30
Surface Analysis Methods Xray Photoelectron Spectroscopy

Materials Lecture - Xps

Embed Size (px)

DESCRIPTION

XPS

Citation preview

Page 1: Materials Lecture - Xps

Surface  Analysis  Methods  X-­‐ray  Photoelectron  Spectroscopy  

Page 2: Materials Lecture - Xps

Outline  • Photoelectric  Effect  

•  Instrumenta8on  •  X-­‐ray  source  •  Electron  energy  analyzer  •  Ar  ion  gun  •  Neutralizer  •  Vacuum  system  

• XPS  Examples  

Page 3: Materials Lecture - Xps

Photoelectric  Effect  

Light  striking  a  surface  causes  electron  excita8on    Einstein,  Nobel  Prize  1921  

Photoelectric  effect  as  an  analy8cal  tool    Kai  Siegbahn,  Nobel  Prize  1981  

Page 4: Materials Lecture - Xps

X-­‐ray  hv  1253.6  eV  

e-­‐  e-­‐  Ek  =  kinetic  energy                  of  electrons  

e-­‐  

Eb  

core  electrons  

Ev  

valence  electrons  

hv  

Ek  =  hv-­‐B.E.-­‐Φ  

410   408   406   404   402   400   398  

3000  

4000  

5000  

6000  

Counts  

Binding  Energy,  eV  

-­‐NO2   -­‐NH2  

High  Res  Scan  

1000   800   600   400   200   0  0  

5000  

10000  

15000  

Counts  

Binding  Energy,  eV  

F1S  

O1S  

N1S  

C1S  Survey  Scan  

B.E.  =  hv-­‐Ek-­‐Φ  

X-­‐ray  Photoelectron  Spectroscopy    

Page 5: Materials Lecture - Xps

Photoemission  Photoemission  can  be  thought  of  as  three  steps    (a)  Photon  absorp8on  and  ioniza8on  (ini8al  state  effects)  

(b)  Response  of  atom  and  crea8on  of  photoelectron  (final  state  effects)  

(c)  Transport  of  electron  to  the  surface  (extrinsic  effects)  

Page 6: Materials Lecture - Xps

X-­‐ray  hv  1253.6  eV  

e-­‐  e-­‐  

e-­‐  e-­‐  

10  nm  

inelastic  scattering  

Core  level  electrons  that  have  lost  KE  due  to  collisions  within    sample     600   400   200   0  0  

5000  

10000  

15000  

Counts  

Binding  Energy,  eV  

Photoelectron  Escape  Depth  

Page 7: Materials Lecture - Xps

 Photoelectrons  Auger  electrons  

X-­‐rays    

Auger  process  and  x-­‐ray  photon  emission  •  Low  atomic  number  elements,  the  most  probable  transi8ons  occur  when  a  K-­‐level  electron  is  ejected  by  the  primary  beam,  an  L-­‐level  electron  drops  into  the  vacancy,  and  another  L-­‐level  electron  is  ejected  (KLL)  

•  Higher  atomic  number  elements  have  LMM  and  MNN  transi8ons  that  are  more  probable  than  KLL.  

Page 8: Materials Lecture - Xps

Chemical  Effects  in  XPS  Chemical  ShiV:  The  change  in  binding  energy  of  a  core  electron  of  an  element  due  to  a  change  in  the  chemical  bonding  environment  of  that  element  

Withdrawal  of  electron  charge    Addi8on  of  electron  charge  

Increased  B.E.    Decreased  B.E.  

Page 9: Materials Lecture - Xps

XPS  Schematic  

•  X-­‐ray  source  •  Electron  energy  analyzer  •  Ar  ion  gun  •  Neutralizer  •  Vacuum  system  

Page 10: Materials Lecture - Xps

XPS  -­‐  source  X-­‐ray  anode  like  SAXS  

•  Al,  Mg  or  Ag  radia8on  

Can  also  use  synchrotron  radia8on  

Page 11: Materials Lecture - Xps

Spatial  Resolution  Two  ways  to  create  spa8ally  resolved  photoelectron  map  of  a  surface  

•  Focus  your  X-­‐rays  (difficult)  •  Focus  your  photoelectrons  (easier)  

Page 12: Materials Lecture - Xps

Focusing  Electrons  Much  like  electron  microscopy,  apertures  and  lenses  are  used  to  focus  electrons  

Page 13: Materials Lecture - Xps

Imaging  XPS  By  focusing  the  photoelectrons  you  can  scan  across  a  sample  much  like  SEM  

•  Can  generate  XPS  images  

Alterna8vely,  can  use  a  2D  detector  to  image  all  photoelectrons  simultaneously,  like  SAXS  

In  prac8ce  both  methods  can  be  used  

Page 14: Materials Lecture - Xps

Charge  Neutralization  Photoelectric  process  is  a  net  oxida8on,  thus  a  build  up  of  posi8ve  charge  occurs    For  a  conduc8ve  sample  this  is  negated  by  grounding  Insula8ng  samples  however  cannot  dissipate  the  charge  Sample  charging  results  in  aberra8ons  in  the  spectra  Electron  gun  can  be  used  to  alleviate  charging  problem  

