蔣　棟　張　帆

(1.華東理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，上海 200237；2.華東師范大學(xué) 化學(xué)系，上海 200241)

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磁透鏡對(duì)XPS分析測(cè)試的影響

蔣棟1張帆2

(1.華東理工大學(xué) 分析測(cè)試中心，上海 200237；2.華東師范大學(xué) 化學(xué)系，上海 200241)

摘要：在X射線光電子能譜(XPS)分析測(cè)試中使用不同的X射線源作為激發(fā)源時(shí)，磁透鏡的使用對(duì)于XPS的光電子計(jì)數(shù)率和光電子接收面積會(huì)產(chǎn)生不同的影響。同時(shí)，除了光電子計(jì)數(shù)率和光電子接收面積外，磁透鏡的使用對(duì)于導(dǎo)電樣品的XPS分析測(cè)試沒(méi)有明顯影響。但在對(duì)絕緣樣品進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，磁透鏡的使用決定了絕緣樣品表面荷電中和的方式。

關(guān)鍵詞：XPS；磁透鏡；X射線源

1引 言

在X射線光電子能譜(XPS)分析測(cè)試中，光電子的立體接收角的大小直接關(guān)系到光電子信號(hào)的強(qiáng)弱和儀器的靈敏度，而傳統(tǒng)的靜電透鏡的光電子立體接收角通常比較小，造成了XPS能譜儀的靈敏度低下，特別是小面積XPS分析測(cè)試的靈敏度。因此，在現(xiàn)代XPS能譜儀中，為了提高儀器的靈敏度，在樣品下方設(shè)置了一個(gè)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的磁透鏡，該磁透鏡產(chǎn)生的磁場(chǎng)是受控制的，對(duì)XPS能譜儀的電子光學(xué)性質(zhì)沒(méi)有影響。該磁透鏡有極低的球面象差，可以在其磁場(chǎng)的作用下對(duì)光電子進(jìn)行聚焦，增大光電子的立體接收角，提高光電子信號(hào)的強(qiáng)度，從而提高XPS能譜儀的靈敏度[1-16]。

但是通過(guò)大量的XPS分析測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)在使用不同的X射線源作為激發(fā)源以及使用不同的絕緣樣品表面荷電中和方法時(shí)，磁透鏡的使用會(huì)對(duì)XPS分析測(cè)試產(chǎn)生不同的影響，例如：光電子計(jì)數(shù)率、光電子接收面積、絕緣樣品的表面荷電中和效果等。這些影響不僅可以使XPS譜峰的峰形和峰強(qiáng)發(fā)生變化，還可以使譜峰的位置發(fā)生明顯的位移。因此，對(duì)磁透鏡的使用對(duì)XPS分析測(cè)試的影響有一個(gè)正確的認(rèn)知，是得到正確的XPS分析測(cè)試結(jié)果的重要保證。本文將就磁透鏡的使用對(duì)XPS分析測(cè)試的影響進(jìn)行分析和討論。

2實(shí) 驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)中所使用的XPS能譜儀為Thermo Scientific公司所生產(chǎn)的ESCALAB 250Xi。該能譜儀在樣品的下方設(shè)置了一個(gè)磁透鏡，該磁透鏡為可關(guān)閉的。激發(fā)源為微聚焦單色化Al KαX射線源和大束斑非單色化Al KαX射線源。荷電中和系統(tǒng)為位于樣品正上方的一個(gè)同軸荷電中和槍和位于樣品側(cè)面的一個(gè)離軸荷電中和槍。實(shí)驗(yàn)中使用微聚焦單色化Al KαX射線源作為激發(fā)源時(shí)，X射線的光斑直徑為250μm，大束斑非單色化Al KαX射線源的光斑直徑約為5mm。絕緣樣品聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)用雙面絕緣膠帶固定于樣品臺(tái)上，導(dǎo)電樣品Al箔用雙面導(dǎo)電膠帶固定于樣品臺(tái)上，樣品臺(tái)為不銹鋼材質(zhì)，處于接地狀態(tài)。Al箔在進(jìn)行XPS分析測(cè)試前用Ar+進(jìn)行表面清潔以去除表面氧化物，清潔區(qū)域直徑為1.25mm。對(duì)Al箔進(jìn)行XPS分析測(cè)試和使用大束斑非單色化Al KαX射線源作為激發(fā)源進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，不使用荷電中和槍。本實(shí)驗(yàn)所有XPS能譜圖均未進(jìn)行荷電校正，XPS能譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　XPS能譜儀結(jié)構(gòu)圖

3結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)選用導(dǎo)電的Al箔和絕緣的PET作為XPS分析測(cè)試的樣品，激發(fā)源為微聚焦單色化Al KαX射線源和大束斑非單色化Al KαX射線源，荷電中和系統(tǒng)為同軸荷電中和槍和離軸荷電中和槍，以此來(lái)系統(tǒng)地研究磁透鏡對(duì)XPS分析測(cè)試的影響。

