磁性材料中材料表面信息检测方案(X光电子能谱)

SSL-CA14-980Excellence in Science Excellence in ScienceXPS-008 岛津企业管理(中国)有限公司分析中心Shimadzu(China)CO.，LTD. Analytical Applications Centerhttp：//www.shimadzu.com.cn上海市徐汇区宜州路180号华鑫天地二期C801栋咨询电话：021-34193996Hotline： 021-34193996 岛津XPS技术表征磁性材料 XPS-008 摘要：磁透镜是现代X射线光电子能子仪 (XPS) 的关键部件，但在对磁性样品进行分析时，样品的磁性可能会干扰光电子的运动轨迹。本文选用了两种不同性状的磁性材料，提出了在对磁性材料进行分析时的注意事项，并对磁性材料表面的元素及化学态组成进行了分析。 关键词：磁性材料、XPS、化学态 巧妙地进行材料合成、微观结构控制，最终获得综合性能优化的磁性材料，这样的成就在磁学与磁性材料发展史上，具有划时代意义。 XPS已成为材料物化表征领域的常见设备之一，磁透镜、静电透镜都是现代 XPS的关键部件，磁透镜安置于样品台的下方，通过磁场作用改变光电子的出射方向，使得出射电子都能进入检测器进行分析，大幅提高XPS分析灵敏度；静电透镜安置于样品台上方透镜组中，不改变光电子的出射方向，因此灵敏度较低。在日常分析过程中，通常选择磁透镜模式，但在分析磁性材料时，由于磁性材料会与磁透镜之间发生相互作用，因此分析测试时需要谨慎。本文对两种性状的磁性材料进行了分析，提出了在对磁性材料进行分析时的注意事项，为测试工作者提供参考。 X射线高压：15kV 停留时间 (Dwell time))：： 300 ms 1.1仪器 岛津光电子能谱仪(Axis Supra) 1.2分析条件 激发源：单色AI靶(AlKa， 1486.6eV) 通能：全谱160eV，精细谱40 eV 分析区域： slot模式(700*300um) ( 扫描速度：全谱1eV，窄谱0.1 eV ) 1.3样品及处理 本次选用两个两种性状的磁性材料进行测试：粉分材料(镍基磁性粉末)、板状材料(镀锡磁性钢板)。磁性粉末制样应该量少为宜，将少量粉末贴于双面胶带上，压实，剪至5mm×5mm大小，再直接贴于样品条上即可，如图1所示。板状材料则应将其通过螺丝、铜片等机械夹具固定在样品条上进行制样，如图2所示，同样样品不适宜过大，只要有合合区域大小(5mm×5mm) 进行XPS分析即可。如果样品较大或者没有合适的固定方法，则样品在磁透镜作用下有可能发生移动，为避免这种情况发生，可能需要通过静电透镜进行分析。 图1镍基磁性粉末制样状态图 图2镀锡磁性钢板制样状态图 I结果与讨论 图3是磁透镜模式下镍基磁性粉末的全谱图，图谱信噪比较好，对谱图进行峰位分析可知，材料表面主要含有Ni、O、C元素，还含有少量N、Ca、Na 等元素。为了进一步对各元素的化学态组成以及含量进行分析，对各元素进行了精细谱扫描，精细谱如图4所示。从Ni 元素的精细谱结果可知， Ni 元素主要由单质 Ni (Ni，852.01 eV) 和NizOs(Nis， 861.05 eV)组成，此外还含有少量二价 Ni 成分 (Niz， 855.56eV)， 可能以 NiO或Ni (OH)的形式存在。0元素主要以 Ni 氧化物(O1，529.07 eV)、C-O (02，531.18eV)、C=0(03，532.37 eV) 的化学态形式存在，其中Ni 氧化物化学态的存在与对 Ni 元素谱峰的分析相一致， C-O、C=O的存在可能来自于材料对大气的吸附或者污染。C元素主要由 C-C (C1， 284.8 eV)、C-O (C2，2286.42 eV)、C=0 (C3，288.99 eV) 等化学态组成，这与材料表面通常存于存在的污染碳的化学组成相一致[1]，同时印证了对○元素谱峰的分析结果。此外，材料表面还存在少量 Na、N、Ca 等元素，经过对各元素的分析表明， Na元素主要以一价化合物(1071.3eV)的形式存在，N元素主要以金属氮化物 (N1，397.38eV)、C-NHz(N2，399.55 eV) 的化学态形式存在， Ca 元素主要以二价钙化合物 (347.5 eV) 的形式存在。