La procédure suivante s'applique à un instrument XPS spécifique et à son logiciel associé, et il peut y avoir quelques variations lorsque d'autres instruments sont utilisés.
- L'échantillon est un mince film de Pt (3 couches atomiques d'épaisseur) cultivé sur une seule couche de graphène, qui est soutenu sur une silice commerciale (SiO2) diapositive en verre. Le graphène (qui est une seule couche de carbone) a été cultivé sur Cu, puis transféré sur le substrat de verre. Les couches atomiques De Pt ont ensuite été déposées par des méthodes d'électrodéposition.
- Pour charger les échantillons, éventez d'abord le verrou pour obtenir le support de l'échantillon. Assurez-vous de suivre les règles de propreté pour les systèmes UHV. Il s'agit notamment: pas de peau nue, les cheveux, ou l'humidité en contact avec des échantillons ou le titulaire de l'échantillon. Utilisez des pinces propres pour manipuler votre échantillon. La porte du chargeur s'ouvrira après que la chambre de chargement se sera ventilée à la pression atmosphérique (environ 5 minutes). Sortez le porte-échantillon.
- L'échantillon est tenu par les clips de ressort qui devraient être sur la scène. Essuyez la surface de la scène et les clips que vous utilisez avec de l'alcool et séchez complètement.
a.Ouvrez la porte du chargeur et remettez le support de l'échantillon sur le bras de transfert. Le support ne s'adaptera correctement qu'à sens unique.
b. Fermez la porte et pompez le verrou de charge pendant environ 10 minutes, bien que vous puissiez avoir besoin de temps de pompage supplémentaire pour certains échantillons (par exemple, s'il est très poreux, une poudre, ou contient un solvant non évaporé) et puis transférer l'échantillon dans la chambre d'analyse. Notez la pression de la chambre d'analyse lorsque le transfert de l'échantillon se produit. Il devrait être dans la gamme de mi-à-bas 10-7 mbar puis tomber rapidement dans la gamme de 10-8 mbar lorsque la valve entre les deux chambres se ferme. - Vérifiez la pression de la chambre d'analyse. Il devrait être dans la gamme mi10-8 mbar ou en dessous quand une expérience est commencée.
- Définir l'énergie de passage. L'énergie de passage est l'énergie avec laquelle tous les photoélectrons entreront dans le spectromètre et s'assureront que toutes les caractéristiques mesurées dans le spectre ont la même résolution d'énergie. C'est parce que la résolution d'énergie du spectromètre, E, échelles avec l'énergie cinétique des photoélectrons, et donc avoir une énergie constante pour tous les électrons entrant dans le détecteur définit une résolution constante pour l'ensemble du spectre. Plus l'énergie du passage est élevée, plus le flux d'électrons entrant dans le détecteur est élevé et, par conséquent, un meilleur rapport signal-bruit (s/n), mais cela a un coût de résolution d'énergie pire (plus grand E). Inversement, une énergie de passage inférieure assure une meilleure résolution d'énergie, mais à un coût de flux plus faible et, par conséquent, un s /n inférieur.
- Recueillir un spectre d'enquête. Ici, votre but est de capturer tous les différents types d'électrons qui sont éjectés de l'échantillon, et être en mesure, par conséquent, d'examiner la teneur élémentaire de votre échantillon. Le détecteur (spectromètre) devra donc être installé pour tenter de capturer le plus grand nombre possible d'électrons. Vous pouvez le faire en définissant la plage d'analyse d'énergie la plus large pour le spectromètre. Les contrôles logiciels spécifiques varient pour les différents systèmes XPS commerciaux. Le spectre d'enquête vous permet d'inspecter toutes les émissions de photoélectrons dans votre échantillon avant de faire une analyse à haute résolution sur des émissions spécifiques.
