現(xiàn)代X光電子能譜儀簡(jiǎn)介

現(xiàn)代X光電子能譜儀簡(jiǎn)介
摘 要：介紹了現(xiàn)代x光電子能譜儀的激發(fā)源、能量分析器、傳輸透鏡、電子檢測(cè)器、荷電中和器等主要 部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上介紹了儀器的主要性能指標(biāo)靈敏度、能量分辨率等。簡(jiǎn)單介紹了考察電子能 譜儀的方法。最后討論了電子能譜儀的發(fā)展。 關(guān)鍵詞：X光電子能譜單色化X射線靈敏度能量分辨率 x光電子能譜分析技術(shù)已成為表面分析中的常規(guī)分 析技術(shù)，在催化化學(xué)、新材料研制、微電子、陶瓷材料 等方面得到了廣泛的應(yīng)用。在我國(guó)電子能譜也已經(jīng)得到 了廣泛的應(yīng)用。 自從上世紀(jì)五十年代至今， 電子能譜儀已經(jīng)發(fā)展了 半個(gè)多世紀(jì)，其功能得到了完善和擴(kuò)充，性能得到了很 大的提高，儀器的維護(hù)使用和自動(dòng)化程度也得到了很大 的提高[卜 。對(duì)于一些電子能譜儀的基本結(jié)構(gòu)單元、性 能等在普通的電子能譜書(shū)籍中可以查閱到[ ]，此處不 再贅述，本文將著重介紹現(xiàn)代x光電子能譜儀結(jié)構(gòu)和特 點(diǎn)。

一 、現(xiàn)代X光電子能譜儀結(jié)構(gòu) 一般電子能譜儀包括有：激發(fā)源， 電子能量分析 器， 校正器| 轉(zhuǎn)換器| 傳送器| 變送器| 傳感器| 記錄儀| 有紙記錄儀| 無(wú)紙記錄儀| 電子倍增器，微電子線路控制，計(jì)算機(jī)軟件數(shù)據(jù)系 統(tǒng)，真空系統(tǒng)，分析室，樣品制備室以及樣品制備裝置 等等，現(xiàn)代電子能譜儀在此基礎(chǔ)上作了很大的改進(jìn)[7]。
1．單色化x射線源 目前主要使用的是A1K a射線單色源，它由A1靶x 射線源和石英晶體組成。A1靶激發(fā)的x射線(1486．6eV) 經(jīng)過(guò)石英晶體發(fā)生布拉格衍射使A1的x射線單色化。為 了增加照射樣品的x光強(qiáng)度，提高靈敏度和實(shí)現(xiàn)小束斑 XPS分析， 不同的儀器廠家采用不同的方法。第一種方 法是微聚焦單色化， 聚焦電子束轟擊在陽(yáng)極靶某位置 處，產(chǎn)生的x光經(jīng)過(guò)凹面石英晶體布拉格反射后聚焦照 射到樣品上， 凹面石英晶體的反射使得x射線聚焦成一 個(gè)束斑，提高了x光照射到樣品上的功率密度。在此方 法中陽(yáng)極靶、石英晶體和樣品位于同一羅蘭圓上。另一 種方法采用光闌遮擋x光束或采樣區(qū)域(即限定x光源方 法或限定光電子發(fā)射面積方法)， 同時(shí)為了增加靈敏 度，必須提高x光槍的功率。 儀器用戶還可以根據(jù)需要選配經(jīng)濟(jì)實(shí)用的常規(guī)雙陽(yáng) 極靶(Mg／A1)，對(duì)于一些簡(jiǎn)單的XPS分析，雙陽(yáng)極很方 便實(shí)用，如在XPS分析中常出現(xiàn)光電子峰和俄歇峰互相 干擾時(shí)，利用雙陽(yáng)極能有效地進(jìn)行分析。用戶還可根據(jù) 需要選用其它x射線源，如AgL Q(2984．3eV)，riK Q (451OeV)，CrK B(5946，7eV)。 一般雙陽(yáng)極的x光槍正常使用功率為2OOW。單陽(yáng)極 x光槍的功率可達(dá)到45OW， 而聚焦x射線單色源只需幾 十瓦。