3.1　磁透鏡對(duì)大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源進(jìn)行XPS分析測(cè)試的影響

從圖2中可以看到，使用大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源時(shí)，磁透鏡的開(kāi)啟與否對(duì)于導(dǎo)電樣品Al箔表面的單質(zhì)Al的Al2p峰的峰位及峰形沒(méi)有明顯影響，這主要是由于Al箔是導(dǎo)電樣品，在進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)無(wú)需進(jìn)行荷電中和。但是，當(dāng)開(kāi)啟磁透鏡時(shí)，在Al箔表面檢測(cè)到的Al的氧化物的含量要低于不開(kāi)啟磁透鏡時(shí)。這一結(jié)果表明當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，光電子的接收面積較小，進(jìn)入到分析器中的光電子大部分來(lái)自于經(jīng)過(guò)表面清潔的區(qū)域。當(dāng)磁透鏡關(guān)閉時(shí)，光電子的接收面積較大，進(jìn)入到分析器中的光電子來(lái)自于經(jīng)過(guò)表面清潔的區(qū)域和外圍沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面清潔的區(qū)域兩部分。因此，當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，在Al箔表面檢測(cè)到的Al的氧化物的含量較低。而當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，光電子接收面積的減小是由磁透鏡的作用原理和結(jié)構(gòu)所決定的。

從圖3中可以看到，使用大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源，對(duì)絕緣樣品PET進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，磁透鏡的開(kāi)啟與否對(duì)于分析測(cè)試結(jié)果有著顯著的影響。當(dāng)磁透鏡關(guān)閉時(shí)，PET的C1s峰的峰位及峰形是正常的。但是當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，PET的C1s峰消失了。從PET的XPS寬掃圖中可以看到，當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，PET的C1s峰發(fā)生了+45ev左右的位移。這是由于絕緣樣品在進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，樣品表面光電子的出射使樣品表面形成正電勢(shì)，該正電勢(shì)可降低后續(xù)發(fā)射的光電子的動(dòng)能，使光電子峰向高結(jié)合能端移動(dòng)。因此，在對(duì)絕緣樣品進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，需要提供低能電子對(duì)絕緣樣品表面進(jìn)行荷電中和。當(dāng)使用非單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源時(shí)，X射線的韌致輻射在通過(guò)X射線源鋁窗時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的低能電子，可以很好地對(duì)絕緣樣品的表面進(jìn)行荷電中和。但是當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，由于磁力線與鋁窗所產(chǎn)生的低能電子射向樣品表面的方向成一定角度，磁場(chǎng)與低能電子之間的相互作用改變了低能電子的運(yùn)動(dòng)方向，使其難以到達(dá)絕緣樣品表面，無(wú)法起到荷電中和作用，從而使光電子峰向高結(jié)合能端移動(dòng)。

圖2　Al箔的Al2p窄掃圖a.磁透鏡不開(kāi)啟；b.磁透鏡開(kāi)啟

圖3　PET的XPS譜圖a.磁透鏡不開(kāi)啟；b.磁透鏡開(kāi)啟;1.寬掃圖;　　 　2.C1s窄掃圖

3.2　磁透鏡對(duì)微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源進(jìn)行XPS分析測(cè)試的影響

從圖4中可以看到，使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源時(shí)，磁透鏡的開(kāi)啟與否對(duì)于導(dǎo)電樣品Al箔的Al2p峰的峰位及峰形同樣沒(méi)有明顯影響，而在Al箔表面檢測(cè)到的Al的氧化物的含量也沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。這是由于使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源時(shí)，光電子的接收面積取決于X射線光斑的大小，此時(shí)進(jìn)入到分析器中的光電子都來(lái)自于經(jīng)過(guò)表面清潔的區(qū)域。

當(dāng)使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發(fā)源，對(duì)絕緣樣品PET進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，X射線源所產(chǎn)生的低能電子被單色器所過(guò)濾，不能對(duì)絕緣樣品表面進(jìn)行荷電中和，因此需要外加荷電中和槍進(jìn)行荷電中和。該XPS能譜儀中配置了兩個(gè)荷電中和槍，一個(gè)是位于樣品正上方的同軸荷電中和槍，

另一個(gè)是位于樣品側(cè)面的離軸荷電中和槍。當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，僅使用離軸荷電中和槍進(jìn)行絕緣樣品表面的荷電中和是無(wú)法達(dá)到良好的荷電中和效果的(圖5a)，這同樣是由于磁力線與離軸荷電中和槍所產(chǎn)生的低能電子射向樣品表面的方向成一定角度，磁場(chǎng)與低能電子之間的相互作用會(huì)改變低能電子的運(yùn)動(dòng)方向，使其無(wú)法到達(dá)樣品表面起到荷電中和作用。而使用同軸荷電中和槍則不存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)榇帕€與同軸荷電中和槍所產(chǎn)生的低能電子射向樣品表面的方向是一致的。因此，當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，只有使用同軸荷電中和槍才能對(duì)絕緣樣品表面進(jìn)行良好的荷電中和(圖5b)。