表1是镍基磁性粉末表面元素的相对含量结果。从表中可以看出，材料主要由 Niz0s与单质Ni 组成，含量分别为23.75 wt.%与21.89 wt.%，此外还含有一些二价镍化合物、污染碳以及一些Na、N、Ca 等元素。 图3镍基磁性粉末的全谱图 图4镍基磁性粉末的精细谱图 表1镍基磁性粉末表面元素的相对含量 Element wt.% Chemical state wt.% Ni1 21.89 Ni 53.1 Ni 2 7.46 Ni3 23.75 01 2.50 O 23.85 02 16.06 03 5.29 C1 14.41 C 19.97 C2 1.98 C3 3.58 Na 1.39 Na 1.39 N 0.76 N 0.76 Ca 0.93 Ca 0.93 图5中蓝色曲线是磁透镜模式下镀锡磁性钢板的全谱图，材料表面主要含 Sn、Cr、C、O等元素。如果样品较大或者没有合适的固定方法，则可能需要通过静电透镜进行分析，岛津X射线高功率(最高达600W)的配置可以弥补静电透镜下灵敏度的不足。图5中红色曲线是静电透透模式下镀锡磁性性板的全谱图，从图中可以看出，静电透镜下也可以得到信噪比较好的谱图。 图5镀锡磁性钢板的全谱图 图6是磁透镜模式下镀锡磁性钢板的精细谱图。从图中可以看出， Sn 元素主要以 SnOz (Sni， 485.95eV) 和单质Sn (Sn2， 484.45 eV) 两种化学态组成。Cr 元素主要由 Crz0： (576.35 eV) 化学态组成。表面存在一些污染碳的组分，由C-C(Ci， 284.8eV)、C-O (C2， 287.05 eV) 和C=0 (C3， 288.45 eV) 化学态组成。0元素主要以金属氧化物(O1，530 eV)、C-O (02，531.45 eV) 和 C=0 (03， 533.15 eV)化学态组成，金属氧化物化学态表明表面存在Sn、Cr元素的氧化物， C-O 和 C=O 化学态则来自于表面污染或者对大气的吸附。 图6镀锡磁性钢板的精细谱图 表2是镀锡磁性钢板的表面元素相对定量结果，从表中可以看出，材料表面主要由SnOz(Sn1)与Crz0s组成，含量分别为29.69 wt.%与 28.76 wt.%，，含有少量单质Sn (Snz)，此外材料表面存在一些碳污染。 表2镀锡磁性钢板表面元素的相对含量 Element wt.% Chemical state wt.% C1 7.34 C 10.21 C2 1.23 C3 1.64 01 10.02 25.78 02 14.49 03 1.27 Sn 35.26 Sn1 29.69 Sn2 5.57 Cr 28.76 Cr 28.76 ■结果与讨论 本文对两种性状的磁性材料(镍基磁性粉末与镀锡磁性钢板)进行了 XPS 表征，通过全谱与精细谱对材料表面元素及化学态进行了分析，结果显示镍基磁性粉末主要由 NizO3、单质Ni 组成，此外还存在少量N、Na、Ca 等元素以及一些碳污染。镀锡磁性钢板表面主要由 SnOz与 Crz0s组成，此外还存在一些单质 Sn 与碳污染。两种材料均在磁透镜模式下进行测试，得到了较高信噪比的谱图，这也证明岛津XPS 在磁性材料表征方面的能力，为测试工作者提供参考。 ( 参考文献 ) ( [1] Barr， Tery L.， and Sudipta Seal."Nature of the use of a dventitious carbon as a binding energy standard." Journal of V a cuumScience & Technology A： Vacuum， Surfaces， and Fi l ms 13 . 3 (1 9 95)：1239-1246. ) Building C801， No.180 Yizhou Road， Shanghai 磁透镜是现代X射线光电子能谱仪（XPS）的关键部件，但在对磁性样品进行分析时，样品的磁性可能会干扰光电子的运动轨迹。本文选用了两种不同性状的磁性材料，提出了在对磁性材料进行分析时的注意事项，并对磁性材料表面的元素及化学态组成进行了分析。