ist es Ihr Ziel, alle verschiedenen Arten von Elektronen zu erfassen, die aus der Probe ausgestoßen werden, und daher in der Lage zu sein, den Elementargehalt Ihrer Probe zu erfassen. Der Detektor (Spektrometer) muss daher so eingerichtet werden, dass er versucht, so viele dieser Elektronentypen wie möglich zu erfassen. Sie können dies tun, indem Sie den breitesten Energiescanbereich für das Spektrometer festlegen. Die spezifischen Software-Steuerelemente variieren für die verschiedenen kommerziellen XPS-Systeme. Das Vermessungsspektrum ermöglicht es Ihnen, alle Photoelektronenemissionen in Ihrer Probe zu untersuchen, bevor Sie einen hochauflösenden Scan auf bestimmte Emissionen durchführen.
- Für unser repräsentatives Spektrum haben wir eine SiO2 unterstützte Architektur, die auch C und Pt enthält. Die Pt-, Si-, C- und O-Kernspitzen sind im Erhebungsspektrum gekennzeichnet (Abbildung 1). Aufgrund der Allgegenwärtigkeit von Wasser-, Sauerstoff- und Kohlenwasserstoffmolekülen in der Luft wird immer erwartet, dass eine bestimmte Menge dieser Moleküle physikalisch oder chemisch auf der Oberfläche einer Probe adsorbiert wird, und so wird fast immer ein C- und O-Signal erwartet.
- Sammeln Sie die charakteristischen Kern-Level-Spektren Ihres Materials. Hier zeigen wir als repräsentatives Spektrum die 4f Spin-Orbit Split Peaks für Pt.
Quelle: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist eine Technik, die die Elementarzusammensetzung, die empirische Formel, den chemischen Zustand und den elektronischen Zustand der Elemente misst, die in einem Material vorhanden sind. XPS-Spektren werden durch Bestrahlung eines Materials mit einem Röntgenstrahl gewonnen und gleichzeitig die kinetische Energie und die Anzahl der Elektronen gemessen, die aus der Oberseite mehrere Nanometer des analysierten Materials entweichen (innerhalb der oberen 10 nm, für typische kinetische Energien der Elektronen). Da die Signalelektronen überwiegend aus den ersten Nanometern des Materials entweichen, gilt XPS als Oberflächenanalytiktechnik.
Die Entdeckung und Anwendung der physikalischen Prinzipien hinter XPS oder, wie es früher genannt wurde, Elektronenspektroskopie für chemische Analyse (ESCA), führte zu zwei Nobelpreisen in physikalischer Physik. Die erste wurde 1921 an Albert Einstein für seine Erklärung des photoelektrischen Effekts im Jahr 1905 verliehen. Der photoelektrische Effekt untermauert den Prozess, durch den Signal in XPS erzeugt wird. Wenig später entwickelte Kai Siegbahn ESCA auf der Grundlage einiger der frühen Werke von Innes, Moseley, Rawlinson und Robinson und nahm 1954 das erste hochenergetische XPS-Spektrum von NaCl auf. Eine weitere Demonstration der Macht von ESCA/XPS für die chemische Analyse, zusammen mit der Entwicklung der zugehörigen Instrumentierung für die Technik, führte 1969 zum ersten kommerziellen monochromatischen XPS-Instrument und 1981 zum Nobelpreis für Physik an Siegbahn in Anerkennung seiner umfangreichen Bemühungen, die Technik als Analyseinstrument zu entwickeln.
Das folgende Verfahren gilt für ein bestimmtes XPS-Instrument und die zugehörige Software, und es kann einige Variationen geben, wenn andere Instrumente verwendet werden.