圖4　Al箔的Al2p窄掃圖a.磁透鏡不開(kāi)啟；b.磁透鏡開(kāi)啟

圖5　PET的XPS譜圖a.離軸中和槍；b.同軸中和槍;1.寬掃圖;　　2.C1s窄掃圖

當(dāng)磁透鏡不開(kāi)啟時(shí)，沒(méi)有了磁場(chǎng)對(duì)低能電子運(yùn)動(dòng)方向的干擾，使用同軸荷電中和槍和離軸荷電中和槍都可以對(duì)絕緣樣品表面進(jìn)行良好的荷電中和，但相比較而言使用離軸荷電中和槍效果更好，這可能是由于離軸荷電中和槍的荷電中和面積更大(圖6)。

圖6　PET的C1s窄掃圖a.離軸中和槍；b.同軸中和槍

3.3　磁透鏡對(duì)XPS光電子計(jì)數(shù)率的影響

從圖2中可以看到，當(dāng)使用大束斑非單色化Al Kα X射線源時(shí)，磁透鏡的開(kāi)啟會(huì)使Al2p的光電子計(jì)數(shù)率下降，這是由于磁透鏡雖然提高了光電子的立體接收角，但同時(shí)也降低了光電子的接收面積，從而導(dǎo)致了Al2p的光電子計(jì)數(shù)率下降。當(dāng)使用微聚焦單色化Al Kα X射線源時(shí)，光電子的接收面積取決于X射線光斑的大小，磁透鏡的開(kāi)啟提高了光電子的立體接收角，從而提高Al2p的光電子計(jì)數(shù)率(圖4)。

4結(jié)論

在以不同的X射線源作為激發(fā)源時(shí)，磁透鏡的使用可以對(duì)XPS分析測(cè)試產(chǎn)生不同的影響。當(dāng)使用大束斑非單色化Al Kα X射線源時(shí)，磁透鏡的使用雖然可以提高光電子的立體接收角，但也降低了光電子的接收面積，從而使光電子的計(jì)數(shù)率下降。除了光電子的接收面積和光電子的計(jì)數(shù)率外，磁透鏡的使用對(duì)于導(dǎo)電樣品的XPS分析測(cè)試基本沒(méi)有影響。但對(duì)絕緣樣品進(jìn)行XPS分析測(cè)試時(shí)，則不能開(kāi)啟磁透鏡，否則絕緣樣品表面的正電勢(shì)得不到良好的荷電中和，會(huì)造成光電子峰向高結(jié)合能端移動(dòng)。

當(dāng)使用微聚焦單色化Al Kα X射線源時(shí)，光電子的接收面積取決于X射線光斑的大小，磁透鏡的使用可以提高光電子的立體接收角，從而提高光電子的計(jì)數(shù)率。除了光電子的計(jì)數(shù)率外，磁透鏡的使用對(duì)于導(dǎo)電樣品的XPS分析測(cè)試同樣基本沒(méi)有影響。但對(duì)于絕緣樣品的XPS分析測(cè)試而言，磁透鏡的使用決定了絕緣樣品表面荷電中和的方式。當(dāng)磁透鏡開(kāi)啟時(shí)，必須使用同軸荷電中和槍對(duì)絕緣樣品表面進(jìn)行荷電中和才能達(dá)到良好的荷電中和效果。而當(dāng)磁透鏡不開(kāi)啟時(shí)，使用離軸荷電中和槍的荷電中和效果更好。

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2015年3月10日

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參加人員：各用戶單位及欲購(gòu)儀器的單位的代表1-2人。特別注意：本次會(huì)議場(chǎng)地有限，限額 60 人，報(bào)滿為止。

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研究與討論

Influence of magnetic lens on XPS analysis.

JiangDong1,ZhangFan2

(1.CenterofAnalysisandTest,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Shanghai200237,China;2.DepartmentofChemistry,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200241,China)

Abstract:According to the kind of X-ray source used in X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, the use of the magnetic lens had different influence on the count rate and the acceptance area of photoelectron in XPS analysis. Except the influence above-mentioned, the use of the magnetic lens had no other obvious influence on XPS analysis of conductive specimens. However, when the specimens were insulative, the use of the magnetic lens determined the method of the surface charge compensation.

Key words：XPS; magnetic lens; X-ray source

收稿日期：2014-09-19

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.02.012

作者簡(jiǎn)介：蔣棟，男，1982年出生，工程師，研究方向：固體材料表面分析,E-mail: ecustxps@126.com。

基金項(xiàng)目：上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(13142201200)；國(guó)家自然科學(xué)基金(21275054)