la espectroscopia (XPS) del fotoelectrón de la radiografía del es una técnica espectroscópica cuantitativa que mide la composición elemental, la fórmula empírica, el estado químico y el estado electrónico de los elementos que existen dentro de un material. Los espectros de XPS son obtenidos irradiando un material con una viga de radiografías mientras que simultáneamente miden la energía cinética (KE) y el número de electrones que se escapen del 1 superior 10 al nanómetro del material que es analizado. XPS requiere condiciones del vacío ultraalto (UHV).
XPS es una técnica del análisis químico de la superficie del que se puede utilizar para analizar la química de la superficie de un material en su " como received" estado, o después de un cierto tratamiento por ejemplo: el fracturar, corte o el raspar en aire o UHV para exponer la química a granel, la aguafuerte de la viga de ion para limpiar algo de la contaminación superficial, la exposición al calor para estudiar los cambios debido a la calefacción, la exposición a los gases reactivos o las soluciones, exposición al implante, exposición de la viga de ion a la luz ultravioleta, por ejemplo.
XPS también se conoce como ESCA, una abreviatura para la espectroscopia de electrón del para el análisis químico .
XPS detecta todos los elementos con un número atómico ( Z ) entre los del litio ( Z =3) y Lawrencium ( Z =103). Esta limitación significa que no puede detectar el hidrógeno ( Z =1) o helio ( Z =2).
los límites de detección para la mayor parte de los elementos están en las piezas por mil gamas de . Los límites de detecciones de las piezas por millón de (PPM) son posibles, pero requieren condiciones especiales: de la concentración superficie en la parte superior o tiempo muy largo de la colección (durante la noche).
XPS se utiliza rutinario para analizar las piezas de planta de maderas de las tintas de los papeles de las pinturas de la cerámica de los vidrios de los catalizadores de los elementos de los polímeros de los semiconductores de las aleaciones del metal de los compuestos inorgánicos, maquillaje, dientes, implantes médicos, biomateriales de los huesos, el viscoso de los aceites pega los materiales modificados ion de y muchos otros.
hires.jpg|pulgar|250px|la derecha|Espectro de alta resolución para la señal del Si (2p).]]
El XPS se utiliza para medir:
composición elemental de la superficie (1– 10 nanómetro generalmente)
Fórmula empírica de materiales puros
elementos que contaminan una superficie
estado químico o electrónico de cada elemento en la superficie
uniformidad de la composición elemental a través de la superficie superior (aka, línea perfilando o trazando)
uniformidad de la composición elemental en función de la aguafuerte de la viga de ion (aka, perfilado de la profundidad)
XPS se puede realizar usar un sistema comercialmente construido de XPS, un sistema privado construido o un sincrotrón - fuente de luz basada de XPS combinada con un analizador custom designed del electrón. Los instrumentos comerciales de XPS en el año 2005 utilizaron 20 a 200 viga del micrómetro alto enfocado de las radiografías de aluminio monocromáticas de la K-alfa o una viga amplia de 10-30 milímetro (el acromático o el policromático) de las radiografías no-monocromáticas del magnesio. Algunos, los instrumentos especiales del diseño XPS pueden analizar líquidos o los gases volátiles, los materiales en el punto bajo o las temperaturas altas o los materiales en áspero 1 vacío de los torres, pero hay relativamente pocos de estos tipos de sistemas de XPS.
Porque la energía de una longitud de onda particular de la radiografía iguala una cantidad sabida, podemos determinar la energía de enlace del electrón (SER) de cada uno de los electrones emitidos usando una ecuación que se base en el trabajo del Rutherford (1914) de Ernesto: E DEL
DEL
- BINDING = E PHOTON - E KINETIC - Φ
donde está la energía el E binding del electrón emitido a partir de una configuración del electrón dentro del átomo, el E photon es la energía de los fotones de la radiografía que son utilizados, el E kinetic es la energía cinética del electrón emitido como medida por el instrumento y el Φ es la función de trabajo del espectrómetro (no el material).
