X-선 광전자 분광법

XPS에서, 상기 물질X선은 1486.7 eV의 광자 에너지를 가진 원, 전형적으로 알 Kα, 샘플을 조사하고, 성분 원자내의 핵심 전자의 임계 결합 에너지를 충족시키고, 페르미 에너지(E__f)를지나 이러한 코어 전자를 배출한다. Al Kα는 1s 전자의 배출을 통해 흥분된 상태로 이동된 Al 원자의 이완 중에 방출되는 특정 X선 형광이다. 소스 X선(Es)의 에너지가 충분히 높으면 코어 전자는 진공 수준(E__vac)을지나 남은 운동 에너지로 등장하는 데 필요한 임계값 작업 기능(φ)을 충족할 수 있습니다. 이 전자는 광전자에게 불리고 표면에 충분히 가깝다는 것을 제공하면 시료표면에서 나타나 고 에너지 차별 전자 검출기에 의해 포착될 수 있습니다. 이러한 검출기는 전자의 결합 에너지(BE)를 계산하는 데 사용할 수 있는 광전자(KE)의 운동 에너지를 측정합니다.

BE = E_S-Φ - KE

신호 전자의 비탄성 평균 자유 경로(IMFP)는 몇 나노미터(즉, 전자가 비탄력성 산란 이벤트 간에 이동하는 평균 거리는 몇 나노미터 XPS)가 측정 챔버 내에서 초고진공(UHV) 조건을 필요로 하기 때문이다. 대부분의 요소에 대한 검출 제한은 천 범위당 부품 의 순서(1,000 PPM)에 있습니다. 백만 당 부품의 더 나은 검출 한계를 달성하기 위해 (ppm), 기술은 상단 표면에서 검출되는 종의 높은 농도 또는 매우 긴 수집 시간 (여러 시간)을 필요로한다. 결과 데이터는 결합 에너지 대 강도(검출기를 치는 전자의 초당 수를 나타내는)가 스펙트럼의 형태로 될 것입니다. X선 소스가 물질내 원자의 특정 전자 상태에서 전자를 배출할 수 있을 만큼 에너지가 넘도록 제공되면 스펙트럼에 하나 이상의 상응하는 피크가 있을 것이다. 스펙트럼에서 요소의 특정 피크의 BE는 샘플에서 해당 요소의 "화학 상태"를 결정하기 위해 참조 재료 또는 데이터베이스의 표부 값과 비교할 수 있습니다. 특정 원소 피크의 강도는 물론 시료의 해당 요소의 농도에 비례합니다. 그러나, 상이온화의 확률은 상이한 전자 상태이기 때문에, 스펙트럼 피크하에서 농도 값으로 측정된 카운트의 변환은 이러한 다른 확률에 대해 수정하는 "감도 요인"에 의해 수의 정상화를 요구할 것이다.

XPS 시스템은 박막, 최대 1cm 두께의 대량 샘플 및 분말 샘플을 수용 할 수 있습니다. 여기서 샘플 단계는 60mm 에서 60mm이며이 영역에 들어갈 만큼 많은 샘플을 보유 할 수 있습니다. 필름은 건조한 한 무기 또는 유기/ 생물학적일 수 있습니다.

다음 절차는 특정 XPS 계측기 및 관련 소프트웨어에 적용되며 다른 계측기를 사용할 때 약간의 변형이 있을 수 있습니다.

