X線光電子分光法

X線光電子分光法(XPS)は、材料の表面化学を測定するために使用できる非破壊技術です。XPS では、既知のエネルギーの X 線が原子に当たります。コアシェル電子はX線光子を吸収し、その軌道を離れるのに十分なエネルギーを獲得します。

電子が吸収した過剰なエネルギーは、その運動エネルギーとして残ります。これらの運動エネルギーのスペクトルを組み立てることにより、電子の元の結合エネルギーを計算し、材料の化学組成と状態を決定するために使用できます。

このビデオでは、X線光電子分光法の原理を説明し、XPSスペクトルの測定方法と解釈方法を示します。

束縛された電子が十分なエネルギーの光子を吸収すると、その軌道から放出されます。しっかりと結合したコアシェル電子を放出するためには、高エネルギーのX線光子を吸収する必要があります。吸収された光子が材料の閾値仕事関数を超えるのに十分な追加のエネルギーを運ぶと、電子は真空中に逃げる可能性があります。これらの電子は光電子と呼ばれます。X線から残っているエネルギーは、光電子の運動エネルギーとして現れます。

X線光電子分光法では、既知のエネルギーのX線源が使用されます。一般的な発生源の1つは、1,486.7電子ボルトのX線を生成するアルミニウムKαです。X線のエネルギーと表面の仕事関数を、測定された光電子の運動エネルギーと組み合わせて使用し、電子の元の結合エネルギーを決定します。結合エネルギーは、X線源の元のエネルギーから表面の仕事関数エネルギーと光電子の残留運動エネルギーを差し引いたものに等しくなります。スペクトルが収集されたら、エネルギーピークを参照サンプルのピークと比較できます。

基準ピークから測定されたピークのエネルギーの微妙なシフト、および測定されたスペクトルのピーク間の相対的な高さを使用して、サンプル内の元素の元素組成、化学状態、および電子状態を決定できます。XPSは、約10ナノメートルの深さまで有用です。

XPS の原理を理解したので、スペクトルを測定する準備が整いました。

X線光電子スペクトルを測定する際には、超高真空システムの清浄度ルールに従うことが重要です。ポリエチレン製またはパウダーフリーのニトリル手袋を着用してください。また、サンプルスライドの取り扱いにはピンセットを使用する必要があります。サンプルはガラス容器に保管し、蓋をして、X線光電子分光器に安全に輸送できるようにする必要があります。次の手順は、特定のXPS機器とそれに関連するソフトウェアに適用され、他の機器を使用すると多少のバリエーションが生じる場合があることに注意してください。

サンプルをロードするには、まずロードロックチャンバーを通気してサンプルホルダーにアクセスします。これには数分かかります。チャンバーが大気圧に通気されると、ドアが跳ね開きます。ロードロックチャンバーが開いたら、サンプルホルダーをトランスファーアームから取り外します。以前の分析による汚染を防ぐために、サンプルホルダーをイソプロピルアルコールで拭き取って完全に洗浄してください。金属製のクリップも必ず清掃してください。各スライドを金属クリップの下に押し込んで、サンプルホルダーにロードします。

次に、サンプルホルダーをロードロックチャンバーに戻し、トランスファーアームに置きます。サンプルホルダーが適切に装着されたら、チャンバーのドアを閉じます。圧力がマイナス7ミリバールの範囲に10を記録するまで、ロードロックチャンバーをポンプダウンします。これには数分かかります。粉末、多孔質材料、または蒸発していない溶媒を含むサンプルなど、一部のサンプルは時間がかかる場合があります。

最後に、サンプルを分析チャンバーに移します。チャンバー圧力が10からマイナス8ミリバールの範囲にあるとき、スペクトルの収集を開始できます。

サンプルがロードされ、分析の準備ができたので、分光器のパスエネルギーを設定します。パスエネルギーは、すべての光電子が分光器に入るエネルギーです。パスエネルギーは、スペクトル全体に対して一定の分解能を設定します。パスエネルギーを高く設定すると、光電子のフラックスが高くなり、実験の信号対雑音比が大きくなりますが、分解能は低下します。

低パスエネルギー設定で取得したスペクトルは、分解能は高くなりますが、信号対雑音比は低くなります。パスエネルギーが設定されたので、次のタスクはサンプルの調査スペクトルを収集することです。サーベイスペクトルは、表面から放出されるさまざまな種類の電子をすべて含むために、幅広いエネルギーをカバーしています。このスペクトルでは、スキャンする特定のエネルギー領域を選択する前に、すべての光電子放出ピークを検査することができます。

この調査スペクトルでは、サンプルはグラフェンの単層上に成長したプラチナの薄い層であり、市販のシリカガラススライドによって支持されています。スペクトルには、プラチナ、シリコン、炭素、酸素に対応するピークが見られます。シリコンとカーボンのピークは、サンプルを支える媒体から生じます。酸素ピークは、大気中の水が表面に付着した結果です。プラチナのピークは60〜90電子ボルトで現れます。これらは私たちが興味を持っているピークです。調査スペクトルが収集され、対象領域が決定されたので、高解像度の XPS スペクトルを収集できます。

スペクトルの測定には、通常、サーベイといくつかの異なる高解像度領域を含むセットで30分から1時間かかります。スペクトルが完了すると、結果を分析できるようになります。

高分解能のXPSスペクトルが生成されたので、ピークをリファレンスデータベースで見つかったコアレベルの結合エネルギーピークと比較できます。

参照化合物の結合エネルギーに対する結合エネルギーの微妙な変化は、サンプル中の各元素の化学状態を示しています。スペクトルのピーク間の強度比は、表面組成を明らかにします。

XPSは、金属合金、セラミックス、ポリマー、半導体、生体材料など、幅広い材料の分析に日常的に使用されています。XPSは、マイクロエレクトロニクスの製造に使用される薄い半導体膜の表面を特性評価するための重要なツールです。表面の化学的性質を正確に決定することで、汚染物質の検出に役立ち、製造プロセスを改善できます。

さらに、XPSを使用すると、研究者は特定の半導体の新規特性をその化学的性質に関連付けることができ、これは新しい材料の開発に不可欠です。XPSは、化石化した骨などの生体サンプルの分析にも使用できます。化石遺物の化学的組成は、多くの情報を運びます。XPSを使用すると、生物の進化の生物学、その環境、および化石化した条件について学ぶことができます。

JoveのX線光電子分光法の紹介を見ました。これで、XPS の原理、XPS スペクトルの収集方法、および結果を解釈してサンプル材料の組成と状態を判断する方法を理解できました。

ご覧いただきありがとうございます。