Poniższa procedura dotyczy określonego urządzenia XPS i powiązanego z nim oprogramowania, a w przypadku korzystania z innych urządzeń mogą wystąpić pewne różnice.
- Próbka jest cienką warstwą Pt (3 warstwy atomowe grubości) wyhodowaną na pojedynczej warstwie grafenu, która jest podtrzymywana na dostępnym w handlu szkiełku krzemionkowym (SiO2). Grafen (który jest pojedynczą warstwą węgla) został wyhodowany na Cu, a następnie przeniesiony na szklane podłoże. Warstwy atomowe Pt zostały następnie zdeponowane metodami elektroosadzania.
- Aby załadować próbki, najpierw odpowietrz blokadę ładowania, aby uzyskać uchwyt na próbki. Upewnij się, że przestrzegasz zasad czystości dla systemów UHV. Należą do nich: brak gołej skóry, włosów lub wilgoci w kontakcie z próbkami lub uchwytem próbki. Użyj czystej pęsety do obchodzenia się z próbką. Drzwi zamka otworzą się automatycznie po odpowietrzeniu komory zamka do ciśnienia atmosferycznego (~5 minut). Wyjąć uchwyt na próbki.
- Próbka jest przytrzymywana przez zaciski sprężynowe, które powinny znajdować się na stoliku. Przetrzyj powierzchnię sceny i klipsy, których używasz, alkoholem i całkowicie wysusz.
a.Otwórz drzwiczki blokady ładunku i umieść uchwyt próbki z powrotem na ramieniu transferowym. Uchwyt będzie pasował prawidłowo tylko w jeden sposób.
Zamknąć drzwiczki i pompować blokadę wsadu przez około 10 minut, chociaż w przypadku niektórych próbek (np. jeśli są one bardzo porowate, są proszkiem lub zawierają nieodparowany rozpuszczalnik), a następnie przenieść próbkę do komory analitycznej. Zwróć uwagę na ciśnienie w komorze analitycznej, gdy następuje przenoszenie próbki. Powinien znajdować się w średnim lub niskim zakresie 10-7 mbar, a następnie szybko spaść do zakresu 10-8 mbar, gdy zawór między dwiema komorami się zamknie. - Sprawdź ciśnienie w komorze analitycznej. Powinien znajdować się w średnim zakresie 10-8 mbar lub niższym w momencie rozpoczęcia eksperymentu.
- Ustaw energię przejścia. Energia przejścia to energia, z którą wszystkie fotoelektrony wejdą do spektrometru i zapewnią, że wszystkie cechy mierzone w widmie mają tę samą rozdzielczość energetyczną. Dzieje się tak, ponieważ rozdzielczość energetyczna spektrometru, ΔE, skaluje się wraz z energią kinetyczną fotoelektronów, a więc posiadanie stałej energii dla wszystkich elektronów wchodzących do detektora ustala stałą rozdzielczość dla całego widma. Im wyższa energia przejścia, tym większy strumień elektronów wchodzących do detektora, a co za tym idzie, lepszy stosunek sygnału do szumu (s/n), ale odbywa się to kosztem gorszej rozdzielczości energetycznej (większe ΔE). I odwrotnie, dolna energia przepustowa zapewnia lepszą rozdzielczość energetyczną, ale kosztem niższego strumienia, a tym samym niższego s/n.
- Zbierz spektrum ankiety. Tutaj Twoim celem jest uchwycenie wszystkich różnych typów elektronów, które są wyrzucane z próbki, a tym samym bycie w stanie zbadać zawartość pierwiastków w Twojej próbce. Detektor (spektrometr) będzie zatem musiał zostać skonfigurowany tak, aby spróbować wychwycić jak najwięcej tego typu elektronów. Możesz to zrobić, ustawiając najszerszy zakres skanowania energii dla spektrometru. Konkretne elementy sterujące oprogramowania będą się różnić w zależności od komercyjnych systemów XPS. Widmo pomiarowe pozwala na sprawdzenie wszystkich emisji fotoelektronów w próbce przed wykonaniem skanowania w wysokiej rozdzielczości określonych emisji.