1. 샘플은 상업용 실리카(SiO₂₎유리 슬라이드에서 지원되는 그래핀의 단일 층에서 자란 Pt(3 원자층 두께)의 박막이다. 그래핀(탄소의 단일 층)은 Cu에서 재배한 다음 유리 기판으로 옮겨졌다. Pt 원자층은 전극 방법에 의해 증착되었다.
2. 샘플을 로드하려면 먼저 로잠금을 배출하여 샘플 홀더를 가져옵니다. UHV 시스템에 대한 청결 규칙을 따라야 합니다. 여기에는 시료 또는 샘플 홀더와 접촉하는 맨피부, 머리카락 또는 습기가 포함되지 않습니다. 깨끗한 핀셋을 사용하여 샘플을 처리하십시오. 로드록 챔버가 대기압(~5분)으로 배출된 후 로들록의 문이 열립니다. 샘플 홀더를 꺼내십시오.
3. 샘플은 무대에 있어야 스프링 클립에 의해 개최됩니다. 무대 표면과 알코올로 사용하는 클립을 닦아 완전히 건조시다.
   a. 로더록 도어를 열고 샘플 홀더를 다시 전송 암에 넣습니다. 홀더는 한 방향으로만 올바르게 맞습니다.
   b. 문을 닫고 약 10 분 동안 부하 잠금 장치를 펌프, 당신은 몇 가지 샘플에 대한 추가 펌핑 시간이 필요할 수 있지만 (예를 들어, 다공성, 분말, 또는 일부 증발 용매를 포함하는 경우) 다음 분석 챔버로 샘플을 전송. 샘플 전송이 발생할 때 분석 챔버 압력을 유의하십시오. 두 챔버 사이의 밸브가 닫히면^10-8 mbar 범위로 빠르게 떨어지면 중간에서 낮은^10-7 mbar 범위에 있어야합니다.
4. 분석 챔버 압력을 확인합니다. 실험을 시작할 때^10-8 mbar 범위 중 또는 아래에 있어야합니다.
5. 패스 에너지를 설정합니다. 패스 에너지는 모든 광전자가 분광계에 진입하고 스펙트럼에서 측정된 모든 기능이 동일한 에너지 해상도를 갖도록 하는 에너지입니다. 이는 광전자의 운동 에너지로 스케일을 가지며, 검출기에 진입하는 모든 전자에 대한 일정한 에너지가 전체 스펙트럼에 대한 일정한 해상도를 설정하기 때문이다. 패스 에너지가 높을수록 검출기에 들어가는 전자의 플럭스가 높아지므로 더 나은 신호 대 잡음 비율(s/n)이 더 높지만 이는 에너지 해상도(더 큰 ΔE)의 비용으로 제공됩니다. 반대로, 로우 패스 에너지는 더 나은 에너지 해상도를 보장하지만, 낮은 유동성의 비용으로, 따라서, 낮은 s/n.
6. 설문조사 스펙트럼을 수집합니다. 여기서 당신의 목표는 샘플에서 배출되는 모든 다양한 유형의 전자를 캡처하고, 따라서, 샘플의 원소 함량을 조사 할 수 있도록하는 것입니다. 따라서 검출기(분광기)는 이러한 유형의 전자를 가능한 한 많이 포착하기 위해 설정해야 합니다. 분광계에 대한 가장 넓은 에너지 스캔 범위를 설정하여 이 작업을 수행할 수 있습니다. 특정 소프트웨어 컨트롤은 다양한 상용 XPS 시스템에 따라 다릅니다. 설문 조사 스펙트럼을 통해 특정 배출에 대한 고해상도 검사를 수행하기 전에 샘플 내의 모든 광전자 배출을 검사할 수 있습니다.
7. 대표 스펙트럼의 경우 C와 Pt도 포함하는 SiO₂ 지원 아키텍처가 있습니다. Pt, Si, C 및 O 코어 레벨 피크는 조사스펙트럼(그림 1)에표시되어 있습니다. 공기 중의 물, 산소 및 탄화수소 분자의 보편성으로 인해 이러한 분자의 일정 량은 항상 물리적 또는 화학적으로 모든 샘플의 표면에 흡착될 것으로 예상되므로 C 및 O 신호는 거의 항상 예상됩니다.
8. 재료의 특징적인 핵심 레벨 스펙트럼을 수집합니다. 여기서 대표적인 스펙트럼으로 Pt의 4f 스핀 궤도 분할 피크를 보여줍니다.

그림 1은 Pt, Si, C 및 O 배출을 명확하게 보여주는 샘플의 조사 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 2에서는샘플에서 Pt 4f_7/2 및 4f_5/2 피크의 고해상도 스캔을 볼 수 있습니다. 각 핵심 레벨 피크의 결합 에너지는 국립 표준 기술 연구소(NIST)가 관리하는 것과 같은 데이터베이스에서 발견되는 것과 비교될 수 있습니다(https://srdata.nist.gov/xps/Default.aspx). 데이터베이스의 참조 화합물에 비해 결합 에너지의 미묘한 변화는 시료의 각 요소의 화학 상태를 나타낼 수 있습니다. 피크의 강도 비율은 표면 컴포지션을 드러냅니다.

그림 1: Pt, Si, C 및 O 배출을 명확하게 보여주는 샘플의 조사 스펙트럼입니다. 

그림 2: 샘플에서Pt 4f_7/2 및 4f_5/2 피크의 고해상도 스캔.

XPS는 조사에 사용할 수 있는 샘플 범위에서 다재다능한 표면 화학 분석 기술입니다. 이 기술은 화학 조성, 화학 상태 및 재료 내의 원자의 점유 전자 구조의 정량화를 제공합니다.

XPS는 원소표면의 조성(보통 1-10nm 이내)을 제공하며, 표면 화합물의 실증적 수식, 표면의 각 요소의 표면, 화학 또는 전자 상태를 오염시키는 요소의 정체성, 상부 표면을 가로질러 깊이를 통해 조성물의 균일성(재료로 순차적으로 밀링하고 새로운 노출된 표면의 XPS 데이터를 취하여)을 결정하는 데 사용될 수 있다.

일상적으로 XPS는 금속 합금, 세라믹, 폴리머, 반도체, 촉매, 안경, 세포, 뼈 및 기타 많은 식물 생물학적 재료와 같은 식물의 일부와 같은 다른 무기 화합물과 같은 광범위한 물질을 분석하는 데 사용됩니다.