2．電子能量分析器 對(duì)于XPS儀器目前一般采用靜電半球型(HSA)能 量分析器。只有一些俄歇能譜儀為了提高靈敏度仍采用 筒鏡型(CMA)能量分析器。還有一些儀器采用球鏡能 量分析器(SMA)。在一些低檔的電子能譜儀中采用高 通／低通濾波器(Hi／Low fi1ter)。HSAB~量分析器 具有較好的能量分辨率，與傳輸透鏡組合可實(shí)現(xiàn)固定分 析器能量(CAE或FAT，常用于XPS分析中) 和固定減 速比(CRR或FRR，常用于AES分析中)兩工作模式。現(xiàn) 在大部分電子能譜儀一般采用HSA分析器。使用HSA分 析器還有一個(gè)好處，在成像XPS (iXPS)中，HSA為電 子光學(xué)成像中一個(gè)透鏡。
3．傳輸透鏡 安裝半球型能量分析器的現(xiàn)代電子能譜儀一般采用 傳輸透鏡。傳輸透鏡的作用將樣品成像到能量分析器的 入口處，增加收集角，提高靈敏度，另外可使龐大的能 量分析器遠(yuǎn)離儀器分析室，騰出更大的空間，安裝其它 配件，有利于擴(kuò)展儀器功能。現(xiàn)代能譜儀中有多組透鏡 組合而成，根據(jù)測(cè)量分析要求可選擇不同的工作模式。
4．電子檢測(cè)器 電子監(jiān)測(cè)器也是電子能譜儀的一個(gè)主要部件。傳統(tǒng) 電子能譜儀采用通道式電子倍增器(Channeltron)。為 了提高檢測(cè)靈敏度，現(xiàn)代電子能譜儀一般采用多通道電 子探測(cè)器(Multi-Channeltron)，甚至采用多通道板 探測(cè)器(multi—channel Plate detector)[ 和位敏 探測(cè)器(poSition SenSor detector)[41。采用多通 道板探測(cè)器和位敏探測(cè)器時(shí)，還可以以快照方式(Snap S h O t)收集X P S譜，也可以實(shí)現(xiàn)快速平行X P S成像 (i XPS)。新型電子探測(cè)器的采用不僅大大有助于提高 儀器的靈敏度，而且大大提高了采集數(shù)據(jù)的速度。
5．電子中和器 在XPS實(shí)驗(yàn)中常常遇到樣品荷電問(wèn)題，影響測(cè)量。 為了解決這一問(wèn)題，傳統(tǒng)電子能譜儀通常采用“漫灌 式” (flood)的低能(~500eV)電子中和或減弱樣 品上的剩余正電荷。這種方法雖然很簡(jiǎn)單，但是在中和 樣品時(shí)易出現(xiàn)荷電不均勻。為了克服這一問(wèn)題，現(xiàn)代電 子能譜儀采用更低能量的單色電子中和，同時(shí)為了在單 色化小束斑xPS (SAXPS)中能有效地中和，需采用同 軸低能電子中和『3’ 。
6．真空系統(tǒng) 現(xiàn)代儀器的真空泵主要采用分子泵和離子泵，與傳 統(tǒng)的擴(kuò)散泵相比，減少了油污染，真空室更加干凈。同 時(shí)真空系統(tǒng)操作維護(hù)的自動(dòng)化程度比以前也有所提高。
7．?dāng)?shù)據(jù)系統(tǒng) 隨著計(jì)算機(jī)的普及和發(fā)展，與現(xiàn)代電子能譜的數(shù)據(jù) 系統(tǒng)也有了發(fā)展。儀器的操作、維護(hù)和數(shù)據(jù)處理均可通 過(guò)計(jì)算機(jī)完成，甚至實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化分析測(cè)試。數(shù)據(jù)系統(tǒng) 已經(jīng)成為現(xiàn)代電子能譜儀的一個(gè)必不可少的組成部分。
