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XPS高階知識（一）——Angle Resolved XPS

來源：研之成理時間：2020-04-11 17:14:54 瀏覽：8734次

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前言

前面我們介紹了很多 XPS 的基礎(chǔ)知識，包括基本原理，譜圖類型，分峰擬合等。而實(shí)際上，XPS 除了常規(guī)的用法之外，還有很多高階用法，比如 Angle resolved XPS, Ambient Pressure XPS ( In situ/operando APXPS ), XPS elemental mapping 等，這些測試方法在材料表面結(jié)構(gòu)的研究以及材料表面結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的研究中有著很重要的應(yīng)用。這里我們進(jìn)行一些簡單的介紹，希望對大家有所幫助。

1.什么叫 Angle resolved XPS ?其基本原理是什么？有何優(yōu)點(diǎn)？

定義：Angle resolved XPS , 可以翻譯為角分辨 XPS , 是 XPS techniques 中的一種，主要用來分析薄膜材料，可以得到薄膜材料的厚度，材料內(nèi)部組成分布等信息。

基本原理：由于電子的逃逸深度是有限的，以不同的角度來入射樣品，所激發(fā)出來的電子來自樣品中的不同位置（或者說不同角度發(fā)射出來的電子來自不同位置），而通過檢測這些信息可以反映薄膜材料不同厚度處樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息。

對于同一個樣品而言，不同角度所測得的信號所反映的來自表面的和體相的信息是不一樣的，其中垂直方向( θ=90o )所獲得的表面結(jié)構(gòu)信息最少，而θ值越小，表面信息越豐富。

優(yōu)點(diǎn)：ARXPS是一種無損的測試方法; 可用于分析傳統(tǒng) depth profiling techniques 所無法分析的超薄樣品；可用于分析樣品中不同元素或同一元素不同化學(xué)態(tài)的分布情況。

2. 舉例說明 ARXPS 的用途

A. 定性分析薄膜樣品表面在空氣中的氧化情況

如上圖所示，通過改變 θ 值可以定性地研究薄膜從 bulk 變化到 surface 的過程中 As 3d 的變化情況，其中 44 eV 左右的峰為 AsOx 的峰，41 eV 左右的峰為 GaAs 的峰，隨著角度從 0o 到 80o ,來自 surface 的信息越來越多，相應(yīng)地，44 eV 處的 AsOx 的峰越來越強(qiáng)，而 41 eV 處的 GaAs 的峰越來越弱。而以 Atom concentration 對 Angle 作圖可以看到明顯的變化趨勢，GaAs 的信號和 sOx，GaOx 的信號呈現(xiàn)互補(bǔ)關(guān)系。表明，GaAs 薄膜的表面主要是 AsOx 等氧化物形式存在，而體相則以 GaAs 形式存在。

ARXPS 結(jié)果相比于常規(guī) XPS 結(jié)果有何優(yōu)點(diǎn)？

常規(guī) XPS 檢測（0o）只能知道薄膜表面被氧化了，但沒法知道氧化物的具體分布情況以及被氧化的程度。而 ARXPS 可以定性地給出氧化物在 surface 和 bulk 的分布情況。當(dāng)然，實(shí)際上，通過 ARXPS 還可以定量地知道表面氧化物層的厚度。

B. 定量計(jì)算薄膜的厚度

基本公式：

來自樣品 A 的信號：

λA,A is the attenuation length in layer A for electrons emitted from layer A. The signal from A arriving at the surface is IA∞.

來自樣品 B 的信號：

The signal from B arriving at the B-A interface is IB∞. λB,A is the attenuation length in layer A for electrons emitted from layer B.

假定 λA,A=λB,A=λA，則有：

利用 ln(1+R/R∞) 對 1/cos θ 作圖，斜率即為 d/λA, 其中 λA 為常數(shù)，有數(shù)據(jù)庫可查，因此通過 ARXPS 可以得到樣品 A 的厚度。

注：這里給出的是比較簡略的定量分析原理 (本著可讀性強(qiáng)的原則，研之成理一般不加入大量的公式推導(dǎo))，如果大家確實(shí)對原理很感興趣，可以點(diǎn)擊閱讀原文獲取相關(guān)資料進(jìn)行仔細(xì)研究。

實(shí)際上過去人們利用這一原理研究了很多體系，比如單晶 Si 表面的 SiO2 overlayer 的厚度，F(xiàn)e 電極表面 FeOx 的厚度，GaAs 表面 alkane thoil self-assembled monolayers（SAMs）等

參考文獻(xiàn)

Ye S, Li G, Noda H, et al. Surface science, 2003, 529(1): 163-170.

Lu Z H, McCaffrey J P, Brar B, et al. Applied Physics Letters, 1997, 71(19): 2764-2766.

Roosendaal S J, Van Asselen B, Elsenaar J W, et al.Surface Science, 1999, 442(3): 329-337.

聲明：本文主要參考 Thermo scientific 公司的官網(wǎng)，百度文庫相關(guān)資料等。主要目的是給大家一個基本的印象，如果有一天碰到需要相關(guān)的課題，還有一個叫 ARXPS 的表征可以使用。更多內(nèi)容請大家點(diǎn)擊閱讀原文獲取相關(guān)資料進(jìn)行研讀。