- Dla naszego reprezentatywnego spektrum mamy architekturę obsługiwaną przez SiO2, która zawiera również C i Pt. Piki na poziomie rdzenia Pt, Si, C i O są oznaczone w widmie badania (Rysunek 1). Ze względu na wszechobecność cząsteczek wody, tlenu i węglowodorów w powietrzu, zawsze oczekuje się, że pewna ilość tych cząsteczek zostanie fizycznie lub chemicznie zaadsorbowana na powierzchni dowolnej próbki, a więc prawie zawsze oczekuje się sygnału C i O.
- Zbierz charakterystyczne widma poziomu rdzenia swojego materiału. Tutaj, jako reprezentatywne spektrum, pokazujemy piki podziału spinowo-orbitalnego 4f dla Pt.
Źródło: Faisal Alamgir, Szkoła Materiałoznawstwa i Inżynierii, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS) to technika mierząca skład pierwiastków, wzór empiryczny, stan chemiczny i stan elektronowy pierwiastków istniejących w materiale. Widma XPS uzyskuje się poprzez naświetlanie materiału wiązką promieni rentgenowskich przy jednoczesnym pomiarze energii kinetycznej i liczby elektronów, które uciekają z górnych kilku nanometrów analizowanego materiału (w granicach ~ górnych 10 nm, dla typowych energii kinetycznych elektronów). Ze względu na fakt, że elektrony sygnałowe uciekają głównie z pierwszych kilku nanometrów materiału, XPS jest uważany za technikę analizy powierzchni.
Odkrycie i zastosowanie fizycznych zasad stojących za XPS, czyli jak było wiadomo wcześniej, spektroskopią elektronową do analizy chemicznej (ESCA), doprowadziło do otrzymania dwóch nagród Nobla w dziedzinie fizyki. Pierwsza została przyznana w 1921 roku Albertowi Einsteinowi za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego w 1905 roku. Efekt fotoelektryczny stanowi podstawę procesu, w którym sygnał jest generowany w XPS. Znacznie później Kai Siegbahn opracował ESCA w oparciu o niektóre z wczesnych prac Innesa, Moseleya, Rawlisona i Robinsona, a w 1954 roku zarejestrował pierwsze widmo NaCl XPS o wysokiej rozdzielczości. Dalsza demonstracja mocy ESCA/XPS w analizie chemicznej, wraz z rozwojem powiązanego oprzyrządowania dla tej techniki, doprowadziła do powstania pierwszego komercyjnego monochromatycznego instrumentu XPS w 1969 r. i Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1981 r. dla Siegbahna w uznaniu jego rozległych wysiłków na rzecz rozwoju techniki jako narzędzia analitycznego.
Poniższa procedura dotyczy określonego urządzenia XPS i powiązanego z nim oprogramowania, a w przypadku korzystania z innych urządzeń mogą wystąpić pewne różnice.
- Próbka jest cienką warstwą Pt (3 warstwy atomowe grubości) wyhodowaną na pojedynczej warstwie grafenu, która jest podtrzymywana na dostępnym w handlu szkiełku krzemionkowym (SiO2). Grafen (który jest pojedynczą warstwą węgla) został wyhodowany na Cu, a następnie przeniesiony na szklane podłoże. Warstwy atomowe Pt zostały następnie zdeponowane metodami elektroosadzania.
- Aby załadować próbki, najpierw odpowietrz blokadę ładowania, aby uzyskać uchwyt na próbki. Upewnij się, że przestrzegasz zasad czystości dla systemów UHV. Należą do nich: brak gołej skóry, włosów lub wilgoci w kontakcie z próbkami lub uchwytem próbki. Użyj czystej pęsety do obchodzenia się z próbką. Drzwi zamka otworzą się automatycznie po odpowietrzeniu komory zamka do ciśnienia atmosferycznego (~5 minut). Wyjąć uchwyt na próbki.
- Próbka jest przytrzymywana przez zaciski sprężynowe, które powinny znajdować się na stoliku. Przetrzyj powierzchnię sceny i klipsy, których używasz, alkoholem i całkowicie wysusz.
a.Otwórz drzwiczki blokady ładunku i umieść uchwyt próbki z powrotem na ramieniu transferowym. Uchwyt będzie pasował prawidłowo tylko w jeden sposób.