8．XL磁透鏡 為了提高電子能譜儀的靈敏度和有效地實(shí)現(xiàn)小面積 XPS分析，在現(xiàn)代電子能譜儀中安裝xL磁透鏡。它被安 裝在樣品臺(tái)下方，分析時(shí)樣品被浸沒(méi)在電磁場(chǎng)中，可大 大增加發(fā)射光電子的接收立體角，提高收集效率 ， 。 另外現(xiàn)代x光電子能譜儀在離子槍、微電子控制系 統(tǒng)、樣品制備等部件也有較大的發(fā)展。 這些先進(jìn)部件的采用不僅提高完善了電子能譜儀 的性能，也擴(kuò)充了電子能譜儀的功能 ，如成像XP S (iXPS)，角分辨XPS(ARXPS)，小束斑XPS(SXPS)等， 進(jìn)而拓寬了XPS這項(xiàng)表面分析技術(shù)的應(yīng)用。

二、現(xiàn)代電子能譜儀評(píng)價(jià) 評(píng)價(jià)一臺(tái)電子能譜儀的主要指標(biāo)是靈敏度和能量分 辨率�？茖W(xué)家們正在努力提高這兩個(gè)主要指標(biāo)。 JO 儀器的靈敏度與多種因素有關(guān)， 即：樣品，激發(fā) 源，激發(fā)面積，能量分析器，入口或出口狹縫， 電子探 測(cè)器，放大器等因素有關(guān)。為了考察儀器的靈敏度，一 般采用Ag3d5／2峰的計(jì)數(shù)率表示儀器的整體靈敏度。 能量分辨與樣品中被激發(fā)的能級(jí)的線寬有關(guān)，與樣 品基體有關(guān)， 與儀器的展寬有關(guān)， 與x射線的線寬有 關(guān)。最終譜的寬度應(yīng)為多種因素卷積的綜合結(jié)果。 一臺(tái)電子能譜儀的靈敏度和能量分辨率是相互牽制 的， 即當(dāng)提高儀器靈敏度要犧牲儀器的分辨率。 現(xiàn)代電子能譜儀，對(duì)于雙陽(yáng)極的Ag3ds／z的最高計(jì)數(shù) 率， 大于7Mcps@1eV。對(duì)于AlK Q單色器最高Ag3ds／2的 最高計(jì)數(shù)率為1McpS@0．6eV。單色化XPS的最佳能量分 辨率可達(dá)N0．5eV，高于傳統(tǒng)的雙陽(yáng)極XPS。 為了考察儀器分荷電中和系統(tǒng)，通常測(cè)定PET材料 的羰基(0-C=O)峰的強(qiáng)度和半高寬(FWHM)， 目前 半高寬可達(dá)N0．8eV@60kcpS。 考察一臺(tái)電子能譜儀的質(zhì)量是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作， 除上面提到的幾個(gè)指標(biāo)外，還需要考察儀器的功能、儀 器的操作使用、儀器的維護(hù)(如真空維護(hù))、數(shù)據(jù)系 統(tǒng)、制樣、功能擴(kuò)展性、荷電中和、離子刻蝕、穩(wěn)定 性、可靠性、精度等等。

三、展望 有報(bào)道在A E S中已經(jīng)采用雙曲拋物場(chǎng)分析器 (hyperbol iC field analYSer，或HFA)實(shí)現(xiàn)平面 聚焦，采用多道探測(cè)或位敏探測(cè)器，以進(jìn)一步增加靈敏 度和數(shù)據(jù)采集速度。另外，可采用轉(zhuǎn)靶x射線源激發(fā)樣 品，提高x光強(qiáng)度，也可進(jìn)一步增加計(jì)數(shù)率，但是這樣 做，對(duì)樣品的損傷大，且轉(zhuǎn)靶造價(jià)高。為了提高能量分 辨率科學(xué)家們正在嘗識(shí)采用飛行時(shí)間能量分析器。