Historia de XPS
En 1887, el Heinrich Rudolf Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico . Veinte años más adelante, en 1907, P. Innes experimentó con un tubo de Röntgen, las bobinas de Helmholtz, un hemisferio del campo magnético (analizador de la energía de electrón) y las placas fotográficas para registrar las vendas amplias de electrones emitidos en función de velocidad, en efecto registrando el primer espectro de XPS. Los otros investigadores, Moseley, Rawlinson y Robinson, realizaron independiente los varios experimentos que intentaban arreglar los detalles en las vendas amplias. Debido a las guerras, investigación sobre XPS vino a un alto. Después WWII, Kai Siegbahn y de su grupo en Suecia desarrolló varias mejoras significativas en el equipo y en 1954 registró el primer espectro de la resolución de alta energía XPS del cloruro sódico hendido (NaCl) que revelaba el potencial de XPS. Algunos años más adelante en 1967, Siegbahn publicó un estudio comprensivo en XPS que traía el reconocimiento inmediato de la utilidad de XPS. En cooperación con Siegbahn, el Hewlett-Packard en los E. produjo el primer instrumento monocromático comercial de XPS en 1969. Siegbahn recibió el Premio Nobel Del en 1981 para reconocer sus esfuerzos extensos para desarrollar XPS en una herramienta analítica útil.
La física de XPS
Un espectro típico de XPS es un diagrama del número de electrones detectados (Y-axis, ordenada) contra la energía de enlace de los electrones detectados (X-axis, abscisa). Cada elemento produce un sistema característico de picos de XPS en los valores característicos de la energía de enlace que identifican directo cada elemento en que existir o en la superficie del material que es analizado. Estos picos característicos corresponden a la configuración de los electrones dentro de los átomos, e., 1s, 2s, 2p, 3s, etc. El número de electrones detectados en cada uno de los picos característicos se relaciona directo con la cantidad de elemento dentro del área (volumen) irradiada. Para generar valores atómicos del porcentaje, cada señal cruda de XPS debe ser corregida dividiendo su intensidad de la señal (número de electrones detectados) por un " factor" relativo de la sensibilidad; (RSF) y normalizado sobre todos los elementos detectó.Para contar el número de electrones en cada valor de KE, con el mínimo de error, XPS se debe realizar bajo condiciones del vacío ultraalto (UHV) porque el electrón que cuenta detectores en instrumentos de XPS es típicamente un metro lejos del material irradiado con las radiografías.
Es importante observar que XPS detecta solamente esos electrones que se han escapado realmente en el vacío del instrumento. Los electrones foto-emitidos que se han escapado en el vacío del instrumento son los que originaron dentro de los 10 superiores a 12 nanómetro del material. Todos los electrones foto-emitidos más profundos, que fueron generados como las radiografías penetraron 1– 5 micrómetros del material, se recobran o se atrapan en varios estados emocionados dentro del material. Para la mayoría de los usos, es, en efecto, una técnica no destructiva que mide la química superficial de cualquier material.
Componentes de un sistema de XPS
Los componentes principales de un sistema de XPS incluyen:Una fuente de radiografías
Un compartimiento del acero inoxidable del vacío ultraalto ( UHV ) con las bombas de UHV
Una lente de la colección del electrón
Un analizador de la energía de electrón
El blindar del campo magnético del Mu-metal
Un sistema del detector electrónico
Un compartimiento moderado de la introducción de la muestra del vacío
Montajes de la muestra
Una etapa de la muestra
Un sistema de manipulantes de la etapa.
Las radiografías de aluminio monocromáticas de la K-alfa son producidas normalmente difractando y enfocando una viga de radiografías no-monocromáticas apagado de un disco fino del cuarzo natural, cristalino con un enrejado de <1010>. La longitud de onda resultante es 8.83386 nanómetros) que corresponde a una energía del fotón del eV 1486. La anchura de energía de las radiografías monochromated es 0.16 eV, pero el analizador común de la energía de electrón (espectrómetro) produce una última resolución de energía en la pedido de 0.25 eV que, en efecto, sea la última resolución de energía de la mayoría de los sistemas comerciales. Al trabajar bajo condiciones diarias, la resolución de alta energía típica (FWHM) es generalmente 0.
las radiografías No-monocromáticas del magnesio tienen una longitud de onda de 9.989 nanómetros) que corresponda a una energía del fotón del eV 1253. La anchura de energía de la radiografía non-monochromated es áspero 0.70 eV, que, en efecto es la última resolución de energía de un sistema usar radiografías no-monocromáticas. las fuentes No-monocromáticas de la radiografía no difractan hacia fuera las otras energías próximas de la radiografía y también no permiten la gama completa de las radiografías de Bremsstrahlung de la alta energía (1– 12 keV) para alcanzar la superficie. La última resolución de alta energía típica (FWHM) para esta fuente es 0.0, que incluye con el ensanchamiento espectrómetro-inducido, los ajustes de la pasar-energía y la pico-anchura del magnesio no-monocromático radiografía fuente.
