Микро-XPS (micro-X-ray Photoelectron Spectroscopy) —
это метод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, позволяющий
получать химическую информацию с высоким пространственным разрешением на
микрометровом и субмикрометровом уровне. В отличие от стандартного XPS,
где площадь анализа может достигать нескольких миллиметров, микро-XPS
обеспечивает локальный анализ отдельных фаз, включений, границ зерен и
дефектов в материалах.
Принцип работы микро-XPS
Принцип микро-XPS основан на том же явлении, что и стандартный XPS:
при облучении образца монохроматическим рентгеновским излучением из
поверхности выбиваются электроны. Энергия этих фотоэлектронов
характеризует химическое состояние атомов и позволяет идентифицировать
элементы.
Особенность микро-XPS заключается в миниатюризации зоны
облучения:
Фокусировка рентгеновского луча:
- Используются микроскопические рентгеновские источники, зеркала
Кельвина-Штейна, зонные пластины или капиллярные оптики, что позволяет
уменьшить диаметр пятна до 1–10 мкм.
- При этом сохраняется достаточная интенсивность фотонов для детекции
спектров с высокой статистикой.
Коллимация фотоэлектронов:
- Системы микро-XPS оборудованы электронными линзами, которые
позволяют принимать фотоэлектроны только из выбранного микрорегиона
поверхности.
- Это обеспечивает пространственное разрешение и минимизирует вклад
сигнала от соседних областей.
Комбинация с микроскопией:
- Часто микро-XPS интегрируется с оптической или рентгеновской
микроскопией, что позволяет визуально выбирать области анализа.
- Совмещение визуальной информации с спектроскопической даёт
возможность точной локализации химических изменений.
Пространственное разрешение
Пространственное разрешение микро-XPS определяется несколькими
факторами:
Размер пятна рентгеновского излучения:
- Чем меньше диаметр пятна, тем выше разрешение.
- Современные системы достигают разрешения 1–2 мкм, а в передовых
лабораториях — до 100–200 нм с использованием синхротронного
излучения.
Диапазон углов эмиссии фотоэлектронов:
- Приемлемо узкое угловое окно для снижения эффекта “размывания”
сигнала с соседних областей.
Расстояние детектора до образца и система электронных
линз:
- Оптимизация траектории фотоэлектронов позволяет удерживать
пространственное разрешение при высокой энергетической
чувствительности.
Стабильность образца и виброизоляция:
- Любое смещение образца на микроуровне приводит к потере локальной
информации.
- Современные установки используют пиезоэлектрические платформы для
точного позиционирования.
Влияние
пространственного разрешения на химический анализ
Высокое разрешение открывает новые возможности:
- Локальный химический состав: возможность
анализировать отдельные зерна, границы фаз и тонкие слои.
- Химические сдвиги: выявление локальных изменений
окисления, дефектов и взаимодействий между компонентами.
- Влияние топографии: микро-XPS позволяет
минимизировать эффекты усреднения сигнала, которые возникают при анализе
крупных областей с неоднородной поверхностью.
Однако с увеличением разрешения уменьшается интенсивность сигнала,
что требует:
- Более чувствительных детекторов.
- Более мощных рентгеновских источников, включая синхротронное
излучение.
- Продолжительных времен накопления для получения спектров с высоким
отношением сигнал/шум.
Технические реализации
микро-XPS
Классические рентгеновские источники с
микрофокусом:
- Простая конфигурация, доступная в лабораторных установках.
- Пространственное разрешение: 5–20 мкм.
Системы с зонными пластинами или зеркалами
Кельвина-Штейна:
- Фокусировка рентгеновских лучей до 1–2 мкм.
- Используются для анализа тонких пленок и микроструктур.
Синхротронные микро-XPS:
- Обеспечивают подмикрометровое разрешение и высокую интенсивность
потока.
- Возможность проводить химический анализ в реальном времени и при
низких концентрациях элементов.
Особенности и ограничения
Особенности:
- Возможность точечного химического анализа с микрометровым
разрешением.
- Совмещение спектроскопии с визуальными методами контроля.
- Анализ тонких пленок, включений и границ зерен.
Ограничения:
- Уменьшение сигнала при высоком пространственном разрешении.
- Сложная настройка и высокая стоимость оборудования.
- Требовательность к стабильности образца и вакууму.