- Die Probe ist ein dünner Film von Pt (3 atomare Schichten dick) auf einer einzigen Schicht von Graphen gewachsen, die auf einem kommerziellen Kieselsäure (SiO2) Glasrutsche unterstützt wird. Das Graphen (das ist eine einzige Kohlenstoffschicht) wurde auf Cu angebaut und dann auf das Glassubstrat übertragen. Die Pt-Atomschichten wurden dann durch Elektrodenpositionsverfahren abgelagert.
- Um die Proben zu laden, entlüften Sie zuerst das Loadlock, um den Probenhalter zu erhalten. Achten Sie darauf, die Sauberkeitsregeln für UHV-Systeme zu befolgen. Dazu gehören: keine nackte Haut, Haare oder Feuchtigkeit in Kontakt mit Proben oder Probenhalter. Verwenden Sie eine saubere Pinzette, um Ihre Probe zu behandeln. Die Tür des Lastschlosses öffnet sich, nachdem die Ladeschlosskammer auf atmosphärischen Druck entlüftet wurde (ca. 5 Minuten). Nehmen Sie den Probenhalter heraus.
- Die Probe wird von den Federclips gehalten, die auf der Bühne sein sollten. Wischen Sie die Bühnenoberfläche und die Clips, die Sie mit Alkohol verwenden, ab und trocknen Sie sie vollständig.
a.Öffnen Sie die Ladeschlosstür und legen Sie den Probenhalter wieder auf den Transferarm. Der Halter passt nur in eine Richtung richtig.
b.Schließen Sie die Tür und pumpen Sie das Lastschloss für ca. 10 Minuten herunter, obwohl Sie für einige Proben möglicherweise zusätzliche Pumpdown-Zeit benötigen (z. B. wenn es hochporös ist, ein Pulver, oder ein unverdampftes Lösungsmittel enthält) und übertragen Sie die Probe dann in die Analysekammer. Beachten Sie den Analysekammerdruck, wenn die Probenübertragung stattfindet. Es sollte im mittleren bis niedrigen 10-7 mbar Bereich sein und dann schnell in den 10-8 mbar Bereich fallen, wenn sich das Ventil zwischen den beiden Kammern schließt. - Überprüfen Sie den Analysekammerdruck. Es sollte im mittleren 10-8 mbar Bereich oder darunter sein, wenn ein Experiment gestartet wird.
- Stellen Sie die Passenergie ein. Die Durchgangsenergie ist die Energie, mit der alle Photoelektronen in das Spektrometer eindringen und sicherstellen, dass alle im Spektrum gemessenen Features die gleiche Energieauflösung haben. Dies liegt daran, dass die Energieauflösung des Spektrometers ,E, mit kinetischer Energie der Photoelektronen skaliert und damit eine konstante Energie für alle Elektronen, die in den Detektor eindringen, eine konstante Auflösung für das gesamte Spektrum setzt. Je höher die Durchgangsenergie, desto höher der Fluss der Elektronen, die in den Detektor eindringen, und damit ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (s/n), aber dies verursacht einen Preis für eine schlechtere Energieauflösung (größere E). Umgekehrt sorgt eine niedrigere Durchgangsenergie für eine bessere Energieauflösung, aber zu einem Preis von geringerem Fluss und damit zu einem niedrigeren s/n.
- Sammeln Sie ein Umfragespektrum. Hier ist es Ihr Ziel, alle verschiedenen Arten von Elektronen zu erfassen, die aus der Probe ausgestoßen werden, und daher in der Lage zu sein, den Elementargehalt Ihrer Probe zu erfassen. Der Detektor (Spektrometer) muss daher so eingerichtet werden, dass er versucht, so viele dieser Elektronentypen wie möglich zu erfassen. Sie können dies tun, indem Sie den breitesten Energiescanbereich für das Spektrometer festlegen. Die spezifischen Software-Steuerelemente variieren für die verschiedenen kommerziellen XPS-Systeme. Das Vermessungsspektrum ermöglicht es Ihnen, alle Photoelektronenemissionen in Ihrer Probe zu untersuchen, bevor Sie einen hochauflösenden Scan auf bestimmte Emissionen durchführen.
