X射线光电子能谱仪

发布于:2020-06-09 分类:T鲜生活   

X 射线光电子能谱仪 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) 又称为化学分析电子能谱仪 (electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA),由瑞典物理学家凯.西格巴恩 (Kai Siegbahn, 1918-2007) 发展的技术,并荣获 1981 年诺贝尔物理学奖。2从 1960 年代末期开始普遍运用,研究固体材料表面的化学组成,确定各个元素的化学状态,了解原子的键结状态,灵敏度高,广泛运用在科技上。

一般可分析的深度为:

主要部件

X 射线源、样品室、能量分析器、电子侦测器、资料处理器。分析过程中所产生的光电子要在超高真空系统 (ultrahigh vacuum system, UHV) 中飞行,大约 $$10^{-8}$$~$$10^{-9}$$ $$\text{Pa}$$,减少电子撞击到空气分子产生杂讯,也可以保持样品表面不受汙染。

X射线光电子能谱仪

图一、X射线光电子能谱仪(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

原理

以镁 $$(K_\alpha h\nu=1253.6~\text{eV}$$,$$\Delta E=0.7~\text{eV})$$ 或铝 $$(K_\alpha h\nu=1486.6~\text{eV}$$,$$\Delta E=0.85~\text{eV})$$ 作为阳极靶材,产生 X 射线,经过单光器处理,铝 $$\Delta E$$ 可降至 $$0.21~\text{eV}$$,$$\Delta E$$ 越小,谱仪的解析度越高。曲面聚焦 X 射线,能做小範围的扫描。1射线出口设有滤窗,防止靶材电子混入分析器中。

具有 X 射线能量的光子照射材料表面,表面的原子的内层电子吸收特定能量被游离,被光所激发出的电子称为光电子,光电子动能 $$E_k=h\nu-E_b-w$$,$$w$$ 是仪器所造成的能量损耗视为定质,$$h\nu$$ 是入射 X 射线的能量,侦测器测量光电子的动能,反推光电子的在材料中的束缚能 (binding energy, $$E_b$$),来鉴定样品的元素种类与化学环境,若样品中有两种以上的元素存在,电负度较小的元素会带部分正电,对电子的束缚能较高,分析 $$E_b$$ 的化学位移就可以判断这原子的化学环境。

样品的电子被激发后失去电子,样品带正电,对于导电性不好的样品会在后续的激发过程出现误差,侦测到的光电子动能会比原本小,因此 ESCA 配有电子枪 (electron flood gun) 补充低能量的电子到样品上,平衡样品的净电量,但是这个步骤会产生一些误差,影响光电子的动能,算在功函数中。3

图谱判读

每个电子轨域都有不同能量,能从测得的束缚能,判断电子组态,并且藉由量子力学中的自旋轨道分裂 (spin-orbit splitting) 来判读图谱。3

特性

能量分析器

XPS 使用的能量分析器是球面扇状型 (spherical sector analyzer) ,两片带有相反电性的平行球面极板,光电子在电场中飞行,唯有特定能量的电子能到达侦测器,其他能量的电子因为无法在电场中平衡,撞到极板变成中性。

X射线光电子能谱仪

图二、球面能量分析器(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

放大讯号

$$1.$$ 透过单通道电子倍增管 (single channel electron multiplier) 放大讯号,通道内有许多倍增电极 (dynode) ,每个倍增电极依照电压从小到大排列,电子就会顺着通道依序击中倍增电极,每一次撞击能产生一到三个二次电子,多次撞击产生很多二次电子放大讯号。4

X射线光电子能谱仪

图三、单通道电子倍增管(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

$$2.$$ 微通道板 (microchannel plate, MCP) 也是一种讯号放大器,原理相同,但构造是由很小的导电玻璃毛细管阵列组成 2D 构造的薄片。

X射线光电子能谱仪

图四、微通道板(图片来源:本文作者俞姿宇绘製)

纵深分析 (depth profile)

配备 $$\mathrm{Ar}$$、$$\mathrm{C_{60}}$$ 离子枪 (ion gun) 的 XPS 谱仪就可进行纵深分析,测试纵深方向的元素分布,离子枪的目的是做纵深分析或清洁样品表面,为一种低损害溅击纵深分析。


参考文献


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