광전자 분광계(ESCA)
미시세계를 엿보다
X-ray Photoelectron Spectroscopy(이하 XPS)는 재료의 연구 개발 및 품질 관리에서 매우 다양한 분석 방법으로 사용되어 왔습니다. 광전자 분광계는 일상적인 분석을 가능하게 하는 조작이 용이한 연구 도구로 대학에서 공장에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다.
역사와 원리
그림 1 광전자 생성 원리
그림 2 광전자의 탈출 깊이
Hertz는 1887년 물질에 빛을 조사하면 물질에서 전자가 방출된다는 사실을 발견했습니다. 이러한 현상을 광전효과(Photoelectric Effect)라고 하며, 방출된 전자는 빛에 의해 여기되기 때문에 광전자(photoelectron)라고 합니다. 아인슈타인은 이 광전 효과를 설명하기 위해 광양자 가설을 개발했습니다. 나중에 양자역학은 이 가벼운 양자 가설에서 진화하게 되었습니다.
1950년대 스웨덴의 Siegbahn은 물질에서 방출되는 광전자의 에너지 분광법을 성공적으로 수행하여 표면 분석 및 화학 결합 상태 분석에 유용한 방법으로 에너지 분광학의 시작을 알렸습니다.
오늘날 금속, 반도체, 고분자 화합물 및 첨단 소재와 같은 분야의 연구에서 제품 품질 관리에 이르기까지 광범위한 응용 분야에서 없어서는 안될 표면 분석 장비입니다.
원자와 분자의 결합상태 관찰
XPS는 전자현미경으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 작은 세계를 관찰하는 방법입니다. “어떻게 그럴 수 있지? 원자나 분자보다 작은 것을 어떻게 볼 수 있습니까?” 물론 사진으로 보는 것과는 다릅니다. 그럼에도 불구하고 물질에 X선을 조사했을 때 물질 내부에서 나오는 전자(물질이 빛에 노출될 때 방출되기 때문에 광전자라고 함)의 속도를 측정함으로써 원자 내부의 작은 세계를 관찰할 수 있습니다. 또는 분자.
이러한 광전자의 속도를 측정하는 것을 광전자 분광법이라고 하며, 얻어진 스펙트럼을 분석하여 원자와 분자의 결합 상태를 파악하는 것을 화학 상태 분석이라고 합니다.
화학 상태 분석 정보를 얻을 수 있으므로 일반적으로 ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)라고 합니다.
어떤 의미에서 광전자 분광법은 하드웨어로, 상태 분석은 소프트웨어로 생각할 수 있습니다.
화학적 상태 분석
옷에서 데이트 상대를 추측
원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 태양 주위를 도는 행성과 같이 원자핵 주위를 전자가 도는 도표(그림 3(a))를 자주 볼 수 있습니다. 그러나 실제로는 전자가 궤도를 도는 것이 아니라 구름처럼 핵을 둘러싸고 있다(Fig. 3(b)). 따라서 원자가 전자로 덮여 있다고 상상해보십시오.
그림 3 수소 원자 모델
이제 우리의 일상을 생각해 봅시다. 출근할 때 작업복을 입을 수 있습니다. 판매원은 고객을 방문하기 위해 정장을 입고 있지만 쉬는 날에는 티셔츠를 입고 외출할 수 있습니다. 상황과 상황에 맞는 옷을 입습니다. 사실 원자는 비슷한 행동을 보입니다. 원자는 다른 원자와 결합(날짜)하여 분자를 만듭니다. 연대 측정 파트너에 따라 원자는 가장 바깥쪽 전자의 형태를 변경하여 결합을 형성합니다. 다시 말해 데이트 상대가 바뀌면 옷도 바뀐다.
우리가 입는 옷을 구별하는 것은 어렵지 않지만 전자 구름의 차이는 쉽게 눈에 띄지 않습니다. 전자만 벗겨내면 된다. 즉, 옷을 강제로 벗어야 합니다. 옷을 손상시키지 않고 제거하는 방법이 광전자 방출이라고 합니다. 전자 구름 형태의 차이는 광전자 방출에 의해 원자에서 방출되는 전자의 속도의 차이로 관찰할 수 있다. 이것을 광전자 스펙트럼이라고 합니다(그림 4).