Zamknąć drzwiczki i pompować blokadę wsadu przez około 10 minut, chociaż w przypadku niektórych próbek (np. jeśli są one bardzo porowate, są proszkiem lub zawierają nieodparowany rozpuszczalnik), a następnie przenieść próbkę do komory analitycznej. Zwróć uwagę na ciśnienie w komorze analitycznej, gdy następuje przenoszenie próbki. Powinien znajdować się w średnim lub niskim zakresie 10-7 mbar, a następnie szybko spaść do zakresu 10-8 mbar, gdy zawór między dwiema komorami się zamknie. - Sprawdź ciśnienie w komorze analitycznej. Powinien znajdować się w średnim zakresie 10-8 mbar lub niższym w momencie rozpoczęcia eksperymentu.
- Ustaw energię przejścia. Energia przejścia to energia, z którą wszystkie fotoelektrony wejdą do spektrometru i zapewnią, że wszystkie cechy mierzone w widmie mają tę samą rozdzielczość energetyczną. Dzieje się tak, ponieważ rozdzielczość energetyczna spektrometru, ΔE, skaluje się wraz z energią kinetyczną fotoelektronów, a więc posiadanie stałej energii dla wszystkich elektronów wchodzących do detektora ustala stałą rozdzielczość dla całego widma. Im wyższa energia przejścia, tym większy strumień elektronów wchodzących do detektora, a co za tym idzie, lepszy stosunek sygnału do szumu (s/n), ale odbywa się to kosztem gorszej rozdzielczości energetycznej (większe ΔE). I odwrotnie, dolna energia przepustowa zapewnia lepszą rozdzielczość energetyczną, ale kosztem niższego strumienia, a tym samym niższego s/n.
- Zbierz spektrum ankiety. Tutaj Twoim celem jest uchwycenie wszystkich różnych typów elektronów, które są wyrzucane z próbki, a tym samym bycie w stanie zbadać zawartość pierwiastków w Twojej próbce. Detektor (spektrometr) będzie zatem musiał zostać skonfigurowany tak, aby spróbować wychwycić jak najwięcej tego typu elektronów. Możesz to zrobić, ustawiając najszerszy zakres skanowania energii dla spektrometru. Konkretne elementy sterujące oprogramowania będą się różnić w zależności od komercyjnych systemów XPS. Widmo pomiarowe pozwala na sprawdzenie wszystkich emisji fotoelektronów w próbce przed wykonaniem skanowania w wysokiej rozdzielczości określonych emisji.
- Dla naszego reprezentatywnego spektrum mamy architekturę obsługiwaną przez SiO2, która zawiera również C i Pt. Piki na poziomie rdzenia Pt, Si, C i O są oznaczone w widmie badania (Rysunek 1). Ze względu na wszechobecność cząsteczek wody, tlenu i węglowodorów w powietrzu, zawsze oczekuje się, że pewna ilość tych cząsteczek zostanie fizycznie lub chemicznie zaadsorbowana na powierzchni dowolnej próbki, a więc prawie zawsze oczekuje się sygnału C i O.
- Zbierz charakterystyczne widma poziomu rdzenia swojego materiału. Tutaj, jako reprezentatywne spektrum, pokazujemy piki podziału spinowo-orbitalnego 4f dla Pt.
Rentgenowska spektroskopia fotoelektronów lub XPS to nieniszcząca technika, którą można wykorzystać do pomiaru składu chemicznego powierzchni materiału. W XPS promieniowanie rentgenowskie o znanej energii uderza w atom. Elektron powłoki rdzenia absorbuje foton promieniowania rentgenowskiego, uzyskując wystarczającą ilość energii, aby opuścić swoją orbitę.
Nadmiar energii pochłoniętej przez elektron pozostaje jako jego energia kinetyczna. Łącząc widmo tych energii kinetycznych, można obliczyć pierwotne energie wiązania elektronów i wykorzystać je do określenia składu chemicznego i stanu materiału.
Ten film wyjaśni zasady rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów i pokaże, jak mierzyć i interpretować widmo XPS.