Aplicaciones y capacidades
El XPS se utiliza rutinario para determinar: qué elementos y la cantidad de esos elementos que están presentes dentro de ~10 nanómetro de la superficie de la muestraqué contaminación, eventualmente, existe en la superficie o el bulto de la muestra
fórmula empírica de un material que está libre de la contaminación superficial excesiva
la identificación de estado química de uno o más de los elementos en la muestra
la energía de enlace (BE) de uno o más estados electrónicos
el grueso de uno o más capas delgadas (1– 8 nanómetro) de diversos materiales dentro de los 10 superiores nanómetro de la superficie
la densidad de estados electrónicos
Capacidades de sistemas avanzados
uniformidad de la medida de la composición elemental a través de la tapa el superficial (aka, línea perfilando o trazando)uniformidad de la medida de la composición elemental en función de la profundidad por la aguafuerte de la viga de ion (aka, perfilado de la profundidad)
uniformidad de la medida de la composición elemental en función de la profundidad inclinando la muestra (el aka, pesca XPS con caña resolved)
Industrias que utilizan XPS
Adherencia, agricultura, automotora, batería, bebida, Biotech, conservando, catalizador, de cerámica, Producto químico, computadora, cosmético, electrónica, ambiental, telas, alimento, pilas de combustible, geología, Vidrio, laser, iluminación, lubricación, memoria magnética, mineralogía, explotación minera, nuclear, empaquetando, Papel y madera, galjanoplastia, polímero y plástico, impresión, grabación, semiconductor, acero, materias textiles, Capa Thin-film, soldadura
Límites rutinarios de XPS
Exactitud cuantitativa
La exactitud cuantitativa depende de varios parámetros por ejemplo: S/N, intensidad máxima, exactitud de los factores relativos de la sensibilidad, corrección para la homogeneidad del función de transmisión del electrón, superficial del volumen, la corrección para la dependencia de energía de la trayectoria libre mala del electrón, y el grado de degradación de la muestra debido al análisis.Bajo condiciones óptimas, la exactitud cuantitativa de los valores del átomo de los % calculados de los picos del comandante XPS del es 90-95% de los valores del átomo de los % de cada pico importante. Si se utiliza un protocolo de alto nivel del control de calidad, la exactitud puede ser mejorada más a fondo.
Bajo trabajo rutinario condiciona, donde está una mezcla la superficie de contaminación y de material previsto, la exactitud se extiende a partir de la 80-90% del valor divulgado en de los valores del átomo %.
La exactitud cuantitativa para el XPS más débil señala, eso tiene intensidades máximas 10-20% de la señal más fuerte, es 60-80% del valor verdadero.
Duraciones de análisis
1– 10 minutos para una exploración del examen que mide la cantidad de todos los elementos, 1– 10 minutos para las exploraciones de la resolución de alta energía que revelan diferencias químicas del estado, 1– 4 horas para un perfil de profundidad ese miden 4– 5 elementos en función de la profundidad grabada al agua fuerte (la profundidad final generalmente es 1.000 el nanómetro)
Límites de detección
0.0 átomo pieza de % (0.1 atom% = 1 por mil = 1. El último límite de detección para la mayoría de los elementos es aproximadamente 100 PPM, que requiere 8– 16 horas.)
Límites de área del análisis
El área del análisis depende de diseño del instrumento. El área mínima del análisis se extiende a partir del 10 a 200 micrómetros. El tamaño más grande para una viga monocromática de radiografías es 1– 5 milímetros. las vigas No-monocromáticas son 10– 50 milímetros de diámetro. Los niveles espectroscópicos de la resolución de la imagen de 200 nanómetro o abajo se han alcanzado en los últimos instrumentos de la proyección de imagen XPS usar la radiación de sincrotrón como souce de la radiografía.
Límites del tamaño de muestra
Instrumentos más viejos aceptan muestras: 1x1 a 3x3 cm. Los sistemas muy recientes pueden aceptar las obleas llenas y las muestras de 300 milímetros que son 30x30 cm.
