定量表面化学显微镜,x射线光电子能谱半岛综合体育官方APP下载德甲

约翰•沃尔顿

表面分析协调员,曼彻斯特大学材料学院88年邮政信箱,曼彻斯特,英国M60 1 qd。电子邮件:(电子邮件保护)网络:personalpages.manchester.ac.uk /员工/ john.walton

从固体材料之间的相互作用及其周围的媒体,不论是气态或液态,发生在表面,分析技术能够提供信息的交互区域基本理解正在发生的过程。x射线光电子能谱(XPS)就是这样一种技半岛综合体育官方APP下载德甲术,并能分析导电和绝缘材料。

介绍

从固体材料之间的相互作用及其周围的媒体,不论是气态或液态,发生在表面,分析技术能够提供信息的交互区域基本理解正在发生的过程。x射线光电子能谱(XPS)就是这样一种技半岛综合体育官方APP下载德甲术,并能分析导电和绝缘材料。在分析过程中,表面被软x射线和辐射发射的能量光电子测量。这些能量通常少于2000电动汽车;电子与材料互动,只有那些从顶部发出几个原子层可以逃离表面没有能量损失。这些电子的能量是由发射元素的原子序数,数量的变化非常敏感,在价带电子,所以obtained.1表面化学状态信息

XPS现在是一个成熟的技术,第一个商业工具可用早在1969年,和科学出版物的数量来判断,它不仅是最受欢迎的表面分析技术,也是增长最快的。这是由于这样的事实,它提供了相对容易量化的表面化学状态信息。这一趋势可能会持续下去,因为仪器操作能力没有专家指导从实验室转移到生产线,在那里他们可以协助质量控制。此外,数据处理的发展首次启用produced.2定量表面化学状态的图像

在光谱模式,改善仪器导致能量分辨率和灵敏度增加导致分析从较小的地区。订单的最低分析地区现在10µm直径,所以需要定位这一地区的一些手段,导致成像XPS的发展。ESCASCOPE3第一成像仪器,在1990年成为可用,并允许单一能量图像被用于定位的地区选择区域分析。当前仪器获取图像的空间分辨率大约3µm通过扫描聚焦x射线探针表面,或维护的空间取向光电子能量过滤这些被称为并行成像。后者是首选的操作模式,因为它允许更快的收购和最小化样本暴露在x射线的影响。

仪表

在光谱模式中,宽扫描光谱是定量分析,获得了低能量分辨率和光电子峰地区相比相对灵敏度的因素。对于化学状态的决心,高能量分辨率光谱是通过光电子地区的利益,和曲线拟合技术通常用来解决光电子峰重叠。最近这样的工具被用来获取多光谱数据集:这是一个包含在每个像素光谱数据集,以便通过应用接受光谱数据处理技术,完全定量化学状态显微镜已成为现实。在仪器使用并行采集,这是通过收购一系列图像的能量增加。这样一个instrument4的示意图如图1所示。光电子的样本,坐落在磁浸没透镜,是投射到入口的孔径球面镜能量分析器,面向energy-filtered空间电子放大和统计的位置灵敏探测器。由于技术是表面敏感,仪器包含在超高真空。收购的多光谱数据集需要描述仪器的成像mode5确定峰值位置,线形状和能量校正整个视野是一致的,也需要procedures6的发展⁷测量仪器的传输函数在每个像素用于量化。

图1所示。原理图的奎托斯轴超XPS仪器操作在成像模式(由奎托斯的分析)。(DLD:延迟线探测器。)

数据处理

这样的多光谱数据集可能包含1000张图片,每个256×256像素,增加能量。自65536年不可能检查单独光谱,多元分析techniques8都用来降低数据的维数,并减少采购时间通过改善信号/噪声比。主成分分析(PCA)广泛用于这一目的。它分解成一个正交向量的集合命令的数据差异,这可能与噪声分离的化学信息。然而,主成分分析是计算密集型和非线性迭代偏最小二乘(NIPALS)中使用偏好。NIPALS过程数据按顺序分解到抽象因素,因为有很多更少的组件在这样的XPS数据集比图像,终止程序当足够的因素计算导致显著减少计算的要求。在实践中,一些因素计算,以便重建数据可能会决定所需的数量。数据通常是过滤分解之前,由于噪声脉冲计数工具Poissonian,这是与信号强度的平方根成正比;PCA要求噪声是均匀分布的。