Kiedy związany elektron absorbuje foton o wystarczającej energii, jest on wyrzucany ze swojej orbity. Aby ściśle związany elektron w powłoce rdzenia został wyrzucony, musi on zaabsorbować wysokoenergetyczny foton promieniowania rentgenowskiego. Jeśli zaabsorbowany foton niesie ze sobą wystarczającą ilość dodatkowej energii, aby przekroczyć progową funkcję pracy materiału, elektron może uciec w próżnię. Elektrony te nazywane są fotoelektronami. Wszelka energia pozostała z promieniowania rentgenowskiego pojawia się jako energia kinetyczna fotoelektronu.
Do rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów wykorzystuje się źródła promieniowania rentgenowskiego o znanej energii. Jednym z powszechnych źródeł jest aluminium K alfa, które wytwarza promieniowanie rentgenowskie o mocy 1 486,7 elektronowoltów. Energia promieniowania rentgenowskiego i funkcja robocza powierzchni są wykorzystywane w połączeniu ze zmierzoną energią kinetyczną fotoelektronu w celu określenia pierwotnej energii wiązania elektronu. Energia wiązania jest równa energii pierwotnej źródła promieniowania rentgenowskiego, pomniejszonej o energię funkcji pracy powierzchni i pozostałą energię kinetyczną fotoelektronu. Po zebraniu widma piki energii można porównać z pikami próbek referencyjnych.
Subtelne przesunięcia energii mierzonych pików od pików odniesienia, a także względne wysokości między pikami mierzonego widma, można wykorzystać do określenia składu pierwiastkowego, stanów chemicznych i stanów elektronowych pierwiastków w próbce. XPS jest przydatny na głębokości około 10 nanometrów.
Teraz, gdy rozumiesz zasady rządzące XPS, możesz teraz przystąpić do pomiaru widma.
Ważne jest, aby przestrzegać zasad czystości dla systemów o ultrawysokiej próżni podczas pomiaru widma fotoelektronów rentgenowskich. Należy nosić rękawice polietylenowe lub nitrylowe bezpudrowe. Do obsługi szkiełka z próbką należy używać pęsety. Próbka powinna być przechowywana w szklanym pojemniku, który jest następnie przykrywany, tak aby można było bezpiecznie przetransportować ją do rentgenowskiego spektrometru fotoelektronów. Należy pamiętać, że poniższa procedura dotyczy określonego urządzenia XPS i powiązanego z nim oprogramowania, a w przypadku korzystania z innych urządzeń mogą wystąpić pewne różnice.
Aby załadować próbki, należy najpierw odpowietrzyć komorę blokady ładowania, aby uzyskać dostęp do uchwytu na próbki. Powinno to zająć kilka minut. Gdy komora przewietrzy się do ciśnienia atmosferycznego, drzwi otworzą się automatycznie. Po otwarciu komory blokady obciążenia wyjmij uchwyt próbki z ramienia transferowego. Aby zapobiec zanieczyszczeniu z poprzednich analiz, należy dokładnie wyczyścić uchwyt próbki, przecierając go alkoholem izopropylowym. Pamiętaj również, aby wyczyścić metalowy klips. Załaduj każde szkiełko do uchwytu na próbkę, wciskając je pod metalowe klipsy.
Następnie umieść uchwyt próbki z powrotem w komorze załadunku i umieść go na ramieniu transferowym. Gdy uchwyt próbki jest prawidłowo osadzony, zamknij drzwi komory. Pompuj w dół komorę załadunku, aż ciśnienie zarejestruje się w zakresie od 10 do minus siedmiu milibarów. Powinno to zająć kilka minut. Niektóre próbki, takie jak proszki, materiały wysoce porowate lub zawierające nieodparowane rozpuszczalniki, mogą potrzebować więcej czasu.
Na koniec przenieś próbki do komory analitycznej. Gdy ciśnienie w komorze mieści się w zakresie od 10 do minus ośmiu milibarów, można rozpocząć zbieranie widma.
Teraz, gdy próbki zostały załadowane i są gotowe do analizy, ustaw energię przejścia dla spektrometru. Energia przejścia to energia, z którą wszystkie fotoelektrony wejdą do spektrometru. Energia przejścia ustawia stałą rozdzielczość dla całego spektrum. Ustawienie wysokiej energii przejścia skutkuje większym strumieniem fotoelektronów i lepszym stosunkiem sygnału do szumu w eksperymencie, ale gorszą rozdzielczością.