- Pour notre spectre représentatif, nous avons une architecture SiO2 pris en charge, qui contient également C et Pt. Les pics de base Pt, Si, C et O sont étiquetés dans le spectre des relevés (figure 1). En raison de l'omniprésence des molécules d'eau, d'oxygène et d'hydrocarbures dans l'air, on s'attend toujours à ce qu'une certaine quantité de ces molécules soit adsorbéphysiquement ou chimiquement à la surface de n'importe quel échantillon, de sorte qu'un signal C et O est presque toujours attendu.
- Recueillir les spectres caractéristiques de niveau de noyau de votre matériau. Ici, comme le spectre représentatif, nous montrons les pics de division spin-orbite 4f pour Pt.
Source : Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) est une technique qui mesure la composition élémentaire, la formule empirique, l'état chimique et l'état électronique des éléments qui existent dans un matériau. Les spectres XPS sont obtenus en irradiant un matériau avec un faisceau de rayons X tout en mesurant simultanément l'énergie cinétique et le nombre d'électrons qui s'échappent du haut de plusieurs nanomètres du matériau analysé (dans les 10 premiers nm, pour la cinétique typique énergies des électrons). En raison du fait que les électrons de signal s'échappent principalement des premiers nanomètres du matériau, XPS est considéré comme une technique d'analyse de surface.
La découverte et l'application des principes physiques derrière XPS ou, comme on l'appelait plus tôt, la spectroscopie électronique pour l'analyse chimique (ESCA), ont conduit à deux prix Nobel de physique. Le premier a été attribué en 1921 à Albert Einstein pour son explication de l'effet photoélectrique en 1905. L'effet photoélectrique sous-tend le processus par lequel le signal est généré dans XPS. Beaucoup plus tard, Kai Siegbahn a développé ESCA basé sur certaines des premières œuvres d'Innes, Moseley, Rawlinson et Robinson, et a enregistré, en 1954, le premier spectre XPS à haute résolution énergétique de NaCl. Une nouvelle démonstration de la puissance de l'ESCA/XPS pour l'analyse chimique, ainsi que le développement de l'instrumentation associée à la technique, ont conduit au premier instrument commercial monochrome XPS en 1969 et le prix Nobel de physique en 1981 à Siegbahn en reconnaissance de ses efforts considérables pour développer la technique comme un outil d'analyse.
La procédure suivante s'applique à un instrument XPS spécifique et à son logiciel associé, et il peut y avoir quelques variations lorsque d'autres instruments sont utilisés.
- L'échantillon est un mince film de Pt (3 couches atomiques d'épaisseur) cultivé sur une seule couche de graphène, qui est soutenu sur une silice commerciale (SiO2) diapositive en verre. Le graphène (qui est une seule couche de carbone) a été cultivé sur Cu, puis transféré sur le substrat de verre. Les couches atomiques De Pt ont ensuite été déposées par des méthodes d'électrodéposition.
- Pour charger les échantillons, éventez d'abord le verrou pour obtenir le support de l'échantillon. Assurez-vous de suivre les règles de propreté pour les systèmes UHV. Il s'agit notamment: pas de peau nue, les cheveux, ou l'humidité en contact avec des échantillons ou le titulaire de l'échantillon. Utilisez des pinces propres pour manipuler votre échantillon. La porte du chargeur s'ouvrira après que la chambre de chargement se sera ventilée à la pression atmosphérique (environ 5 minutes). Sortez le porte-échantillon.
- L'échantillon est tenu par les clips de ressort qui devraient être sur la scène. Essuyez la surface de la scène et les clips que vous utilisez avec de l'alcool et séchez complètement.
a.Ouvrez la porte du chargeur et remettez le support de l'échantillon sur le bras de transfert. Le support ne s'adaptera correctement qu'à sens unique.
b. Fermez la porte et pompez le verrou de charge pendant environ 10 minutes, bien que vous puissiez avoir besoin de temps de pompage supplémentaire pour certains échantillons (par exemple, s'il est très poreux, une poudre, ou contient un solvant non évaporé) et puis transférer l'échantillon dans la chambre d'analyse. Notez la pression de la chambre d'analyse lorsque le transfert de l'échantillon se produit. Il devrait être dans la gamme de mi-à-bas 10-7 mbar puis tomber rapidement dans la gamme de 10-8 mbar lorsque la valve entre les deux chambres se ferme. - Vérifiez la pression de la chambre d'analyse. Il devrait être dans la gamme mi10-8 mbar ou en dessous quand une expérience est commencée.
