XPES, XPS oder ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis)

 

Das Funktionsprinzip

Die Photoelektronen-Spektroskopie mit Röntgenlicht basiert auf dem Photoeffekt, bei welchem durch eine Photonenanregung ein Elektron aus einem Molekül, Atom oder Festkörper entfernt wird. Sie wird mangels kostengünstiger abstimmbarer Lichtquellen im hochenergetischen elektromagnetischen Bereich der Röntgenstrahlung typischerweise mit einer festen Anre­gungswellenlänge (Al Kα: 1486,7 eV oder Mg Kα: 1252.7 eV) durchgeführt.

Je nach Photonenenergie und Element kann dann ein Elektron aus einer Innerschale entfernt werden (1s, 2s, 2p oder höher.....). Zum Nachweis der Bindungsenergie des Elektrons, also der Energieposition der Innerschale des Elements aus dem das Elektron stammt, misst man die kinetische Energie des emittierten Elektrons (siehe Abb. 1).

Die energetische Lage der Innerschalen besitzt eine starke Abhängigkeit von der jeweiligen Kernladungs­zahl und ist somit für die Elemente unterschiedlich und charakteristisch.

 

Elementanalyse mit XPES

Durch systematische Untersuchungen entstand in der Vergangenheit von allen X-PES-Linien­sys­temen aller Elemente ein vollständiger Katalog mit quantitativen Kalibrierungen. Ein Aus­werteprogramm macht eine eindeutige Zuordnung einer gemessenen Linie zu einem chemi­schen Element möglich. Dabei ist die Intensität der Linien in eine prozentuale Stoff­menge umrechenbar. Genauigkeiten und absolute Nachweis­grenzen im %-Bereich sind bei geeignetem exakten Vorgehen möglich, aber nicht selbst­verständlich. Die Empfindlichkeit der Methode steigt mit der Kernladungszahl z. Für kleine Elemente ist auch die Anwendung spezieller Methoden möglich (Auger-Spektroskopie).

Abb. 2: Typisches ESCA-Spektrum mit Linien verschiedener Elemente

 

ESCA (electron spectroscopy for chemical analysis)

Charakteristische Verschiebungen der ESCA-Linien entstehen durch die Einbindung eines Atoms in eine chemische Umgebung: Das Abziehen oder Aufbringen von Partialladung (+ oder -) auf ein Atom findet sich in Verschiebungen seiner Elektronen-Bindungsenergien wieder. Gleiche Elemente in deutlich verschiedenen chemischen Bindungssituationen können so getrennt werden. Bei einfachen chemischen Verbindungen kann so die chemische Bindungssituation des jeweiligen Atoms zumindest qualitativ angeben werden.

 

Das Alleinstellungsmerkmal der Methode

Die Stärke der Methode ist durch die geringe Austrittstiefe der Elektronen gegeben: Die Elektronen können nur aus Tiefen von wenigen Nanometern austreten, was zu einer extre­men Oberflächenselektivität führt. Durch die Kombination dieser Eigenschaft mit einer gezielten, schrittweisen Oberflächenabtragung durch ein Sputtern mit Ar-Ionen lassen sich auch Elementzusammensetzungen in Tiefen-Schicht­profilaufnahmen erzeugen. Durch Kippen der Probe zum Spektrometer lassen sich weitere Aussagen über Schichtdicken gewinnen. Die Fläche aus der die Elektronen nachgewiesen werden beträgt allerdings einige mm2.

 

Eignung der Proben

Etabliert ist das ESCA Verfahren als Oberflächenanalytik von metallischen Festkörpern zur Bestimmung von Korrosionseffekten und elektrochemischen Prozessen, der Aufklärung der Zusammensetzungen von Legierungen und Nanoteilchen.

Die Untersuchung organischer oder nicht-leitender Oberflächen ist unter gewissen Umstän­den möglich. Untersuchungen von Haaren, beschichteten Gläsern und Polymeren waren bereits erfolgreich. Da ESCA aber bei Vakuumdrücken um 10-9 mbar oder besser durchge­führt werden muss und während der Messung eine thermische Belastung der Probe durch IR-Strahlung der Röntgenquelle entsteht, bedarf es Vortests, ob die Probe dazu geeignet ist.

 

Das XPES-Gerät

Zur Verfügung steht das ESCA-Gerät ESCALAB MK II der Firma VG-Scientific Ltd. (mittlerweile Thermo Fischer), das vakuumtechnisch umgebaut und ergänzt wurde.

Die Anlage wird von der AG Weinkauf betreut. In der AG- Weinkauf werden laserbasierte Photoelektronenspektroskopie­metho­den für die Grundlagenforschung durchgeführt. Die Spektrometer dazu sind mehr­heitlich selbst gebaut.

 

Der ESCA-Führerschein

Auf Wunsch werden von uns theoretische ESCA-Kurse und ESCA-Bedienkurse für Doktor­anden der Düsseldorfer Forschungsgruppen abgehalten (bitte langfristig anmelden, damit die Mindest-Teilnehmerzahl erreicht werden kann).

 

Auftragsmessungen

Wir können auch ESCA-Messungen für externe Auftraggeber oder Firmen durchführen. Bitte nehmen Sie Kontakt mit uns auf wenn Sie Interesse oder Fragen haben.

Heinrich-Heine-Universität
Physikalische Chemie I
Prof. Dr. Rainer Weinkauf
Gebäude: 26.33.02.36
Universitätsstr. 1
40225 Düsseldorf

Tel.: +49 211 81-11729
Fax: +49 211 81-11730