Widmo wykonane przy ustawieniu energii dolnoprzepustowej ma lepszą rozdzielczość, ale niższy stosunek sygnału do szumu. Teraz, gdy energia przejścia została ustawiona, następnym zadaniem jest zebranie widma badawczego naszej próbki. Spektrum badań obejmuje szeroki zakres energii, aby objąć wszystkie różne typy elektronów wyrzucanych z powierzchni. Widmo to pozwoli na inspekcję wszystkich pików emisji fotoelektronów przed wyborem konkretnego regionu energetycznego do skanowania.
W tym widmie badawczym próbka jest cienką warstwą platyny wyhodowaną na pojedynczej warstwie grafenu, która jest podtrzymywana przez komercyjne szkiełko krzemionkowe. W widmie można zaobserwować piki odpowiadające platynie, krzemowi, węglowi i tlenowi. Piki krzemu i węgla powstają z mediów podtrzymujących próbkę. Szczyt tlenu jest wynikiem przylegania wody w atmosferze do powierzchni. Platynowe piki pojawiają się między 60 a 90 elektronowoltami. To są szczyty, które nas interesują. Teraz, gdy zebrano widmo badawcze i określono obszar zainteresowania, możemy zebrać widmo XPS o wysokiej rozdzielczości.
Pomiar widma trwa zazwyczaj od 30 minut do godziny w przypadku zestawu, który zawiera przegląd i kilka różnych regionów o wysokiej rozdzielczości. Gdy spektrum jest kompletne, wyniki są gotowe do analizy.
Teraz, gdy wyprodukowano widmo XPS o wysokiej rozdzielczości, piki można porównać z pikami energii wiązania na poziomie rdzenia, które można znaleźć w referencyjnych bazach danych.
Subtelne przesunięcia energii wiązania w stosunku do energii związków odniesienia wskazują na stan chemiczny każdego z pierwiastków w próbce. Stosunek intensywności między pikami widma ujawnia skład powierzchniowy.
XPS jest rutynowo używany do analizy szerokiej gamy materiałów, takich jak stopy metali, ceramika, polimery, półprzewodniki i materiały biologiczne. XPS jest ważnym narzędziem do charakteryzowania powierzchni cienkich warstw półprzewodnikowych stosowanych do produkcji mikroelektroniki. Precyzyjne określenie składu chemicznego powierzchni pomaga w wykrywaniu zanieczyszczeń, co może usprawnić proces produkcyjny.
Ponadto XPS umożliwia naukowcom powiązanie nowych właściwości danego półprzewodnika z jego chemią, co ma kluczowe znaczenie dla rozwoju nowych materiałów. XPS może być również używany do analizy próbek biologicznych, takich jak skamieniałe kości. Skład chemiczny szczątków kopalnych niesie ze sobą wiele informacji. Za pomocą XPS możemy dowiedzieć się więcej o biologii ewolucji organizmów, ich środowisku oraz warunkach, w jakich zostały skamieniałe.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów. Powinieneś teraz zrozumieć zasady rządzące XPS, sposób zbierania widma XPS oraz sposób interpretacji wyników w celu określenia składu i stanu materiału próbki.
Dzięki za oglądanie.
Rysunek 1 przedstawia widmo pomiarowe z próby, wyraźnie pokazujące emisje Pt, Si, C i O. Na rysunku 2 widzimy skan w wysokiej rozdzielczości pików Pt 4f7/2 i 4f5/2 z próbki. Energie wiązania każdego z pików poziomu rdzenia można porównać z tymi, które można znaleźć w bazach danych, takich jak ta prowadzona przez National Institute of Standards and Technology (NIST) (na https://srdata.nist.gov/xps/Default.as...
XPS to technika analizy chemicznej powierzchni, która jest wszechstronna pod względem zakresu próbek, do których można ją wykorzystać. Technika ta umożliwia ilościowe określenie składu chemicznego, stanu chemicznego i zajmowanej struktury elektronowej atomów w materiale.
XPS dostarcza elementarnego składu powierzchni (zwykle w zakresie 1-10 nm) i może być używany do określania wzoru empirycznego związków powierzchniowych, tożsamości pierwiastków, które zanieczyszczają powierzchnię, stanu chem...
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
Videos from this collection:
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved