磁透镜对XPS分析测试的影响

蒋　栋　张　帆

(1.华东理工大学 分析测试中心，上海 200237；2.华东师范大学 化学系，上海 200241)



磁透镜对XPS分析测试的影响

蒋栋1张帆2

(1.华东理工大学 分析测试中心，上海 200237；2.华东师范大学 化学系，上海 200241)

摘要：在X射线光电子能谱(XPS)分析测试中使用不同的X射线源作为激发源时，磁透镜的使用对于XPS的光电子计数率和光电子接收面积会产生不同的影响。同时，除了光电子计数率和光电子接收面积外，磁透镜的使用对于导电样品的XPS分析测试没有明显影响。但在对绝缘样品进行XPS分析测试时，磁透镜的使用决定了绝缘样品表面荷电中和的方式。

关键词：XPS；磁透镜；X射线源

1引 言

在X射线光电子能谱(XPS)分析测试中，光电子的立体接收角的大小直接关系到光电子信号的强弱和仪器的灵敏度，而传统的静电透镜的光电子立体接收角通常比较小，造成了XPS能谱仪的灵敏度低下，特别是小面积XPS分析测试的灵敏度。因此，在现代XPS能谱仪中，为了提高仪器的灵敏度，在样品下方设置了一个经过特殊设计的磁透镜，该磁透镜产生的磁场是受控制的，对XPS能谱仪的电子光学性质没有影响。该磁透镜有极低的球面象差，可以在其磁场的作用下对光电子进行聚焦，增大光电子的立体接收角，提高光电子信号的强度，从而提高XPS能谱仪的灵敏度[1-16]。

但是通过大量的XPS分析测试，我们发现在使用不同的X射线源作为激发源以及使用不同的绝缘样品表面荷电中和方法时，磁透镜的使用会对XPS分析测试产生不同的影响，例如：光电子计数率、光电子接收面积、绝缘样品的表面荷电中和效果等。这些影响不仅可以使XPS谱峰的峰形和峰强发生变化，还可以使谱峰的位置发生明显的位移。因此，对磁透镜的使用对XPS分析测试的影响有一个正确的认知，是得到正确的XPS分析测试结果的重要保证。本文将就磁透镜的使用对XPS分析测试的影响进行分析和讨论。

2实 验

本实验中所使用的XPS能谱仪为Thermo Scientific公司所生产的ESCALAB 250Xi。该能谱仪在样品的下方设置了一个磁透镜，该磁透镜为可关闭的。激发源为微聚焦单色化Al KαX射线源和大束斑非单色化Al KαX射线源。荷电中和系统为位于样品正上方的一个同轴荷电中和枪和位于样品侧面的一个离轴荷电中和枪。实验中使用微聚焦单色化Al KαX射线源作为激发源时，X射线的光斑直径为250μm，大束斑非单色化Al KαX射线源的光斑直径约为5mm。绝缘样品聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)用双面绝缘胶带固定于样品台上，导电样品Al箔用双面导电胶带固定于样品台上，样品台为不锈钢材质，处于接地状态。Al箔在进行XPS分析测试前用Ar+进行表面清洁以去除表面氧化物，清洁区域直径为1.25mm。对Al箔进行XPS分析测试和使用大束斑非单色化Al KαX射线源作为激发源进行XPS分析测试时，不使用荷电中和枪。本实验所有XPS能谱图均未进行荷电校正，XPS能谱仪结构如图1所示。

图1　XPS能谱仪结构图

3结果与讨论

本实验选用导电的Al箔和绝缘的PET作为XPS分析测试的样品，激发源为微聚焦单色化Al KαX射线源和大束斑非单色化Al KαX射线源，荷电中和系统为同轴荷电中和枪和离轴荷电中和枪，以此来系统地研究磁透镜对XPS分析测试的影响。

3.1　磁透镜对大束斑非单色化Al Kα X射线源作为激发源进行XPS分析测试的影响

从图2中可以看到，使用大束斑非单色化Al Kα X射线源作为激发源时，磁透镜的开启与否对于导电样品Al箔表面的单质Al的Al2p峰的峰位及峰形没有明显影响，这主要是由于Al箔是导电样品，在进行XPS分析测试时无需进行荷电中和。但是，当开启磁透镜时，在Al箔表面检测到的Al的氧化物的含量要低于不开启磁透镜时。这一结果表明当磁透镜开启时，光电子的接收面积较小，进入到分析器中的光电子大部分来自于经过表面清洁的区域。当磁透镜关闭时，光电子的接收面积较大，进入到分析器中的光电子来自于经过表面清洁的区域和外围没有经过表面清洁的区域两部分。因此，当磁透镜开启时，在Al箔表面检测到的Al的氧化物的含量较低。而当磁透镜开启时，光电子接收面积的减小是由磁透镜的作用原理和结构所决定的。

从图3中可以看到，使用大束斑非单色化Al Kα X射线源作为激发源，对绝缘样品PET进行XPS分析测试时，磁透镜的开启与否对于分析测试结果有着显著的影响。当磁透镜关闭时，PET的C1s峰的峰位及峰形是正常的。但是当磁透镜开启时，PET的C1s峰消失了。从PET的XPS宽扫图中可以看到，当磁透镜开启时，PET的C1s峰发生了+45ev左右的位移。这是由于绝缘样品在进行XPS分析测试时，样品表面光电子的出射使样品表面形成正电势，该正电势可降低后续发射的光电子的动能，使光电子峰向高结合能端移动。因此，在对绝缘样品进行XPS分析测试时，需要提供低能电子对绝缘样品表面进行荷电中和。当使用非单色化Al Kα X射线源作为激发源时，X射线的韧致辐射在通过X射线源铝窗时会产生大量的低能电子，可以很好地对绝缘样品的表面进行荷电中和。但是当磁透镜开启时，由于磁力线与铝窗所产生的低能电子射向样品表面的方向成一定角度，磁场与低能电子之间的相互作用改变了低能电子的运动方向，使其难以到达绝缘样品表面，无法起到荷电中和作用，从而使光电子峰向高结合能端移动。

图2　Al箔的Al2p窄扫图a.磁透镜不开启；b.磁透镜开启

图3　PET的XPS谱图a.磁透镜不开启；b.磁透镜开启;1.宽扫图;　　 　2.C1s窄扫图

3.2　磁透镜对微聚焦单色化Al Kα X射线源作为激发源进行XPS分析测试的影响

从图4中可以看到，使用微聚焦单色化Al Kα X射线源作为激发源时，磁透镜的开启与否对于导电样品Al箔的Al2p峰的峰位及峰形同样没有明显影响，而在Al箔表面检测到的Al的氧化物的含量也没有发生明显的变化。这是由于使用微聚焦单色化Al Kα X射线源作为激发源时，光电子的接收面积取决于X射线光斑的大小，此时进入到分析器中的光电子都来自于经过表面清洁的区域。

当使用微聚焦单色化Al Kα X射线源作为激发源，对绝缘样品PET进行XPS分析测试时，X射线源所产生的低能电子被单色器所过滤，不能对绝缘样品表面进行荷电中和，因此需要外加荷电中和枪进行荷电中和。该XPS能谱仪中配置了两个荷电中和枪，一个是位于样品正上方的同轴荷电中和枪，

另一个是位于样品侧面的离轴荷电中和枪。当磁透镜开启时，仅使用离轴荷电中和枪进行绝缘样品表面的荷电中和是无法达到良好的荷电中和效果的(图5a)，这同样是由于磁力线与离轴荷电中和枪所产生的低能电子射向样品表面的方向成一定角度，磁场与低能电子之间的相互作用会改变低能电子的运动方向，使其无法到达样品表面起到荷电中和作用。而使用同轴荷电中和枪则不存在这样的问题，因为磁力线与同轴荷电中和枪所产生的低能电子射向样品表面的方向是一致的。因此，当磁透镜开启时，只有使用同轴荷电中和枪才能对绝缘样品表面进行良好的荷电中和(图5b)。

图4　Al箔的Al2p窄扫图a.磁透镜不开启；b.磁透镜开启

图5　PET的XPS谱图a.离轴中和枪；b.同轴中和枪;1.宽扫图;　　2.C1s窄扫图

当磁透镜不开启时，没有了磁场对低能电子运动方向的干扰，使用同轴荷电中和枪和离轴荷电中和枪都可以对绝缘样品表面进行良好的荷电中和，但相比较而言使用离轴荷电中和枪效果更好，这可能是由于离轴荷电中和枪的荷电中和面积更大(图6)。

图6　PET的C1s窄扫图a.离轴中和枪；b.同轴中和枪

3.3　磁透镜对XPS光电子计数率的影响

从图2中可以看到，当使用大束斑非单色化Al Kα X射线源时，磁透镜的开启会使Al2p的光电子计数率下降，这是由于磁透镜虽然提高了光电子的立体接收角，但同时也降低了光电子的接收面积，从而导致了Al2p的光电子计数率下降。当使用微聚焦单色化Al Kα X射线源时，光电子的接收面积取决于X射线光斑的大小，磁透镜的开启提高了光电子的立体接收角，从而提高Al2p的光电子计数率(图4)。

4结论

在以不同的X射线源作为激发源时，磁透镜的使用可以对XPS分析测试产生不同的影响。当使用大束斑非单色化Al Kα X射线源时，磁透镜的使用虽然可以提高光电子的立体接收角，但也降低了光电子的接收面积，从而使光电子的计数率下降。除了光电子的接收面积和光电子的计数率外，磁透镜的使用对于导电样品的XPS分析测试基本没有影响。但对绝缘样品进行XPS分析测试时，则不能开启磁透镜，否则绝缘样品表面的正电势得不到良好的荷电中和，会造成光电子峰向高结合能端移动。

当使用微聚焦单色化Al Kα X射线源时，光电子的接收面积取决于X射线光斑的大小，磁透镜的使用可以提高光电子的立体接收角，从而提高光电子的计数率。除了光电子的计数率外，磁透镜的使用对于导电样品的XPS分析测试同样基本没有影响。但对于绝缘样品的XPS分析测试而言，磁透镜的使用决定了绝缘样品表面荷电中和的方式。当磁透镜开启时，必须使用同轴荷电中和枪对绝缘样品表面进行荷电中和才能达到良好的荷电中和效果。而当磁透镜不开启时，使用离轴荷电中和枪的荷电中和效果更好。

参考文献

[1]伊晓东, 郭建平, 孙海珍, 等. 分析仪器, 2008(5):8-11.

[2]Xia W C, Yang J G, Liang C. Appl Surf Sci, 2014, 293: 293-298.

[3] 赵良仲, 刘芬. 分析化学, 2001, 29(8): 964-966.

[4]刘芬, 邱丽美, 赵良仲. 分析测试学报, 2002, 21(5): 65-67.

[5] Zalm P C. Surf Interface Anal, 1998, 26(5): 352-358.

[6] Robinson K S, Street F J, Drummond I W. Inst Phys Conf Ser, 1993, 130(6): 451-454.

[7] Gordillo G, Calderon C, Bartolo-Perez P. Appl Surf Sci, 2014, 305: 506-514.

[8] 赵青南, 赵修建. 分析仪器, 2001(3): 18-19.

[9]刘芬, 邱丽美, 赵良仲. 分析测试技术与仪器, 2005, 11(3): 163-166.

[10] 陈红, 赵纯培, 祝晓红. 分析仪器, 1998(4): 34-36.

[11] Zhang Z T, Pfefferle L, Haller G L. Chin J Catal, 2014, 35(6): 856-863.

[12] Khattak G D, Mekki A, Gondal M A. J Phys Chem Solids, 2013, 74(1): 13-17.

[13] Liu W, Zhang Y, Gao X. J Am Chem Soc, 2007, 129(16): 4973-4980.

[14] Wen R, Hong M S, Byon H R. J Am Chem Soc, 2013, 135(29): 10870-10876.

[15] Kannan B, Higgins D A, Collinson M M. Langmuir, 2012, 28(46): 16091-16098.

[16] Vo D Q, Shin E W, Kim J S, Kim S. Langmuir, 2010, 26(22): 17435-17443.

信息简讯

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联系电话：010-64351686/64357677/64359279转805

联系人：赵经理 13331166895吕女士 13331167182

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研究与讨论

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

作者简介：蒋栋，男，1982年出生，工程师，研究方向：固体材料表面分析,E-mail: ecustxps@126.com。

基金项目：上海市科委科研计划项目(13142201200)；国家自然科学基金(21275054)