XPS, או X-ray photoelectron spectroscopy (ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני איקס) היא שיטת ספקטרוסקופיה הרגישה לפני שטח של חומרים. השיטה יכולה לספק מידע על ההרכב הכימי של חומרים, ועל המצבים הכימיים והאלקטרוניים של היסודות השונים בקרבת פני השטח של הדגם.

דוגמה לספקטרום רחב המדגים כיצד ניתן להשתמש ב-XPS על מנת לבצע מדידה כמותית של חומרים על פני השטח. הספקטרום נלקח מפרוסת סיליקון לא נקיה, וניתן לראות את כמות המזהמים השונים (באחוז אטומי) בטבלה. ספקטרום רחב נלקח בדרך כלל בתחילת מדידה על מנת למפות את היסודות הקיימים בדגם ולבחור תחומי אנרגיה לביצוע סריקות ממוקדות ברזולוציה גבוהה יותר.
ספקטרום XPS ברזולוציה גבוהה מפני שטח של פרוסת סיליקון מחומצנת. הנתונים מהמדידה מוצגים באדום ובצבעים האחרים מתוארות התאמות קווים למצבים הכימיים השונים של אטומי הצורן (סיליקון). קל להבחין למשל בהבדל בין סיליקון לא מחומצן (מסומן ב-A ו-B לבין סיליקון מחומצן (E). תוך שימוש בהנחות ובחישובים מתאימים ניתן להעריך את היחסים בין המצבים הכימיים השונים של אטומי הצורן, להעריך את עובי שכבת התחמוצת, ולקבל מידע נוסף על פני השטח

במהלך מדידת XPS, מכוונים קרני איקס (רנטגן) לאזור הנמדד בדגם, ומודדים את התפלגות האנרגיה הקינטית של האלקטרונים שנפלטים מפני השטח של הדגם (בדומה לאפקט הפוטואלקטרי).

תיאור סכמטי של אופן פעולת מדידת XPS

העומק ממנו מצליחים אלקטרונים לצאת מפני השטח של הדגם הוא קטן, לרוב פחות מ-10 ננומטר, ולכן השיטה רגישה מאוד לפני השטח של חומרים. XPS דורשת מערכות ואקום גבוה, ולרוב ואקום אולטרה-גבוה (UHV), בלחצים אופייניים של פחות מ- טור (Torr), לרוב לפחות סדר גודל פחות מכך. הוואקום הגבוה נועד על מנת לאפשר מהלך חופשי ממוצע גדול מספיק עבור האלקטרונים בדרכם מהדגם לגלאי. כמו כן, הוואקום הגבוה מפחית את הזיהומים ואת הלחות על פני השטח. מדידות XPS המתבצעות במעבדה (כלומר, לא במתקן סינכרוטרון) לרוב מתבססות על קרני איקס בעלות אנרגיה מסדר גודל של 1000-1500 אלקטרון וולט, כאשר מקורות נפוצים הם קרני של אלומיניום או של מגנזיום, בעלי אנרגיות של 1486.7 ו-1253 אלקטרון וולט, בהתאמה.

עקרון פעולהעריכה

עקרון הפעולה של XPS מתבסס על שימור אנרגיה. בסה"כ האנרגיה של הפוטון הפוגע בדגם שווה לסכום האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של האלקטרון הנפלט, בתוספת קבוע (הקשור לפונקציית העבודה של הגלאי). באמצעות העברת אגפים ניתן לבטא את האנרגיה הפוטנציאלית של האלקטרון לפני הפגיעה, המכונה גם אנרגיית הקשר של האלקטרון:

 

במילים אחרות: בסך הכל האנרגיה הפוטנציאלית של אלקטרון (Ebinding) שווה לאנרגיה של הפוטון שעורר את האלקטרון (Ephoton), פחות ההאנרגיה הקינטית של האלקטרון (Ekinetic) ופחות פונקציית העבודה   של גלאי האלקטרונים (בהנחה שהדגם במגע חשמלי טוב עם הגלאי[1]).

היסט כימיעריכה

היכולת להבחין לא רק נוכחותם של יסודות אלא ללמוד גם על מצבי החמצון והקישור הכימי של האטומים מאפשרת חקר של כימיית פני השטח של הדוגמה. אנרגיית הקשר המדויקת של האלקטרון תלויה:

  • במצב החמצון: ככל שיש פחות אלקטרונים לאטום יש פחות מיסוך ולכן נדרשת אנרגיה גבוהה יותר להוצאת אלקטרון ואנרגיית הקישור תגדל. כך למשל עבור טיטניום מתכתי (מצב חמצון 0) אנרגיית הקישור של אלקטרון 2p היא 454.1eV, עבור יון Ti+3 (בטיטניום ניטריד TiN) אנרגיית הקישור 454.9eV ועבור Ti+4 ( ב TiO2) אנרגיית הקישור 458.5eV[2]
  • באטומים הקשורים אליו, ובמקרים מסוימים גם באטומים רחוקים יותר במולקולה. ככלל, ככל שהאטום הקשור ליסוד אותו בודקים אלקטרושלילי יותר תהיה אנרגיית הקישור גבוהה יותר משום שאלקטרוני הקשר ממסכים פחות את המשיכה של הגרעין כמודגם בטבלה עבור אטום הפחמן:
אנרגיית קישור של C1s[3]
קבוצה כימית אנרגיית קישור
C-C 284.8
C-O-C (אתר) 286
O=C-OH (חומצה קרבוקסילית) 288.5
CF2 292
CF3 294
  • ההיברידיזציה האטום ושל האטום הקשור אליו

ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

  מדיה וקבצים בנושא XPS בוויקישיתוף

הערות שולייםעריכה

  ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.