Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, или XPS, — это неразрушающий метод, который может быть использован для измерения химического состава поверхности материала. В XPS рентгеновский луч известной энергии ударяется об атом. Электрон оболочки ядра поглощает рентгеновский фотон, набирая достаточно энергии, чтобы покинуть его орбиту.

Избыточная энергия, поглощенная электроном, остается в виде его кинетической энергии. Собрав спектр этих кинетических энергий, можно рассчитать исходные энергии связи электронов и использовать их для определения химического состава и состояния материала.

В этом видео объясняются принципы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и демонстрируется, как измерять и интерпретировать спектр XPS.

Когда связанный электрон поглощает фотон с достаточной энергией, он выбрасывается с его орбиты. Чтобы плотно связанный электрон из оболочки ядра был выброшен, он должен поглотить высокоэнергетический рентгеновский фотон. Если поглощенный фотон несет достаточно дополнительной энергии, чтобы превысить пороговую рабочую функцию материала, электрон может уйти в вакуум. Эти электроны называются фотоэлектронами. Любая оставшаяся энергия от рентгеновского излучения проявляется как кинетическая энергия фотоэлектрона.

Для рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии используются рентгеновские источники известной энергии. Одним из распространенных источников является алюминий К-альфа, который производит рентгеновские лучи с напряжением 1486,7 электронвольт. Энергия рентгеновского излучения и рабочая функция поверхности используются в сочетании с измеренной кинетической энергией фотоэлектрона для определения исходной энергии связи электрона. Энергия связи равна исходной энергии источника рентгеновского излучения за вычетом энергии рабочей функции поверхности и остаточной кинетической энергии фотоэлектрона. После того, как спектр собран, энергетические пики могут быть сравнены с пиками эталонных образцов.

Тонкие сдвиги в энергии измеренных пиков от эталонных пиков, а также относительные высоты между пиками измеряемого спектра могут быть использованы для определения элементного состава, химических состояний и электронных состояний элементов в образце. XPS полезен на глубине примерно 10 нанометров.

Теперь, когда вы понимаете принципы, лежащие в основе XPS, вы готовы к измерению спектра.

Важно соблюдать правила чистоты для систем сверхвысокого вакуума при измерении рентгеновского фотоэлектронного спектра. Следует надеть полиэтиленовые или неопудренные нитриловые перчатки. А для обработки предметного стекла следует использовать пинцет. Образцы следует хранить в стеклянной таре, которая затем накрывается, чтобы их можно было безопасно транспортировать к рентгеновскому фотоэлектронному спектрометру. Обратите внимание, что следующая процедура применяется к конкретному прибору XPS и связанному с ним программному обеспечению, и при использовании других приборов могут быть некоторые изменения.

Чтобы загрузить образцы, сначала прокачайте загрузочную камеру, чтобы получить доступ к держателю образцов. На это должно уйти несколько минут. Когда камера проветрится до атмосферного давления, дверца откроется. Как только камера загрузочного замка откроется, снимите держатель образца с передаточного рычага. Чтобы предотвратить загрязнение от предыдущих анализов, тщательно очистите держатель образца, протерев его изопропиловым спиртом. Обязательно очистите и металлический зажим. Загрузите каждое предметное стекло в держатель для образцов, нажав на него под металлическими зажимами.

Затем верните держатель образца в камеру загрузочного замка и поместите его на передаточный рычаг. Когда держатель образца установлен правильно, закройте дверцу камеры. Откачивайте загрузочную камеру до тех пор, пока давление не достигнет диапазона от 10 до минус семи миллибар. На это должно уйти несколько минут. Некоторые образцы, такие как порошки, высокопористые материалы или образцы, содержащие неиспарившиеся растворители, могут занять больше времени.

Наконец, перенесите образцы в камеру для анализа. Когда давление в камере находится в диапазоне от 10 до минус восьми миллибар, можно приступать к сбору спектра.

Теперь, когда образцы загружены и готовы к анализу, установите энергию прохождения для спектрометра. Энергия прохождения — это энергия, с которой все фотоэлектроны войдут в спектрометр. Энергия пропускания задает постоянное разрешение для всего спектра. Установка высокой энергии прохождения приводит к более высокому потоку фотоэлектронов и большему соотношению сигнал/шум для эксперимента, но к худшему разрешению.

Спектр, взятый с низкой настройкой энергии пропускания, имеет лучшее разрешение, но меньшее отношение сигнал/шум. Теперь, когда энергия прохода задана, следующей задачей является сбор обзорного спектра нашей выборки. Спектр обзора охватывает широкий диапазон энергий, чтобы включить в себя все различные типы электронов, выбрасываемых с поверхности. Этот спектр позволит проверить все пики фотоэлектронной эмиссии перед выбором конкретной энергетической области для сканирования.

Для этого спектра исследования образец представляет собой тонкий слой платины, выращенный на одном слое графена, который поддерживается коммерческим предметным стеклом из кварцевого стекла. В спектре можно увидеть пики, соответствующие платине, кремнию, углероду и кислороду. Пики кремния и углерода возникают из среды, поддерживающей образец. Пик кислорода является результатом того, что вода в атмосфере прилипает к поверхности. Платиновые пики появляются между 60 и 90 электронвольтами. Вот такие вершины нас интересуют. Теперь, когда собран спектр обзора и определена область интереса, мы можем собрать спектр XPS с высоким разрешением.

Измерение спектра обычно занимает от 30 минут до часа для набора, который включает в себя обзор и несколько различных областей с высоким разрешением. Когда спектр завершен, результаты готовы к анализу.

Теперь, когда получен спектр XPS с высоким разрешением, пики можно сравнить с пиками энергии связывания на уровне ядра, обнаруженными в справочных базах данных.

Тонкие сдвиги в энергиях связывания относительно референтных соединений указывают на химическое состояние каждого из элементов в образце. Соотношение интенсивностей между пиками спектра позволяет выявить состав поверхности.

XPS регулярно используется для анализа широкого спектра материалов, таких как металлические сплавы, керамика, полимеры, полупроводники и биологические материалы. XPS является важным инструментом для определения характеристик поверхностей тонких полупроводниковых пленок, используемых в производстве микроэлектроники. Точное определение химического состава поверхности помогает обнаруживать загрязняющие вещества, что может улучшить производственный процесс.

Кроме того, XPS позволяет исследователям связывать новые свойства конкретного полупроводника с его химическим составом, что имеет решающее значение для разработки новых материалов. XPS также можно использовать для анализа биологических образцов, таких как окаменелые кости. Химический состав ископаемых останков содержит много информации. Используя XPS, мы можем узнать о биологии эволюции организмов, их среде обитания и условиях, в которых они были окаменели.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию. Теперь вы должны понять принципы, лежащие в основе XPS, как собирать спектр XPS и как интерпретировать результаты для определения состава и состояния материала образца.

Спасибо за просмотр.