그림 4 폴리에틸렌 테레프탈레이트 탄소 원자의 광전자 방출 스펙트럼
전자 속도를 측정하는 XPS
그림 5 광전자 분광법 다이어그램
광전자 분광기(그림 5)의 모든 기능은 초고진공 용기에 들어 있습니다. 시스템은 광전자를 방출하는 X선 발생기(X선관)와 전자의 속도를 측정하는 전자 분광계로 구성됩니다. 전자 분광계는 일련의 정전기 렌즈와 반구형 섹터 분석기 및 검출기로 구성됩니다. 첫째, 정전식 렌즈는 전자의 속도를 느리게 하여 분해능을 향상시킵니다. 다음으로 분석기는 특정 속도의 전자만 선택합니다.
선택된 전자는 검출기로 전도되고 방출된 전자의 수를 셉니다. 검출된 전자의 수는 물질이나 물질을 구성하는 원자의 수와 대략 일치합니다. 재료 표면이 오염되는 것을 방지하고 시편의 전자 방출 간섭을 방지하기 위해 광전자 분광계는 초고진공 상태로 유지됩니다.
이렇게 얻은 스펙트럼을 분석하여 원자의 결합 상태를 결정할 수 있습니다.
형질
(1) 시편표면 아래 수 나노미터 깊이까지 분석하는 표면분석기이다.
(2) Li에서 U까지의 정성 및 정량 분석, 화학 결합 상태 분석 및 광전자 이미지 측정을 제공할 수 있습니다.
광전자 이미지의 응용 예
DVD-RW에서 다층 구조의 광전자 이미지
시중에서 판매되는 DVD-RW 디스크는 일반적으로 오른쪽 그림과 같은 구조를 가지고 있습니다. DVD 디스크의 표면이 벗겨지면 기록층과 유전층이 노출됩니다. 3가지 층이 노출된 상태에서 광전자 이미지를 획득한 결과 다음 그림과 같은 데이터를 얻었다.
광전자 이미지 Sb
광전자 이미지 C
광전자 이미지 Zn
Sb, C, Zn 중첩
(3) 검사할 수 있는 물질은 고분자 필름, 반도체, 세라믹, 금속 등의 절연성 물질 및 도전성 물질에 대해서도 분석이 가능하다.
(4) Ar 이온과 같은 불활성 가스 이온빔을 사용하여 재료의 표면에서 내부까지의 조성 분포 분석(깊이 프로파일 분석)이 가능합니다.
깊이 프로파일 분석 시편의 적용 예: (SiO2/TiO2) 다층 필름/유리
(깊이 방향의 광전자 스펙트럼)
(깊이 방향의 조성 프로파일)
(5) 상부 표면에서 표면 아래 수 nm까지의 조성 및 화학적 결합 상태 변화를 구하는 방법으로 시편 틸트법(Angle resolve XPS, ARXPS)을 사용할 수 있습니다. 이 방법은 XPS의 특징이며 나노 오더에서 표면의 조성 및 화학적 결합 상태 변화를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.
(6) 검출 한계는 평균 약 0.1 Atomic% 정도입니다.
기술혁신의 필요성
XPS의 응용 프로그램은 3가지 범주로 분류할 수 있습니다.
첫 번째는 학문적 사용입니다. 표면 연구, 반도체의 밴드 구조와 같은 원자의 전자 구조 연구, 복잡한 염 화학 물질 연구, 충치 예방 연구에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.
둘째, 신제품 개발 및 생산기술 향상에 활용합니다. 금속 및 반도체 산업뿐만 아니라 촉매 산업, 유리 등의 입자 및 절연 물질 분석, 고분자 필름 등의 유기 물질 분석에도 사용됩니다.
셋째, 하드디스크 윤활유의 막두께, 반도체 표면오염 등의 제조공정관리와 같은 공장에서 대량생산의 제품 품질관리와 부식, 변색의 원인분석 등 불량분석에 사용된다. , 산화 등이 있습니다.
광전자 분광계는 다양한 부가 기능이 탑재되어 다양한 분야의 요구 사항을 충족하는 이상적인 기기로 활약하고 있습니다.