图1. HAXPES应用领域[1]
Part 1
什么是HAXPES?
首先,依据X射线的能量大小,X射线通常分为软X射线(soft X-ray)、中能X射线(Tender X-ray)和硬X射线(Hard X-ray)。具有较低光子能量(~100 eV-3 keV)的X射线通常称之为软X射线,而具有较高的光子能量(~5-10 keV)称之为硬 X射线,光子能量在3-5 keV范围的X射线有时也被称之为中能X射线。硬X射线可以通过中/高能同步辐射光源获取,也可以通过高能电子束轰击Cu、Ga或Cr阳极靶产生。
图3. 不同能量的X射线所对应的能量范围[2]
其次,高能量的硬X射线激发源具有什么独特优势?众所周知,X射线光电子能谱 (X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)是实验中常用的表面分析方法,其原理是基于光电效应,如图4所示:X射线照射固体表面时,原子内部的电子吸收X射线能量被激发成自由电子,通过能量分析器可以获得出射电子的动能和计数,最终得到XPS谱图。根据光电效应方程:
对于特定元素的芯能级电子的结合能是固定值,通过光电效应方程可见随着激发X射线能量增加,出射电子的动能也会增加,从图5的非弹性平均自由程(IMFP)普适曲线可以看到高动能电子有较大的非弹性平均自由程(IMFP)。HAXPES采用硬X射线作为激发光源,相应的出射电子的动能增加,可以获取的取样深度更大。PHI Quantes 硬X射线光电子能谱仪不仅具备了高能硬X射线源Cr Kα (hν=5414.7 eV),同时还结合了传统的单色化软X射线源Al Kα (hν=1486.6 eV)。如图6中垂直线标记所示,使用Cr Kα作为X射线激发源时,Si 2p电子的非弹性平均自由程是9.5 nm ,而使用Al Kα作为X射线激发源时,Si 2p电子的非弹性平均自由程仅是3.3 nm。一般认为XPS的探测深度是相应非弹性平均自由程的3倍,可见对于Si 2p,Al Kα XPS的探测深度约为10 nm,而Cr Kα XPS的探测深度接近30 nm。
图6. 不同能量的光电子在Si/Ti/Cu/Ag材料中的非弹性平均自由程[2]
小结:
硬X射线光电子能谱(HAXPES)是采用高能量X射线(~5-10 keV)激发的XPS谱学技术,由于出射的高动能光电子具有更大的非弹性平均自由程,所以HAXPES可以将常规XPS的探测深度(<10 nm)扩展到近30nm,在不损坏样品的情况下得到更深层的样品资讯。
撰写:鞠焕鑫博士
PHI Quantes
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Cr Kα HAXPES。
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*参考资料:
[1]Curran Kalha et al 2021 J. Phys.: Condens. Matter 33 233001
[2]https://www.phi.com/surface-analysis-techniques/surface-analysis-spotlight.html#haxpes
[3]http://bl8.lbl.gov/staff/Yang.html
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