- Für unser repräsentatives Spektrum haben wir eine SiO2 unterstützte Architektur, die auch C und Pt enthält. Die Pt-, Si-, C- und O-Kernspitzen sind im Erhebungsspektrum gekennzeichnet (Abbildung 1). Aufgrund der Allgegenwärtigkeit von Wasser-, Sauerstoff- und Kohlenwasserstoffmolekülen in der Luft wird immer erwartet, dass eine bestimmte Menge dieser Moleküle physikalisch oder chemisch auf der Oberfläche einer Probe adsorbiert wird, und so wird fast immer ein C- und O-Signal erwartet.
- Sammeln Sie die charakteristischen Kern-Level-Spektren Ihres Materials. Hier zeigen wir als repräsentatives Spektrum die 4f Spin-Orbit Split Peaks für Pt.
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ist eine zerstörungsfreie Technik, mit der die Oberflächenchemie eines Materials gemessen werden kann. Bei XPS trifft ein Röntgenstrahl bekannter Energie auf ein Atom. Ein Elektron der Kernschale absorbiert das Röntgenphoton und gewinnt so viel Energie, dass es seine Umlaufbahn verlassen kann.
Überschüssige Energie, die vom Elektron absorbiert wird, bleibt als kinetische Energie erhalten. Durch die Zusammenstellung eines Spektrums dieser kinetischen Energien können die ursprünglichen Bindungsenergien der Elektronen berechnet und zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und des Zustands des Materials verwendet werden.
Dieses Video erklärt die Prinzipien der Röntgenphotoelektronenspektroskopie und zeigt, wie ein XPS-Spektrum gemessen und interpretiert werden kann.
Wenn ein gebundenes Elektron ein Photon mit ausreichender Energie absorbiert, wird es aus seiner Umlaufbahn herausgeschleudert. Damit ein fest gebundenes Elektron der Kernschale ausgestoßen werden kann, muss es ein hochenergetisches Röntgenphoton absorbieren. Wenn das absorbierte Photon genügend zusätzliche Energie trägt, um die Schwellenarbeitsfunktion des Materials zu überschreiten, kann das Elektron in das Vakuum entweichen. Diese Elektronen werden als Photoelektronen bezeichnet. Die verbleibende Energie aus der Röntgenstrahlung erscheint als kinetische Energie des Photoelektrons.
Für die Röntgenphotoelektronenspektroskopie werden Röntgenquellen mit bekannter Energie verwendet. Eine häufige Quelle ist Aluminium K alpha, das 1.486,7 Elektronenvolt Röntgenstrahlung erzeugt. Die Energie des Röntgenstrahls und die Arbeitsfunktion der Oberfläche werden in Verbindung mit der gemessenen kinetischen Energie des Photoelektrons genutzt, um die ursprüngliche Bindungsenergie des Elektrons zu bestimmen. Die Bindungsenergie ist gleich der ursprünglichen Energie der Röntgenquelle, abzüglich der Arbeitsfunktionsenergie der Oberfläche und der verbleibenden kinetischen Energie des Photoelektrons. Sobald ein Spektrum gesammelt wurde, können die Energiespitzen mit denen von Referenzproben verglichen werden.
Subtile Verschiebungen der Energie der gemessenen Peaks von den Referenzpeaks sowie der relativen Höhen zwischen den Peaks des gemessenen Spektrums können verwendet werden, um die elementare Zusammensetzung, die chemischen Zustände und die elektronischen Zustände der Elemente in der Probe zu bestimmen. XPS ist bis zu einer Tiefe von etwa 10 Nanometern nützlich.
Nachdem Sie nun die Prinzipien hinter XPS verstanden haben, sind Sie bereit, ein Spektrum zu messen.
