PHI AES对科学研究的重要作用

学术期刊是研究人员共享科技成果、加深对科学问题的理解和学习交流的基石。高质量文章的发表，既离不开让人耳目一新的新思路、新观点，更不乏有效的、可靠的表征技术的支撑。例如，PHI公司（Physical Electronics）中的俄歇电子能谱(AES)在推动2022年科技的大力发展上功不可没。

回顾2022年，PHI AES仪器帮助相关学者发表了800余篇学术出版物，包括同行评审的文章和书籍，其中不少论文发表在影响力很高的顶级期刊上。

PHI AES设备被应用于诸多高新技术领域，例如高温防腐涂层¹、无碳钢²、结构钢^3-4、月球地质学⁵、区域选择性ALD⁶、环境修复⁷和燃料电池⁸等。

例如，KTH皇家理工学院和Sandvik Materials Technology的研究人员借助PHI AES来研究质子交换膜燃料电池（PEMFC）的工作机制，为电动汽车的发展提供了一个有前途的选择，从而有望推动内燃机的替代。研究表明，对PEM燃料电池中的双极板(BPPs)进行改进，可以在降低成本的同时提高功率密度。该项工作发表于国际知名期刊《Energy Conversion and Management》⁸。

PEMFC由许多堆叠膜电极组件（MEA）构成，组件之间通过BPPs分隔氧化剂和还原剂，并传导电流和排出所产生的水，因而BPPs的稳定性对燃料电池的性能影响甚大。一方面，在研究BPPs的过程中，发现其表面上存在碳-金属氧化物（MOxCy (M = Cr, Fe, Ni）“污渍”。这种污渍是在激光切割BPPs时产生：激光切割带碳涂层的不锈钢（C-coated 316L）会产生喷射物质并溅在碳涂层上，形成的碳-金属氧化物（被定义为“污渍”，碳来源于碳涂层）直接连接到不锈钢基底上，并且污渍周围的碳涂层上也会覆盖一层与之组分类似的薄膜（见图1）。

图1. 双极板表面上“污渍”的示意图。

另一方面，在循环后的MEA中发现了大量的金属污染物，特别是Fe和Ni，这些溶解金属可能来源于BPPs。为更好地解析金属溶解和导致BPPs腐蚀的过程，在本工作中利用AES对负载循环前后的BPPs表面进行了详细表征。图2展示了BPPs表面的SEM图像、AES谱图以及AES深剖曲线。AES结果表明与未受损害的极板（见图1a）相比，在H₂饥饿条件下，阳极板碳涂层区域（见图1d，橙色标记）出现Fe和Ni匮乏现象。此外，深剖曲线表明出现H₂饥饿的阳极板在纵向上Cr（右图，蓝色曲线）含量恒定，与之相反，无损极板在接近表面的区域Cr含量明显下降。这一结果进一步证明了MEA中的Fe和Ni来源于阳极BPPs，未受碳涂层保护的多组分表面（即污渍区域）会对H₂饥饿做出反应发生溶解，直到Cr浓度趋于稳定。

图2. 碳涂层316L双极板上的污渍及其周围碳涂层的表面分析(SEM[左]、AES[中]和AES溅射深度分析[右])。(a)无损极板。(d) 出现燃料H₂饥饿现象的阳极板(316L碳涂层)。

显然，AES在探索BPPs的腐蚀机理方面发挥了关键作用。其高空间分辨率(＜5 nm)的成像技术结合元素定量和精准的深度分析能力，使腐蚀机理的研究成为可能，有助于高度稳定的、可替代化石燃料驱动的内燃机的研发。

无独有偶，斯坦福大学的Yarbrough研究团队于2022年在《Chemistry of Materials》上发表了一篇关于利用PHI AES来研究区域选择性原子层沉积(AS-ALD)的文章。⁶ AS-ALD是一种在纳米尺度上制造薄膜的方法，厚度通常控制在埃米（Å）量级。值得注意的是，普通的表面分析方法受限于其空间分辨能力，难以对这类纳米尺度的材料进行表征。而PHI AES的二次电子成像的空间分辨可达3 nm，成分分布影像的空间分辨可达8 nm，分析深度在4-50 Å，因此借助PHI AES可以确定ALD过程的选择性。

图3. (a) Al ALD前Cu/SiO₂基底的SEM图像。(b) Al ALD循环30次后，Al在Cu/SiO₂上的AES元素影像。(C) Al ALD循环30次后，Cu/SiO₂表面的AES线分析。

图3展示了Cu/SiO₂ 衬底在Al ALD后的AES分析结果。如图3b所示，AES 元素mapping表明Al只在选定的区域沉积。对该区域进行进一步的线扫描分析(见图3c)，结果证明了Al ALD的高度选择性，即高强度的Al和Cu与低含量Si的分布区域一一对应，反之亦然。该项工作再次证明了PHI AES仪器的高空间分辨率成像能力允许在纳米尺度上表征这种沉积区域。

总之，PHI AES在表面元素鉴定和元素成像上具有其独特的优势，尤其是在针对具备纳米尺度特征的样品的表征上拥有不可替代表面分析能力。目前，PHI AES已经成为应用最广泛的表面分析技术之一，在合金、催化、半导体、能源电池材料、电子器件等领域的研发上起着至关重要的作用。