Фотоэлектронный спектрометр (ESCA)
Заглянуть в микромир
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (далее: XPS) использовалась в качестве универсального аналитического метода при исследовании и разработке материалов, а также для контроля качества. Фотоэлектронный спектрометр используется в самых разных областях, от университетов до заводов, в качестве исследовательского инструмента с простым управлением, позволяющим проводить рутинные анализы.
История и принцип
Рис.1 Принцип генерации фотоэлектрона
Рис.2 Глубина выхода фотоэлектронов
В 1887 году Герц обнаружил, что при облучении материала светом из него испускаются электроны. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом, а испускаемые электроны называются фотоэлектронами, поскольку эти электроны возбуждаются светом. Эйнштейн разработал гипотезу световых квантов, чтобы объяснить этот фотоэлектрический эффект. Позже квантовая механика развилась из этой световой квантовой гипотезы.
В 1950-х Зигбан в Швеции успешно провел энергетическую спектроскопию фотоэлектронов, испускаемых из материала, что положило начало энергетической спектроскопии как полезному методу анализа поверхности и анализа состояния химической связи.
Сегодня это незаменимый прибор для анализа поверхности для широкого спектра применений, от исследований в таких областях, как металлы, полупроводники, полимерные соединения и высокотехнологичные материалы, до контроля качества продукции.
Наблюдение за состояниями связи атома и молекулы
XPS — это метод наблюдения за миром, даже меньшим, чем тот, который можно увидеть с помощью электронного микроскопа. Вы можете удивиться: «Как же так? Как мы можем увидеть что-то меньшее, чем атом или молекула?». Конечно, это не то же самое, что смотреть на картинку. Тем не менее, измеряя скорость электронов, исходящих изнутри материала при облучении материала рентгеновскими лучами (называемых фотоэлектронами, поскольку они испускаются, когда материал подвергается воздействию света), можно наблюдать крошечный мир внутри атома. или молекула.
Измерение скорости этих фотоэлектронов называется фотоэлектронной спектроскопией, а определение состояния связи атомов и молекул путем анализа полученных спектров — анализом химического состояния.
Поскольку можно получить информацию об анализе химического состояния, ее обычно называют ESCA (электронная спектроскопия для химического анализа).
В некотором смысле фотоэлектронную спектроскопию можно рассматривать как аппаратное обеспечение, а анализ состояния — как программное обеспечение.
Анализ химического состояния
Угадывание партнера по одежде
Атом состоит из атомного ядра и электронов. Часто можно увидеть схему электронов, вращающихся вокруг ядра атома, подобно планетам, вращающимся вокруг Солнца (рис. 3(а)). Но в действительности электроны окружают ядро подобно облаку, а не вращаются по орбитам (рис. 3(б)). Итак, представьте себе, что атом одет электронами.
Рис.3 Модель атома водорода
Теперь давайте подумаем о нашей повседневной жизни. Когда вы идете на работу, вы можете носить рабочую одежду. В гости к покупателю продавец надевает костюм, но в выходной день он может выйти в футболке. Мы носим одежду, соответствующую ситуации и обстоятельствам. На самом деле атом ведет себя аналогично. Атом связывается (связывается) с другим атомом, образуя молекулу. В зависимости от партнера по свиданию атом меняет форму самых удаленных электронов, чтобы сформировать связь. Другими словами, если партнер по свиданию меняется, меняется и одежда.
Хотя различить одежду, которую мы носим, нетрудно, различия в электронном облаке не сразу видны. Отдирать нужно только электроны. Другими словами, мы должны силой снять одежду. Метод снятия одежды без ее повреждения называется фотоэлектронной эмиссией. Различия в форме электронного облака можно наблюдать как различия в скорости электронов, выбрасываемых из атома фотоэлектронной эмиссией. Это называется фотоэлектронным спектром (рис. 4).