- Définir l'énergie de passage. L'énergie de passage est l'énergie avec laquelle tous les photoélectrons entreront dans le spectromètre et s'assureront que toutes les caractéristiques mesurées dans le spectre ont la même résolution d'énergie. C'est parce que la résolution d'énergie du spectromètre, E, échelles avec l'énergie cinétique des photoélectrons, et donc avoir une énergie constante pour tous les électrons entrant dans le détecteur définit une résolution constante pour l'ensemble du spectre. Plus l'énergie du passage est élevée, plus le flux d'électrons entrant dans le détecteur est élevé et, par conséquent, un meilleur rapport signal-bruit (s/n), mais cela a un coût de résolution d'énergie pire (plus grand E). Inversement, une énergie de passage inférieure assure une meilleure résolution d'énergie, mais à un coût de flux plus faible et, par conséquent, un s /n inférieur.
- Recueillir un spectre d'enquête. Ici, votre but est de capturer tous les différents types d'électrons qui sont éjectés de l'échantillon, et être en mesure, par conséquent, d'examiner la teneur élémentaire de votre échantillon. Le détecteur (spectromètre) devra donc être installé pour tenter de capturer le plus grand nombre possible d'électrons. Vous pouvez le faire en définissant la plage d'analyse d'énergie la plus large pour le spectromètre. Les contrôles logiciels spécifiques varient pour les différents systèmes XPS commerciaux. Le spectre d'enquête vous permet d'inspecter toutes les émissions de photoélectrons dans votre échantillon avant de faire une analyse à haute résolution sur des émissions spécifiques.
- Pour notre spectre représentatif, nous avons une architecture SiO2 pris en charge, qui contient également C et Pt. Les pics de base Pt, Si, C et O sont étiquetés dans le spectre des relevés (figure 1). En raison de l'omniprésence des molécules d'eau, d'oxygène et d'hydrocarbures dans l'air, on s'attend toujours à ce qu'une certaine quantité de ces molécules soit adsorbéphysiquement ou chimiquement à la surface de n'importe quel échantillon, de sorte qu'un signal C et O est presque toujours attendu.
- Recueillir les spectres caractéristiques de niveau de noyau de votre matériau. Ici, comme le spectre représentatif, nous montrons les pics de division spin-orbite 4f pour Pt.
La spectroscopie photoélectronique à rayons X, ou XPS, est une technique non destructive qui peut être utilisée pour mesurer la chimie de surface d’un matériau. Dans XPS, un rayon X d’énergie connue frappe un atome. Un électron de la couche centrale absorbe le photon de rayons X, gagnant suffisamment d’énergie pour quitter son orbite.
L’énergie excédentaire absorbée par l’électron reste sous forme d’énergie cinétique. En assemblant un spectre de ces énergies cinétiques, les énergies de liaison originales des électrons peuvent être calculées et utilisées pour déterminer la composition chimique et l’état du matériau.
Cette vidéo explique les principes de la spectroscopie photoélectronique à rayons X et montre comment mesurer et interpréter le spectre d’un XPS.
Lorsqu’un électron lié absorbe un photon d’énergie suffisante, il est éjecté de son orbite. Pour qu’un électron de la couche du noyau étroitement lié soit éjecté, il doit absorber un photon de rayons X hautement énergétique. Si le photon absorbé transporte suffisamment d’énergie supplémentaire pour dépasser la fonction de travail de seuil du matériau, l’électron peut s’échapper dans le vide. Ces électrons sont appelés photoélectrons. Toute énergie restante du rayon X apparaît comme l’énergie cinétique du photoélectron.