分析

在成像模式下,在光谱模式中,数据可能会获得量化的元素出现在表面,和化学状态的决心。在图2中,降解的化学状态分析的一个例子显示了微通道板;元素提供了量化的例子。9Spots of corrosion could be observed on the microchannel plate, which when inspected using an optical microscope, Figure 2 (a), appeared to be surrounded by a circular region. XPS analysis was carried out by acquiring 850 and 350 images, incremented by 0.1 eV in energy, through the O 1s and C 1s photoelectron regions, respectively, at high energy resolution, with 30 s dwell time per image, and from a 800 µm × 800 µm field of view. All data processing was undertaken using CasaXPS.10 The noise in the data was reduced by reconstructing the data set using the first three image abstract factors. Figure 2 (b) shows the second image abstract factor and a false colour image following classification of the pixels by intensity. Classification in this way orders the data by chemistry, which may be due to changes in peak intensities, changes in peak position caused by chemical shifts, or changes in the inelastic background caused by in-depth inhomogeneity. This allows curve fit models to be produced, which are a close approximation to the spectra to which they will be applied. The O 1s and C 1s spectral regions belonging to each classification have been summed, and curve fitting carried out, Figure 2(c). Chemical state assignments are then made based on the chemical shift from the C–C, C–H peak. The results of the curve fitting were then applied to all the spectra within their own classification only, to produce chemical state images. The validity of the curve fitting may be checked by inspecting a figure of merit composed of the root mean square deviation between the curve fit envelope and the data at each pixel in the image, normalised to the sum of the curve fit intensities. In this way, increases in intensity across the field of view indicate a poorer fit, and the spectra concerned may be examined, and the curve fitting corrected. The results are shown in Figure 3, where peaks O2 and C4 [see Figure 2(c)], assigned as oxygen and carbon, respectively, in carbonate species, and Na are shown to correspond to the entire circular region and not just the central corrosion product. This association would not have been possible to make conclusively using selected area analysis. It is known that enrichment of sodium occurs at the surface of microchannel plates during operation, and so it was concluded that degradation was due to sodium reacting with an aerosol droplet to form a hydroxide, which then absorbed CO₂从环境。更大的腐蚀特性开发在稍后的日期。

图2。成象XPS分析降解的微通道。(a)的光学显微照片,(b)第二图像抽象因素,及其后假彩色图像像素分类(800µm×800µm视野),(c)曲线拟合1 s和c O 1 s光电子光谱在每个分类总结。从j·沃尔顿允许转载,”气溶胶微通道板损伤分析x射线光电子spectromicroscopy”,冲浪。接口肛门。39岁,337 - 342 (2007)。约翰威利& Sons有限公司,奇切斯特。网上发表:13^th2006年11月在威利跨学科。

图3。产生的化学状态图像应用曲线拟合模型的光谱图2 (c)在自己的分类。(800µm×800µm字段的视图)。从j·沃尔顿允许转载,”气溶胶微通道板损伤分析x射线光电子spectromicroscopy”,冲浪。接口肛门。39岁,337 - 342 (2007)。约翰威利& Sons有限公司,奇切斯特。2006年11月13日在网上发表:威利跨学科。

原子浓度图像和图像中的像素分类抽象因素也可能用于可视化宽扫描光谱无追索权多元曲线分辨率和随之而来的不确定性。⁹

未来的发展

在未来,随着定量成像变得越来越普遍,改善镜头和分析器的设计将导致增加空间分辨率和灵敏度。多元分析技术的改进可能消除需要规模数据,和parallelisation可以用来计算密集型程序,如曲线拟合速度。已经尝试内提供深入分析图像,11^-13年鉴于nano-structural分析的需求,可能会持续下去。

引用

1. 详细说明,请参阅d·布里格斯和j.t格兰特(Eds)、表面分析钻和x射线越南河粉toelectron光半岛综合体育官方APP下载德甲谱学。IM出版物,奇切斯特,英国和SurfaceSpectra,曼彻斯特,英国(2003)。
2. j·沃尔顿和n . Fairley冲浪。接口肛门。36岁,89 (2004)。
3. XPS也称为光电子能谱、电子光谱化学分析。半岛综合体育官方APP下载德甲
4. 奎托斯分析,英国曼彻斯特。www.kratos.com
5. j·沃尔顿和n . Fairley冲浪。接口肛门。38岁的1230 (2006)。
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7. j·沃尔顿和n . Fairley冲浪。接口肛门。38岁的388 (2006)。
8. 有关更多信息,请参见E.R.马林诺斯基因子分析在化学3^{理查德·道金斯}经济日报。约翰威利& Sons,纽约(2002)。
9. j·沃尔顿和n . Fairley ECASIA 07年学报》发表在(维也纳,2007)冲浪。接口肛门。
10. Teignmouth Casa软件有限公司,英国德文郡。www.casaxps.com
11. j·沃尔顿和n . Fairleyj .电子Spectrosc。遗传代数。杰出人才。148年,29日(2005年)。
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