Bei der Messung eines Röntgenphotoelektronenspektrums ist es wichtig, die Sauberkeitsregeln für Ultrahochvakuumsysteme zu befolgen. Es sollten Handschuhe aus Polyethylen oder puderfreiem Nitril getragen werden. Und eine Pinzette sollte verwendet werden, um den Objektträger zu handhaben. Die Probe sollte in einem Glasbehälter gelagert werden, der dann abgedeckt wird, damit sie sicher zum Röntgen-Photoelektronenspektrometer transportiert werden kann. Beachten Sie, dass das folgende Verfahren für ein bestimmtes XPS-Gerät und die zugehörige Software gilt und dass es bei der Verwendung anderer Instrumente zu Abweichungen kommen kann.
Um die Proben zu laden, entlüften Sie zunächst die Schleusenkammer, um an den Probenhalter zu gelangen. Dies sollte einige Minuten dauern. Wenn die Kammer auf Atmosphärendruck entlüftet ist, springt die Tür auf. Sobald sich die Schleusenkammer öffnet, entfernen Sie den Probenhalter vom Transferarm. Um eine Kontamination durch frühere Analysen zu vermeiden, reinigen Sie den Probenhalter gründlich, indem Sie ihn mit Isopropylalkohol abwischen. Achten Sie darauf, auch den Metallclip zu reinigen. Laden Sie jeden Objektträger in den Probenhalter, indem Sie ihn unter die Metallklammern drücken.
Setzen Sie dann den Probenhalter wieder in die Schleusenkammer ein und setzen Sie ihn auf den Transferarm. Wenn der Probenhalter richtig eingesetzt ist, schließen Sie die Kammertür. Pumpen Sie die Schleusenkammer nach unten, bis der Druck im Bereich von 10 bis minus sieben Millibar liegt. Dies sollte einige Minuten dauern. Einige Proben, wie z. B. Pulver, hochporöse Materialien oder solche, die unverdampfte Lösungsmittel enthalten, können länger dauern.
Übertragen Sie abschließend die Proben in die Analysekammer. Wenn der Kammerdruck im Bereich von 10 bis minus acht Millibar liegt, können Sie mit der Erfassung eines Spektrums beginnen.
Nachdem die Proben geladen wurden und bereit für die Analyse sind, stellen Sie die Durchgangsenergie für das Spektrometer ein. Die Durchlassenergie ist die Energie, mit der alle Photoelektronen in das Spektrometer eintreten. Die Durchlassenergie stellt eine konstante Auflösung für das gesamte Spektrum ein. Die Einstellung einer hohen Durchgangsenergie führt zu einem höheren Fluss von Photoelektronen und einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis für das Experiment, aber zu einer schlechteren Auflösung.
Ein Spektrum, das mit einer niedrigen Durchpassenergieeinstellung aufgenommen wurde, hat eine bessere Auflösung, aber ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis. Nachdem nun die Durchgangsenergie eingestellt wurde, besteht die nächste Aufgabe darin, ein Durchmusterungsspektrum unserer Stichprobe zu sammeln. Das Durchmusterungsspektrum deckt einen breiten Energiebereich ab, um alle verschiedenen Arten von Elektronen einzubeziehen, die von der Oberfläche ausgestoßen werden. Dieses Spektrum ermöglicht die Inspektion aller Photoelektronenemissionsspitzen, bevor ein bestimmter Energiebereich für die Abtastung ausgewählt wird.
Für dieses Durchmusterungsspektrum ist die Probe eine dünne Schicht aus Platin, die auf einer einzigen Schicht Graphen gewachsen ist, die von einem handelsüblichen Quarzglasobjektträger getragen wird. Peaks, die Platin, Silizium, Kohlenstoff und Sauerstoff entsprechen, sind im Spektrum zu sehen. Die Silizium- und Kohlenstoffpeaks entstehen aus dem Medium, das die Probe trägt. Die Sauerstoffspitze ist das Ergebnis von Wasser in der Atmosphäre, das an der Oberfläche haftet. Die Platinspitzen treten zwischen 60 und 90 Elektronenvolt auf. Das sind die Gipfel, die uns interessieren. Nachdem nun ein Durchmusterungsspektrum erfasst und ein Interessenbereich bestimmt wurde, können wir ein hochauflösendes XPS-Spektrum erfassen.