Pour la spectroscopie photoélectronique à rayons X, des sources de rayons X d’énergie connue sont utilisées. Une source courante est l’aluminium K alpha, qui produit des rayons X de 1 486,7 électronvolts. L’énergie des rayons X et la fonction de travail de la surface sont utilisées en conjonction avec l’énergie cinétique mesurée du photoélectron pour déterminer l’énergie de liaison originale de l’électron. L’énergie de liaison est égale à l’énergie d’origine de la source de rayons X, moins l’énergie de la fonction de travail de la surface et l’énergie cinétique résiduelle du photoélectron. Une fois qu’un spectre a été collecté, les pics d’énergie peuvent être comparés à ceux des échantillons de référence.
Des décalages subtils de l’énergie des pics mesurés par rapport aux pics de référence, ainsi que des hauteurs relatives entre les pics du spectre mesuré, peuvent être utilisés pour déterminer la composition élémentaire, les états chimiques et les états électroniques des éléments de l’échantillon. XPS est utile jusqu’à une profondeur d’environ 10 nanomètres.
Maintenant que vous comprenez les principes de XPS, vous êtes prêt à mesurer un spectre.
Il est important de suivre les règles de propreté des systèmes à ultravide lors de la mesure d’un spectre photoélectronique de rayons X. Des gants en polyéthylène ou en nitrile non poudré doivent être portés. Et une pince à épiler doit être utilisée pour manipuler la lame d’échantillon. L’échantillon doit être stocké dans un récipient en verre, qui est ensuite couvert, afin qu’il puisse être transporté en toute sécurité vers le spectromètre à photoélectrons à rayons X. Notez que la procédure suivante s’applique à un instrument XPS spécifique et à son logiciel associé, et qu’il peut y avoir des variations lorsque d’autres instruments sont utilisés.
Pour charger les échantillons, il faut d’abord ventiler la chambre de verrouillage de charge pour accéder au porte-échantillon. Cela devrait prendre plusieurs minutes. Lorsque la chambre a été ventilée à la pression atmosphérique, la porte s’ouvre à plein air. Une fois la chambre de verrouillage de charge ouverte, retirez le porte-échantillon du bras de transfert. Pour éviter toute contamination par les analyses précédentes, nettoyez soigneusement le porte-échantillon en l’essuyant avec de l’alcool isopropylique. Assurez-vous également de nettoyer le clip métallique. Chargez chaque lame dans le porte-échantillon en la pressant sous les clips métalliques.
Remettez ensuite le porte-échantillon dans la chambre de verrouillage de la charge et placez-le sur le bras de transfert. Lorsque le porte-échantillon est correctement installé, fermez la porte de la chambre. Pompez la chambre de verrouillage de charge jusqu’à ce que la pression soit comprise entre 10 et moins sept millibars. Cela devrait prendre plusieurs minutes. Certains échantillons, tels que les poudres, les matériaux très poreux ou ceux contenant des solvants non évaporés, peuvent prendre plus de temps.
Enfin, transférez les échantillons dans la chambre d’analyse. Lorsque la pression de la chambre est comprise entre 10 et moins huit millibars, vous pouvez commencer à collecter un spectre.
Maintenant que les échantillons ont été chargés et sont prêts à être analysés, réglez l’énergie de passage pour le spectromètre. L’énergie de passage est l’énergie avec laquelle tous les photoélectrons entreront dans le spectromètre. L’énergie de passage définit une résolution constante pour l’ensemble du spectre. Le réglage d’une énergie de passage élevée entraîne un flux plus élevé de photoélectrons et un rapport signal/bruit plus élevé pour l’expérience, mais une résolution plus mauvaise.