Degradación durante análisis
Depende de la sensibilidad del material a la longitud de onda de las radiografías usadas, a la dosis total de las radiografías, a la temperatura de la superficie y al nivel del vacío. Los metales, las aleaciones, la cerámica y la mayoría de los vidrios mensurable no son degradados por las radiografías no-monocromáticas o monocromáticas. Algunos, pero no todos, los polímeros, los catalizadores, ciertos compuestos alto oxigenados, los varios compuestos inorgánicos y la materia orgánica fina son degradados por fuentes monocromáticas o no-monocromáticas de la radiografía.las fuentes No-monocromáticas de la radiografía producen una cantidad significativa de las radiografías de Bremsstrahlung de la alta energía (1– 15 keV de energía) cuáles degradan directo la química superficial de varios materiales. las fuentes No-monocromáticas de la radiografía también producen una cantidad significativa del calor (100 a el °C) 200 en la superficie de la muestra porque el ánodo que produce las radiografías es típicamente solamente 1 a 5 cm lejos de la muestra. Este nivel de calor, cuando está combinado con las radiografías de Bremsstrahlung, actúa sinérgico para aumentar la cantidad y el índice de degradación para ciertos materiales. Fuentes monocromáticas de la radiografía, porque son lejanos (50– 100 cm) de la muestra, no producen ninguna efectos de calor. Las fuentes monocromáticas de la radiografía son monocromáticas porque el sistema del monocromador del cuarzo difractó las radiografías de Bremsstrahlung fuera de la viga de radiografía que significa que la muestra ve solamente una energía de la radiografía, por ejemplo: 1.486 keV si se utilizan las radiografías de aluminio de la K-alfa.
Porque el vacío quita los varios gases (eg. O2, CO) y líquidos (eg. agua, alcohol, solventes) dentro de los cuales fueron atrapados inicialmente o en la superficie de la muestra, la química y la morfología de la superficie continuarán cambiando hasta que la superficie alcance un de estado estacionario. Este tipo de degradación es a veces difícil de detectar.
Materiales analizados rutinario por XPS
Los compuestos inorgánicos, metal alean, los semiconductores, polímeros, elementos puros, catalizadores, vidrios, cerámica, pinturas, papeles, tintas, maderas, piezas de planta, maquillaje, dientes, huesos, implantes humanos, biomateriales, aceites viscosos, pegan, los materiales modificados ion
Los productos químicos orgánicos no son analizados rutinario por XPS porque son degradados fácilmente por la energía de las radiografías o el calor de fuentes no-monocromáticas de la radiografía.
Detalles del análisis
Técnicas de la remuneración de la carga
Arma de inundación del electrón del haz electrónico de la baja tensión (eV 1-20)Luz UV
Viga de ion del argón de la baja tensión con el haz electrónico de la baja tensión (eV 1-10)
Máscara de la abertura
Pantalla de acoplamiento con el haz electrónico de la baja tensión
Preparación de la muestra
Dirección de la muestraLimpieza de la muestra
Montaje de la muestra
De proceso de datos
Carga que se refiere a aisladores
PautasUsar C 1s ESTÉ de los componentes del hidrocarburo (las mitades)
Pico-guarnición
PautasFWHM típico
Métodos relacionados
UPS, espectroscopia ultravioleta del fotoelectrón (para los gases, el PES del aka)PES, espectroscopia de la fotoemisión (para las superficies sólidas, UPS del aka)
ZEKE, espectroscopia cero de la energía cinética del electrón
AES, espectroscopia de electrón de taladro (AES)
Lectura adicional
los manuales anotados de los espectros monocromáticos de XPS, pdf del
de los volúmenes 1 y 2, B.Crist, publicaron por LLC internacional de XPS, 2005, Mountain View, CA, los E.
Los manuales del de los espectros monocromáticos de XPS, volúmenes 1-5, B.Crist, publicaron por LLC internacional de XPS, 2004, Mountain View, CA, los E.
Análisis superficial del por la espectroscopia, ed de Auger y del fotoelectrón de la radiografía.Briggs, publicados por IM las publicaciones, 2003, Chichester, Reino Unido
Análisis superficial práctico del por la espectroscopia, 2da edición, ed de Auger y del fotoelectrón de la radiografía.Briggs, publicados por Wiley y Sons, 1992, Chichester, Reino Unido
Análisis superficial práctico del por la espectroscopia, ed de Auger y del fotoelectrón de la radiografía.Briggs, publicados por Wiley y Sons, 1983, ISBN 0-471-26279-X de Chichester, Reino Unido
Análisis químico superficial del -- Vocabulario, ISO 18115: 2001, organización de estándares internacionales (ISO), TC/201, Suiza, * el manual del de la espectroscopia, J.Bomben del fotoelectrón de la radiografía, publicó por Perkin-Elmer Corp., 1992, pradera de Eden, manganeso, los E.
El manual del de la espectroscopia, C.Mullenberg del fotoelectrón de la radiografía, publicó por Perkin-Elmer Corp., 1979, pradera de Eden, manganeso, los E.
Ver también
Espectroscopia de la fotoemisiónEspectroscopia ultravioleta del fotoelectrón
Lista de los métodos de análisis de materiales
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