Das Messen eines Spektrums dauert in der Regel zwischen 30 Minuten und einer Stunde für ein Set, das eine Durchmusterung und einige verschiedene hochauflösende Regionen umfasst. Wenn das Spektrum vollständig ist, können die Ergebnisse analysiert werden.
Jetzt, da ein hochauflösendes XPS-Spektrum erstellt wurde, können die Peaks mit den Bindungsenergie-Peaks auf Kernebene verglichen werden, die in Referenzdatenbanken zu finden sind.
Subtile Verschiebungen der Bindungsenergien im Vergleich zu denen der Referenzverbindungen zeigen den chemischen Zustand jedes Elements in der Probe an. Das Intensitätsverhältnis zwischen den Peaks des Spektrums verrät die Oberflächenzusammensetzung.
XPS wird routinemäßig zur Analyse einer Vielzahl von Materialien wie Metalllegierungen, Keramiken, Polymeren, Halbleitern und biologischen Materialien eingesetzt. XPS ist ein wichtiges Werkzeug zur Charakterisierung der Oberflächen dünner Halbleiterschichten, die zur Herstellung von Mikroelektronik verwendet werden. Die genaue Bestimmung der Oberflächenchemie hilft bei der Detektion von Verunreinigungen, was den Herstellungsprozess verbessern kann.
Darüber hinaus ermöglicht XPS den Forschern, neuartige Eigenschaften eines bestimmten Halbleiters mit seiner Chemie in Verbindung zu bringen, was für die Entwicklung neuer Materialien von entscheidender Bedeutung ist. XPS kann auch zur Analyse biologischer Proben wie versteinerter Knochen verwendet werden. Die chemische Zusammensetzung fossiler Überreste enthält eine große Menge an Informationen. Mit Hilfe von XPS können wir mehr über die Biologie der Evolution der Organismen, ihre Umwelt und die Bedingungen, unter denen sie versteinert wurden, erfahren.
Sie haben gerade Joves Einführung in die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien hinter XPS verstehen, wie Sie ein XPS-Spektrum erfassen und wie Sie die Ergebnisse interpretieren, um die Zusammensetzung und den Zustand eines Probenmaterials zu bestimmen.
Danke fürs Zuschauen.
Abbildung 1 zeigt ein Erhebungsspektrum aus der Stichprobe, das die Pt-, Si-, C- und O-Emissionen deutlich zeigt. In Abbildung 2sehen wir den hochauflösenden Scan der Pt 4f7/2 und 4f5/2 Peaks aus der Probe. Die Bindungsenergien der einzelnen Kernpegelspitzen können mit denen in Datenbanken verglichen werden, wie sie vom National Institute of Standards and Technology (NIST) (bei https://srdata.nist.gov/xps/De...
XPS ist eine oberflächenchemische Analysetechnik, die im Bereich der Proben vielseitig einsetzbar ist. Die Technik liefert quantifizierbare chemische Zusammensetzung, chemischen Zustand und die besetzte elektronische Struktur der Atome innerhalb eines Materials.
XPS liefert elementare Zusammensetzung der Oberfläche (in der Regel innerhalb von 1-10 nm), und kann verwendet werden, um die empirische Formel der Oberflächenverbindungen, die Identität von Elementen, die eine Oberfläche kontaminieren...
Chapters in this video
0:08
Overview
1:01
Principles of X-Ray Photoelectron Spectroscopy
3:01
Loading a Sample for Study
5:06
Collecting an XPS Spectrum
7:14
Results
7:48
Applications
8:52
Summary
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