磁透鏡對XPS分析測試的影響

蔣　棟　張　帆

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

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磁透鏡對XPS分析測試的影響

蔣棟1張帆2

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

摘要：在X射線光電子能譜(XPS)分析測試中使用不同的X射線源作為激發源時，磁透鏡的使用對于XPS的光電子計數率和光電子接收面積會產生不同的影響。同時，除了光電子計數率和光電子接收面積外，磁透鏡的使用對于導電樣品的XPS分析測試沒有明顯影響。但在對絕緣樣品進行XPS分析測試時，磁透鏡的使用決定了絕緣樣品表面荷電中和的方式。

關鍵詞：XPS；磁透鏡；X射線源

1引 言

在X射線光電子能譜(XPS)分析測試中，光電子的立體接收角的大小直接關系到光電子信號的強弱和儀器的靈敏度，而傳統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分析測試的靈敏度。因此，在現代XPS能譜儀中，為了提高儀器的靈敏度，在樣品下方設置了一個經過特殊設計的磁透鏡，該磁透鏡產生的磁場是受控制的，對XPS能譜儀的電子光學性質沒有影響。該磁透鏡有極低的球面象差，可以在其磁場的作用下對光電子進行聚焦，增大光電子的立體接收角，提高光電子信號的強度，從而提高XPS能譜儀的靈敏度[1-16]。

但是通過大量的XPS分析測試，我們發現在使用不同的X射線源作為激發源以及使用不同的絕緣樣品表面荷電中和方法時，磁透鏡的使用會對XPS分析測試產生不同的影響，例如：光電子計數率、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譜峰的峰形和峰強發生變化，還可以使譜峰的位置發生明顯的位移。因此，對磁透鏡的使用對XPS分析測試的影響有一個正確的認知，是得到正確的XPS分析測試結果的重要保證。本文將就磁透鏡的使用對XPS分析測試的影響進行分析和討論。

2實 驗

本實驗中所使用的XPS能譜儀為Thermo Scientific公司所生產的ESCALAB 250Xi。該能譜儀在樣品的下方設置了一個磁透鏡，該磁透鏡為可關閉的。激發源為微聚焦單色化Al KαX射線源和大束斑非單色化Al KαX射線源。荷電中和系統為位于樣品正上方的一個同軸荷電中和槍和位于樣品側面的一個離軸荷電中和槍。實驗中使用微聚焦單色化Al KαX射線源作為激發源時，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。絕緣樣品聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)用雙面絕緣膠帶固定于樣品臺上，導電樣品Al箔用雙面導電膠帶固定于樣品臺上，樣品臺為不銹鋼材質，處于接地狀態。Al箔在進行XPS分析測試前用Ar+進行表面清潔以去除表面氧化物，清潔區域直徑為1.25mm。對Al箔進行XPS分析測試和使用大束斑非單色化Al KαX射線源作為激發源進行XPS分析測試時，不使用荷電中和槍。本實驗所有XPS能譜圖均未進行荷電校正，XPS能譜儀結構如圖1所示。

圖1　XPS能譜儀結構圖

3結果與討論

本實驗選用導電的Al箔和絕緣的PET作為XPS分析測試的樣品，激發源為微聚焦單色化Al KαX射線源和大束斑非單色化Al KαX射線源，荷電中和系統為同軸荷電中和槍和離軸荷電中和槍，以此來系統地研究磁透鏡對XPS分析測試的影響。

3.1　磁透鏡對大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發源進行XPS分析測試的影響

從圖2中可以看到，使用大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發源時，磁透鏡的開啟與否對于導電樣品Al箔表面的單質Al的Al2p峰的峰位及峰形沒有明顯影響，這主要是由于Al箔是導電樣品，在進行XPS分析測試時無需進行荷電中和。但是，當開啟磁透鏡時，在Al箔表面檢測到的Al的氧化物的含量要低于不開啟磁透鏡時。這一結果表明當磁透鏡開啟時，光電子的接收面積較小，進入到分析器中的光電子大部分來自于經過表面清潔的區域。當磁透鏡關閉時，光電子的接收面積較大，進入到分析器中的光電子來自于經過表面清潔的區域和外圍沒有經過表面清潔的區域兩部分。因此，當磁透鏡開啟時，在Al箔表面檢測到的Al的氧化物的含量較低。而當磁透鏡開啟時，光電子接收面積的減小是由磁透鏡的作用原理和結構所決定的。