Un spectre pris avec un réglage d’énergie passe-bas a une meilleure résolution, mais un rapport signal/bruit plus faible. Maintenant que l’énergie de passage a été définie, la tâche suivante consiste à collecter un spectre d’étude de notre échantillon. Le spectre de l’enquête couvre une large gamme d’énergies afin d’inclure tous les différents types d’électrons éjectés de la surface. Ce spectre permettra d’inspecter tous les pics d’émission de photoélectrons avant de choisir une région d’énergie spécifique à balayer.
Pour ce spectre d’étude, l’échantillon est une fine couche de platine cultivée sur une seule couche de graphène, qui est soutenue par une lame de verre de silice commerciale. Des pics correspondant au platine, au silicium, au carbone et à l’oxygène peuvent être observés dans le spectre. Les pics de silicium et de carbone proviennent du support de l’échantillon. Le pic d’oxygène est le résultat de l’adhérence de l’eau dans l’atmosphère à la surface. Les pics de platine apparaissent entre 60 et 90 électronvolts. Ce sont les sommets qui nous intéressent. Maintenant qu’un spectre de relevé a été collecté et qu’une région d’intérêt a été déterminée, nous pouvons collecter un spectre XPS à haute résolution.
La mesure d’un spectre prend généralement entre 30 minutes et une heure pour un ensemble qui comprend une enquête et quelques régions haute résolution différentes. Lorsque le spectre est complet, les résultats sont prêts à être analysés.
Maintenant qu’un spectre XPS à haute résolution a été produit, les pics peuvent être comparés aux pics d’énergie de liaison au niveau du noyau trouvés dans les bases de données de référence.
De subtils changements dans les énergies de liaison par rapport à celles des composés de référence indiquent l’état chimique de chacun des éléments de l’échantillon. Le rapport d’intensité entre les pics du spectre révèle la composition de la surface.
XPS est couramment utilisé pour analyser un large éventail de matériaux tels que les alliages métalliques, les céramiques, les polymères, les semi-conducteurs et les matériaux biologiques. XPS est un outil important pour caractériser les surfaces des films semi-conducteurs minces utilisés pour produire de la microélectronique. La détermination précise de la chimie de surface aide à la détection des contaminants, ce qui peut améliorer le processus de fabrication.
De plus, la XPS permet aux chercheurs d’établir un lien entre les nouvelles propriétés d’un semi-conducteur particulier et sa chimie, ce qui est essentiel au développement de nouveaux matériaux. XPS peut également être utilisé pour analyser des échantillons biologiques tels que des os fossilisés. La composition chimique des restes fossiles contient beaucoup d’informations. En utilisant XPS, nous pouvons en apprendre davantage sur la biologie de l’évolution des organismes, leur environnement et les conditions dans lesquelles ils ont été fossilisés.
Vous venez de regarder l’introduction de Jove à la spectroscopie photoélectronique à rayons X. Vous devez maintenant comprendre les principes qui sous-tendent le XPS, comment collecter un spectre XPS et comment interpréter les résultats pour déterminer la composition et l’état d’un échantillon.
Merci d’avoir regardé.
La figure 1 montre un spectre d'arpentage de l'échantillon, montrant clairement les émissions de Pt, Si, C et O. Dans la figure 2, nous voyons l'analyse à haute résolution des pics Pt 4f7/2 et 4f5/2 de l'échantillon. Les énergies de liaison de chacun des pics de niveau de base peuvent être comparées à celles que l'on trouve dans les bases de données telles que celle maintenue par le National Institute of Sta...
XPS est une technique d'analyse chimique de surface qui est polyvalente dans la gamme d'échantillons qu'il peut être utilisé pour étudier. La technique fournit la quantification de la composition chimique, de l'état chimique et de la structure électronique occupée des atomes dans un matériau.
XPS fournit élémentairement la composition de la surface (dans un délai de 1 à 10 nm habituellement), et peut être utilisé pour déterminer la formule empirique des composés de surface, l'identité des élém...
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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