XPS-analyysi

Mikä on XPS?

Fotoelektronispektroskopia (eng. X-ray photoelectron spectroscopy, XPS) on tekniikka pintojen, ohutkalvojen ja pinnoitteiden kemian ja ominaisuuksien analysointiin. XPS-menetelmällä voidaan määrittää pinnan alkuainekoostumus (alkuaineet ja niiden suhteelliset pitoisuudet) sekä pinnalla olevien yhdisteiden empiiriset kaavat. Myös pintamateriaalissa olevien alkuaineiden kemialliset tilat (hapetustilat tai kemialliset ryhmät) ja elektroniset tilat (elektronikonfiguraatiot) saadaan selville.

Miten XPS toimii?

XPS-analyysin aikana näytettä säteilytetään röntgensäteillä (fotoneilla) ja osa niistä absorboituu näytteen atomeihin. Kun atomin elektroni imee tarpeeksi energiaa fotonista, se irtoaa atomista tietyllä kineettisellä energialla. Ilmaisin mittaa näytteen pinnalta työntyvien elektronien kineettiset energiat ja laskee elektronien lukumäärän jokaista mitattua kineettistä energiaa kohden. Nämä luvut edustavat ulostyöntyneiden elektronien eri kineettisten energiasignaalien intensiteettejä. Elektronit, joilla on eri energia, kulkevat eri reittejä ilmaisimen läpi, minkä ansiosta tietokone pystyy erottamaan elektronit ja muodostamaan kaavion (spektri) niiden energioista ja suhteellisista luvuista.

Tietyn elementin atomit, jotka emittoivat tietyn energian elektroneja, tuottavat omat huippunsa spektrissä. Näiden piikkien energioita ja intensiteettiä voidaan käyttää näytteen pinnan koostumuksen määrittämiseen. Kun emittoidun elektronin kineettinen energia on mitattu ja absorboituneen fotonin energia (alkuperäisten röntgensäteiden aallonpituus) tiedetään, voidaan emittoidun elektronin sitoutumisenergia määritellä matemaattisesti. Elektronin sitoutumisenergia riippuu sen atomikiertoradasta (energiatasosta) sekä alkuaineesta johon se kuuluu. Alkuaineet voidaan siten tunnistaa atomien emittoimien elektronien ominaisten sitoutumisenergioiden perusteella, ja tietyn kineettisen energian signaalin intensiteetti on verrannollinen elementin määrään.

Elektronin sitoutumisenergia ei kuitenkaan riipu pelkästään sen atomiradasta, vaan myös atomin kemiallisesta ympäristöstä. Kemiallinen ympäristö tarkoittaa kemiallisia sidoksia joihin atomi ja sen elektronit osallistuvat. Näin ollen esimerkiksi toiseen hiiliatomiin sitoutuneen hiiliatomin elektronien sitoutumisenergiat ovat hieman erilaiset kuin happiatomiin sitoutuneen hiiliatomin elektronien. Nämä pienet erot saman alkuaineen atomien elektronien välisissä sitoutumisenergioissa mahdollistavat atomien kemiallisten tilojen ja materiaalin pintakerroksessa olevien yhdisteiden empiiristen kaavojen (esim. (C_2H_6)x) määrittämisen. Nämä tiedot auttavat yhdisteen tunnistamisessa ja sen atomitason rakenteen määrittämisessä.

Mihin XPS-analyysia käytetään?

XPS:ää käytetään laajasti esimerkiksi puolijohteiden, metallien ja lasin tuotekehityksessä ja laadunvalvonnassa. Menetelmä on oivallinen materiaalin pintarakenteen tutkimiseen.

Materiaalien pinnan ominaisuudet vaikuttavat mm. materiaalin korroosionopeuksiin, katalyyttiseen aktiivisuuteen, tarttuvuusominaisuuksiin, kostuvuuteen, kosketuspotentiaaliin ja murtumismekanismeihin. Tästä johtuen materiaalin ominaisuuksia voidaan parantaa pintamuokkauksella, kun ne on ensin analysoitu syvyyden tai paksuuden funktiona XPS:llä. Siksi myös pintatekniikan tehokkuutta voidaan tarkastella XPS:llä.

Materiaalin pinnalla on erilaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet verrattuna bulkkimateriaaliin. Koska pinta on bulkkimateriaalin ja ympäristöfaasin reunalla, ylimmät pinnan atomit eivät ole kaikilta puolilta muiden atomien ympäröimiä, toisin kuin bulkkimateriaalin atomit. Tästä johtuen pinta-atomeilla on sidospotentiaali, mikä tekee niistä reaktiivisempia kuin bulkissa olevat atomit. Kun pinta-atomien ja ulkoisen ympäristön tai muun materiaalin väliset fysikaaliset ja kemialliset vuorovaikutukset kahden kerroksen rajapinnassa ymmärretään XPS:n avulla, materiaalien valmistukseen liittyvien ongelmien ratkaiseminen helpottuu huomattavasti.

Mitä eroa on XPS:n, XRF:n ja XRD:n välillä?

Kaikki kolme menetelmää käyttävät röntgensäteitä eri tavoin ja antavat hieman eri tietoa näytteestä. XPS:ssä näytteen pinnan atomit absorboivat röntgensäteitä ja emittoivat elektroneja, mutta XRF:ssä näytteen atomit sekä absorboivat että emittoivat röntgensäteitä. XRD:ssä näytteen atomit eivät absorboi röntgensäteitä lainkaan, vaan heijastavat niitä.

Kun emittoidut röntgensäteet analysoidaan XRF:ssä, voidaan tunnistaa koko näytteessä olevat alkuaineet ja määrittää niiden pitoisuudet. Samat tiedot saadaan myös XPS:llä, mutta vain näytteen pinnalta. XPS:llä voidaan päätellä pinnassa olevien yhdisteiden empiiriset kaavat, mitä ei voida tehdä XRF:llä tai XRD:llä.

XPS:ään ja XRF:ään verrattuna XRD tarjoaa enemmän tietoa materiaalin laajemmasta rakenteesta. Kun heijastuneita röntgensäteitä analysoidaan XRD:ssä, koko näytemateriaali tai sen yksittäiset komponentit voidaan tunnistaa ja komponenttien suhteelliset määrät voidaan määrittää. Myös materiaalin hiukkasten hilaparametrit sekä kristalliitin koko ja venymä voidaan mitata.

Näytevaatimukset ja esivalmistelu

XPS-analyysiin soveltuvat kiinteät näytteet, jauheet, pinnoitteet ja ohutkalvot. Näytteet voivat olla mitä tahansa tarttumattomista keittoastioiden pinnoitteista ohutkalvoelektroniikkaan ja bioaktiivisiin kerroksiin. Ennen analyysiä näyte on leikattava oikean kokoiseksi (parin senttimetrin halkaisija) ja haihtuvat komponentit on poistettava näytteestä.

Tarvitsetko XPS-analyysin?

Measurlabs tarjoaa kilpailukykyisesti hinnoiteltuja XPS-analyysejä eri toimialojen tarpeisiin. Jos sinulla on kysyttävää näytteestäsi tai sen soveltuvuudesta analysoitavaksi, asiantuntijamme auttavat aina mielellään. Voit ottaa meihin yhteyttä alla olevalla lomakkeella tai sähköpostitse osoitteessa info@measurlabs.com.