從圖3中可以看到，使用大束斑非單色化Al Kα X射線源作為激發源，對絕緣樣品PET進行XPS分析測試時，磁透鏡的開啟與否對于分析測試結果有著顯著的影響。當磁透鏡關閉時，PET的C1s峰的峰位及峰形是正常的。但是當磁透鏡開啟時，PET的C1s峰消失了。從PET的XPS寬掃圖中可以看到，當磁透鏡開啟時，PET的C1s峰發生了+45ev左右的位移。這是由于絕緣樣品在進行XPS分析測試時，樣品表面光電子的出射使樣品表面形成正電勢，該正電勢可降低后續發射的光電子的動能，使光電子峰向高結合能端移動。因此，在對絕緣樣品進行XPS分析測試時，需要提供低能電子對絕緣樣品表面進行荷電中和。當使用非單色化Al Kα X射線源作為激發源時，X射線的韌致輻射在通過X射線源鋁窗時會產生大量的低能電子，可以很好地對絕緣樣品的表面進行荷電中和。但是當磁透鏡開啟時，由于磁力線與鋁窗所產生的低能電子射向樣品表面的方向成一定角度，磁場與低能電子之間的相互作用改變了低能電子的運動方向，使其難以到達絕緣樣品表面，無法起到荷電中和作用，從而使光電子峰向高結合能端移動。

圖2　Al箔的Al2p窄掃圖a.磁透鏡不開啟；b.磁透鏡開啟

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

3.2　磁透鏡對微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發源進行XPS分析測試的影響

從圖4中可以看到，使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發源時，磁透鏡的開啟與否對于導電樣品Al箔的Al2p峰的峰位及峰形同樣沒有明顯影響，而在Al箔表面檢測到的Al的氧化物的含量也沒有發生明顯的變化。這是由于使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發源時，光電子的接收面積取決于X射線光斑的大小，此時進入到分析器中的光電子都來自于經過表面清潔的區域。

當使用微聚焦單色化Al Kα X射線源作為激發源，對絕緣樣品PET進行XPS分析測試時，X射線源所產生的低能電子被單色器所過濾，不能對絕緣樣品表面進行荷電中和，因此需要外加荷電中和槍進行荷電中和。該XPS能譜儀中配置了兩個荷電中和槍，一個是位于樣品正上方的同軸荷電中和槍，

另一個是位于樣品側面的離軸荷電中和槍。當磁透鏡開啟時，僅使用離軸荷電中和槍進行絕緣樣品表面的荷電中和是無法達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生的低能電子射向樣品表面的方向成一定角度，磁場與低能電子之間的相互作用會改變低能電子的運動方向，使其無法到達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題，因為磁力線與同軸荷電中和槍所產生的低能電子射向樣品表面的方向是一致的。因此，當磁透鏡開啟時，只有使用同軸荷電中和槍才能對絕緣樣品表面進行良好的荷電中和(圖5b)。

圖4　Al箔的Al2p窄掃圖a.磁透鏡不開啟；b.磁透鏡開啟

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

當磁透鏡不開啟時，沒有了磁場對低能電子運動方向的干擾，使用同軸荷電中和槍和離軸荷電中和槍都可以對絕緣樣品表面進行良好的荷電中和，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XPS光電子計數率的影響

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

4結論

在以不同的X射線源作為激發源時，磁透鏡的使用可以對XPS分析測試產生不同的影響。當使用大束斑非單色化Al Kα X射線源時，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，從而使光電子的計數率下降。除了光電子的接收面積和光電子的計數率外，磁透鏡的使用對于導電樣品的XPS分析測試基本沒有影響。但對絕緣樣品進行XPS分析測試時，則不能開啟磁透鏡，否則絕緣樣品表面的正電勢得不到良好的荷電中和，會造成光電子峰向高結合能端移動。

當使用微聚焦單色化Al Kα X射線源時，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數率。除了光電子的計數率外，磁透鏡的使用對于導電樣品的XPS分析測試同樣基本沒有影響。但對于絕緣樣品的XPS分析測試而言，磁透鏡的使用決定了絕緣樣品表面荷電中和的方式。當磁透鏡開啟時，必須使用同軸荷電中和槍對絕緣樣品表面進行荷電中和才能達到良好的荷電中和效果。而當磁透鏡不開啟時，使用離軸荷電中和槍的荷電中和效果更好。

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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。

基金項目：上海市科委科研計劃項目(13142201200)；國家自然科學基金(21275054)