Photoelektronenspektrometer, ESCALAB Mk II von Vacuum Generators

Analysemethoden:

• Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
• Photoelektronenbeugung (XPD)
• Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS)
• Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED)
• Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)
• Winkelaufgelöste Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (ARUPS)
• Fermi-Surface Mapping (FSM)
• Massenspektrometrie (MS)

Synthese:

• Elektronenstrahlverdampfung
• Mehrere Heizer (bis zu ca. 1000 K)
• Ar-Ionenätzen
• Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)

Probenabmessungen:

• Typische Probenfläche: ca. 10 mm x 10 mm, Dicke: ca. 1-2 mm

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)

Die XPS ist ein experimentelles Standardwerkzeug für die Oberflächenanalyse. XPS bietet eine äußerst hohe Oberflächensensitivität, d. h. aufgrund der sehr kurzen freien Weglängen von Elektronen mit kinetischen Energien im Bereich von 10-2000 eV (typischerweise 1-2 nm) werden nur die obersten Atomlagen einer Probe detektiert. Photoelektronen werden hinsichtlich ihrer Verteilung der kinetischen Energie (als Maß ihrer Bindungsenergie) und ihrer Impulsverteilung (z. B. in Abhängigkeit von den Kristallachsen der Probe) untersucht.

Da die Bindungsenergien einen charakteristischen "Fingerabdruck" für jedes Element darstellen, liefert die Verteilung der Bindungsenergien Informationen über die chemische Zusammensetzung der Probe. Die Intensitätsverteilung liefert Informationen über die Stöchiometrie der Probe. Durch den sogenannten "Chemical Shift" der Bindungsenergien von Atomen in unterschiedlichen "chemischen Umgebungen" werden außerdem Informationen über den elektronischen Zustand von Atomen (d. h. X⁰, X^-1, X⁺², etc.) gewonnen. Deshalb wurde die XPS ursprünglich als "Elektronenspektroskopie für die chemische Analyse" (ESCA) eingeführt.

Schematische Darstellung eines typischen XPS Aufbaus mit Photonenquelle (Röntgenstrahlung, UV-Licht, Laser oder Synchrotronstrahlung), Probenmanipulator mit verschiedenen Freiheitsgraden zur Bewegung und Drehung der Probe, Elektronenoptik, einem energiedispersiven Analysator und einem Detektor. XP Spektren (Intensität gegen Bindungsenergie) sind dargestellt für vier verschiedene Metalle mit ihren element-spezifischen Verteilungen der Photoemission.

In den Bereichen der Polymerfilmbildung, der Fließeigenschaften komplexer Flüssigkeiten, wie auch in der Adhäsion von Biomaterialien, werden als Modelloberflächen oft Siliziumwafer mit nativer oder thermisch aufgewachsener Oxidschicht (Dicke ca. 2 nm oder 150 nm) verwendet. Die Oberflächeneigenschaften werden durch die Topographie und die Chemie der der Oberfläche bestimmt. Doch auch die Chemie der unter der Oberfläche liegenden Atome hat einen entscheidenden Einfluss auf Bindungskräfte wie z. B. langreichweitige Van-der-Waals-Kräfte. Deshalb ist umfassendes Wissen über die Chemie der oberen Atomlagen nötig um die Benetzungs- und Adhäsionseigenschaften einer Oberfläche bestimmen zu können. Durch ihre ausgezeichnete Oberflächensensitivität ist die XPS in Kombination mit Argonionenätzen das ideale Werkzeug um die chemischen Eigenschaften einer Probe Atomlage für Atomlage zu untersuchen.
Die native Oxidschicht von Silizium besteht aus einer Mischung aus Si⁴⁺, Si³⁺, Si²⁺ und Si¹⁺. Sind diese Valenzen über die gesamte Dicke der Oxidschicht verteilt, oder gibt es eine bestimmte Stapelreihenfolge, in der sie aufeinander folgen? Die XPS Tiefenprofilierung zeigt, dass das letztere Szenario zutrifft. Die oberste, ca. 1 nm dicke Schicht besteht aus SiO₂, während eine etwa 1 nm dicke Übergangsschicht aus den Valenzen Si³⁺, Si²⁺ und Si¹⁺ besteht.

(A) XPS-Daten eines Siliziumwafers mit natürlicher Oxidschicht im Bereich der Si-2p Photoemission bei verschiedenen Abtragtiefen. Die Spektren wurden durch das Si⁰-Hauptsignal, ein Si⁴⁺-Signal und ein breites Signal mit Beiträgen von Si³⁺, Si²⁺ und Si¹⁺ angenähert. Mit zunehmender Abtragtiefe nimmt die Intensität des Si⁴⁺-Signals ab und verschiebt sich zum Si⁰-Hauptsignal hin.
(B) Oberflächenmodell einer gestapelten Oxidschichtfolge (Si⁴⁺ - Si³⁺, Si²⁺, Si¹⁺ - Si⁰).
(C) Berechnete XP Spektren zum Modell aus (B). Die Intensität des Si⁴⁺-Signals nimmt ab und verschiebt sich zum Si⁰-Hauptsignal hin, wie es im Experiment beobachtet wurde.
(D) Oberflächenmodell einer gemischten Oxidschicht (Si⁴⁺, Si³⁺, Si²⁺, Si¹⁺ - Si).
(E) Berechnete XP Spektren zum Modell aus (D). Das Si⁴⁺-Signal wird schwächer ohne sich zum Si⁰-Hauptsignal hin zu verschieben.
Abbildung gemäß P. Loskill et al., Adv. Coll. Interf. Sci. 107 (2012) 179182.