XPS样品制备

2023-02-10
铄思百检测
XPS 样品制备

XPS, 全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱），是一种使用电子谱仪测量X-射线光子辐照时样品表面所发射出的光电子和俄歇电子能量分布的方法。通过收集在入射X光作用下，从材料表面激发的电子能量、角度、强度等信息对材料表面进行定性、定量和结构鉴定的表面分析方法。
X射线能谱仪对分析的样品有特殊的要求在通常情况下只能对固体样品进行分析。由于涉及到样品在真空中的传递和放置待分析的样品一般都需要经过一定的预处理。
XPS系统的主要组件包括：
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元素范围：XPS元素分析范围Li-U，只能测试无机物质，不能测试有机物物质，检出限0.1%，原则上可以测定元素周期表上除氢、氦以外的所有元素。
原理：X射线光电子能谱的理论依据就是爱因斯坦的光电子发散公式。
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主要功能及应用有三方面:
第一，   可提供物质表面几个原子层的元素定性、定量信息和化学状态信息；
第二，   可对非均相覆盖层进行深度分布分析，了解元素随深度分布的情况；
第三，   可对元素及其化学态进行成像，给出不同化学态的不同元素在表面的分布图像等。
应用实例：
例一（元素及其化学态进行成像)
硅晶体表面薄膜的物相分析对薄膜全扫描分析得下图，含有Zn和S元素，但化学态未知。
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为得知Zn和S的存在形态，对Zn的最强峰进行窄扫描，其峰位1022eV比纯Zn峰1021.4eV更高，说明Zn内层电子的结合能增加了，即Zn的价态变正，根据含有S元素并查文献中Zn的标准谱图，确定薄膜中Zn是以ZnS的形式存在的。
样品要求：

  • 无磁性，无放射性，无毒性，无挥发性物质（如单质Na,K,S,P,Zn,Se,

    As,I,Te,Hg或者有机挥发物）；

  • 样品要充分干燥；

  • 厚度小于2mm；

  • 固体薄膜或块状固体样品切割成面积大小为5mm ╳ 8mm;

  • 粉末样品最好压片（直径小于8mm），如无法成型，粉末要研细，且不少于0.1g 。

注意事项：

  • 样品分析面确保不受污染，可使用分析纯的异丙醇，丙酮，正己烷，或三氯甲烷溶液清洗以达到清洁要求；

  • 使用玻璃制品或铝箔盛放样品，以免硅树脂或纤维污染样品表面；

  • 制备或处理样品是使用聚乙烯手套，以免硅树脂污染样品表面。

不同的XPS样品：
（1）粉体样品
   对于粉体样品有两种常用的制样方法。

  • (a) 用双面胶带直接把粉体固定在样品台上；

  • (b) 把粉体样品压成薄片然后再固定在样品台上。

两者优点和缺点：
   方法（a）的优点是制样方便样品用量少，预抽到高真空的时间较短。
缺点是可能会引进胶带的成分。
   方法（b）的优点是可以在真空中对样品进行处理如加热，表面反应等其信号强度也要比胶带法高得多。
缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长。
在普通的实验过程中，一般采用胶带法制样。
（2）含有有挥发性物质的样品
在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。一般可以通过对样品加热或用溶剂清洗等方法。
（3）表面有污染的样品
对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前必须用油溶性溶剂如环己烷、丙酮等清洗掉样品表面的油污。最后再用乙醇清洗掉有机溶剂为了保证样品表面不被氧化、一般采用自然干燥。
（4）带有微弱磁性的样品
一般对于具有弱磁性的样品可以通过退磁的方法去掉样品的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样分析。

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粉末样品压片（胶带法）具体操作步骤：
1、 准备干净的铝箔（＞1 cm×1cm） ，用丙酮将其表面擦拭干净。剪约1 cm×1cm 的双面胶带贴在铝箔中心位置。
2、将样品铺在双面胶带上，并用干净的不锈钢取样勺将粉末均匀铺满整个胶带，尽量薄。
3、 取另一片用丙酮擦拭干净的铝箔覆盖住样品。
4、将铝箔+样品放置于两块平整的不锈钢模块中间，准备压片 。

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图11   XPS样品制备
5、将不锈钢模块+样品放置在压片机的平台上，左手固定住不锈钢块以免其移动，右手顺时针将压柱旋下压紧模块（压机上方） 。
6、顺时针旋紧放油旋钮(压机前方旋钮)，拉动右侧压杆，将压力升至至约10MPa，保持十几秒。
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图12   样品压片
7、卸压时先逆时针旋松放油旋钮，再逆时针将压柱旋松，从压片机上取下不锈钢模块+样品。
8、将覆盖住样品的铝箔去掉，轻轻磕一下粘有样品的铝箔，磕掉表面残余的粉末。
9、沿压制好的样品四周剪去铝箔，制成～1 cm×1cm 的压片样品，等待测试。

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图13   样品制备完成


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