Рис.4 Спектры фотоэмиссии атомов углерода полиэтилентерефталата
XPS для измерения скорости электронов
Рис.5 Схема фотоэлектронной спектроскопии
Все функции фотоэлектронного спектрометра (рис. 5) размещены в сверхвысоковакуумном контейнере; и система состоит из генератора рентгеновского излучения (рентгеновской трубки) для испускания фотоэлектронов и электронного спектрометра для измерения скорости электронов. Электронный спектрометр состоит из ряда электростатических линз и полусферического секторного анализатора, а также детекторов. Во-первых, электростатические линзы замедляют скорость электронов для улучшения разрешения. Далее анализатор отбирает электроны только с определенной скоростью.
Отобранные электроны проводятся в детектор, и подсчитывается количество выбитых электронов. Количество обнаруженных электронов примерно соответствует количеству атомов, составляющих материал или вещество. Для предотвращения загрязнения поверхности материала и предотвращения помех эмиссии электронов из образца фотоэлектронный спектрометр находится в сверхвысоком вакууме.
Анализируя полученные таким образом спектры, можно определить состояние связи атома.
Характеристики
(1) Это прибор для анализа поверхности, предназначенный для анализа на глубину нескольких нанометров под поверхностью образца.
(2) Он может обеспечить качественный и количественный анализ от Li до U, анализ состояния химической связи, а также измерение фотоэлектронного изображения.
Пример применения фотоэлектронного изображения
Фотоэлектронное изображение многослойной структуры на DVD-RW
Имеющиеся в продаже диски DVD-RW обычно имеют структуру, подобную той, что показана на рисунке справа. Когда поверхность диска DVD очищается, обнажаются записывающий слой и диэлектрический слой. В результате получения фотоэлектронных изображений при экспонировании 3 видов слоев были получены данные, показанные на следующих рисунках.
Фотоэлектронное изображение Sb
Фотоэлектронное изображение C
Фотоэлектронное изображение Zn
Суперпозиция Sb, C, Zn
(3) Что касается исследуемых материалов, то возможен анализ даже изоляционных и проводящих материалов, таких как полимерные пленки, полупроводники, керамика и металлы.
(4) При использовании ионного пучка инертного газа, такого как ион Ar, возможен анализ распределения состава от поверхности до внутренней части материала (анализ профиля по глубине).
Пример применения анализа профиля глубины Образец: (SiO2/TiO2) многослойная пленка/стекло
(Фотоэлектронные спектры в направлении глубины)
（Профиль композиции в направлении глубины）
(5) В качестве метода получения изменений состава и состояния химической связи от верхней поверхности до нескольких нм под поверхностью доступен метод наклона образца (XPS с угловым разрешением, ARXPS). Этот метод характерен для XPS, и его можно использовать для измерения изменений состава и состояния химической связи поверхности на нанопорядке.
(6) Предел обнаружения составляет в среднем около 0.1 атомного % или около того.
Необходимость технической реформы
Приложения XPS можно разделить на 3 категории.
Во-первых, это академическое использование. Он используется для широкого спектра применений, от исследования поверхности, исследования электронной структуры в атоме, такой как зонная структура полупроводника, до исследования сложных солевых химических веществ и даже для изучения предотвращения кариеса.
Во-вторых, он используется для разработки новых продуктов и совершенствования технологий производства. Он используется не только в металлургической и полупроводниковой промышленности, но также при анализе частиц и изоляционных материалов, таких как производство катализаторов и стекла, а также органических материалов, таких как полимерная пленка и т. д.
В-третьих, он используется для контроля качества продукции массового производства на заводах, например, для контроля производственного процесса по толщине смазочной пленки жестких дисков, загрязнения поверхности полупроводников и т. д., а также для анализа отказов, таких как анализ причин коррозии, обесцвечивания. , окисление и так далее.
Фотоэлектронные спектрометры играют активную роль в качестве идеального инструмента для удовлетворения требований в различных областях, когда они оснащены множеством дополнительных функций.