Page 15: Materials Lecture - Xps

XPS  Detectors  

Delay-­‐line  detector  similar  to  SAXS  or  use  a  photomul8plier  tube  (limited  lateral  resolu8on)  

Page 16: Materials Lecture - Xps

Example:  PET  Poly-­‐ethylene-­‐terephthalate  

-­‐(-­‐O-­‐C-­‐                              -­‐C-­‐O-­‐CH2-­‐CH2-­‐)-­‐  =   =  

O   O  n  

2  2  2  3  

1  

3  2  

1  

1  

Page 17: Materials Lecture - Xps

Spin  Orbital  Splitting  Spin-­‐orbital  spli`ng  

•  For  p,  d,  f  …  orbitals  two  peaks  are  observed  

•  The  separa8on  between  peaks  is  similar  for  all  compounds  of  a  given  element  

•  Peak  area  ra8os  are  the  same  for  a  given  orbital  

Page 18: Materials Lecture - Xps

Quanti\ication  Must  account  for  inelas8cally  scabered  electrons  when  considering  baseline    Transmission  Factor  –  a  func8on  of  detec8on  efficiency  of  an  electron  in  the  analyzer  which  is  a  func8on  of  the  electron  energy    Orbital  Cross-­‐Sec8on  –  another    correc8on  based  on  the  ioniza8on  probabili8es  calculated  from  scabering  theory    In  prac8ce  the  transmission  factor  and  orbital  cross  sec8on  are  automa8cally  computed  by  the  analysis  soVware  

Page 19: Materials Lecture - Xps

Depth  Effects  

d   d  

Si  elemental  

Si  oxide  

Sample  with  different  depths  of  oxide  layers    Note  large  chemical  shiV  difference  between  SiO2  and  elemental  Si  

Page 20: Materials Lecture - Xps

Sampling  Depth  

•  Electrons  in  a  solid  have  a  finite  mean  free  path  λ  

•  For  typical  X-­‐ray  energies  (Al,  Mg)  the  depth  sampled  is  <  10  nm  

•  Thus  XPS  is  a  surface  sensi8ve  technique  

•  However,  we  may  want  to  look  deeper  or  shallower,  how  do  we  achieve  this?  

Page 21: Materials Lecture - Xps

Angle  Resolved  XPS  (ARXPS)  To  look  at  shallower  slices  we  can  rotate  the  sample  at  an  angle  to  the  detector  

Example:  Al  film  

Page 22: Materials Lecture - Xps

Depth  Pro\iling  To  go  deeper  into  the  sample  we  can  use  an  ion  gun  to  etch  away  the  top  layers  

Typically  performed  with  Ar+  ions,  energies  of  0.5-­‐5  kV  

Example  of  a  depth  profile  of  a  glass  with  a  metal  alloy  in  the  centre  

Page 23: Materials Lecture - Xps

XPS  Imaging   Photoresist  

Si  oxide  

Si  metal  

Image  by  scanning  at  a  given  B.E.  for  each  element  

Page 24: Materials Lecture - Xps

XPS  Imaging  

Can  record  spectra  at  selected  posi8ons  

Page 25: Materials Lecture - Xps

XPS  Imaging  Line  profile  generated  showing  the  loca8on  of  C,  Siox  and  Simet  

Page 26: Materials Lecture - Xps

Energy  Losses  in  XPS  Plasmon  Loss  –  In  some  materials  there  is  a  probability  of  loss  of  a  specific  amount  of  energy  due  to  interac8on  between  the  photoelectron  and  other  electrons    

b  –  bulk  plasmon  s  –  surface  plasmon  

Some  electrons  loose  energy  more  than  once  

Page 27: Materials Lecture - Xps

Energy  Losses  in  XPS  Shake  up  peaks  –  For  some  materials  the  photoelectric  process  leads  to  forma8on  of  an  ion  in  an  excited  state  instead  of  the  ground  state.    

Example:  Iden8fica8on  of  Cu  (II)  by  shake  up  peaks  

Page 28: Materials Lecture - Xps

X-­‐ray  induced  Auger  Spectroscopy  (XAES)  •  Talked  briefly  about  the  Auger  process  earlier  •  Since  it  is  simply  an  electron  our  detector  records  the  events  

Page 29: Materials Lecture - Xps

XAES  Some8mes  photoelectron  peak  is  insufficient  for  oxida8on  state  iden8fica8on  

XPS  Spectra  of  Cu2O  and  Cu  metal  

Spectra  of  Cu  LMM  peak  demonstrates  difference  

Page 30: Materials Lecture - Xps

Wagner  Plot  Wagner  introduced  a  new  parameter  to  XPS  analysis  α’,  the  Auger  parameter    

α’  =  K.E.Auger  +  B.E.Photoelectron