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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.
