무기화학실험 - XPS[ESCA]의 원리와 특성, XPS 장치에 대해서

본문내용

후 시료실에 seal probe를 연결한 다음 시료 probe를 열어 분석한다.
3.분석
1) 원소분석
원소의 확인을 위해서는 전에너지 영역을 survey 혹은 wide scan(0-1100eV)한다. 이때 구성원소들은 고유한 광전자선을 나타내므로 원자번호 3번 이상의 원소 분석이 가능하다.
2) 상태분석
결합에너지는 화학적 환경에 따라 다르다. 즉, 원자의 화학결합상태가 다르면 결합에너지의 값은 보통 수 eV가 변화하므로 이 변화된 값 (chemical shift)에서 화학결합상태와 원자가 전자의 상태를 확인할 수 있다.
3) 정량분석
시편의 표면에서 나오는 광전자 피크의 면적이나 높이를 이용하여 구성 원소의 조성비나, 원소를 정량할 수 있다. XPS의 정량분석에는 두 가지 방법이 있는데 하나는 상대감도계수 또는 표준시료에 의한 검량선법이고 다른 하나는 세기인자를 가정하여 원소농도를 구하는 방법이다. 그러나 아래와 같은 여러 조건이 있어 정량분석은 일반적으로 어렵다고 알려져 있다.
① 각 원소의 광전자 피크의 상대 세기가 다르다.
② 어떤 원소의 표면농도는 같아도 시료의 형태에 따라 방출되는 광전자의 양이 다르다.
③ 장치를 사용함에 따라 X-선관이나 측정실이 오염되어 X-선의 세기가 시간에 따라 감소한다.
따라서 한 개 시료에 포함되는 몇 개 원소의 피크를 연속적으로 측정하는 경우나 한 개 원소에 대하여 원소 피크와 shift한 피크를 얻을 경우만이 이들 피크의 면적비, 또는 전체를 100%로 규격화하여 상호 비교할 수 있는 자료를 얻을 수 있다.
4) 수직분포 분석 (Depth profiling)
시료표면에 에너지가 큰 불활성 기체로부터 발생시킨 양이온(Ar+)을 충돌시킴으로써 표면을 분당 수 Å씩 깎아내면서 수천Å까지의 깊이에 따른 조성변화와 화학적 상태 변화를 분석하는 방법이다. 이 방법은 XPS와 AES에서만 사용할 수 있는 유일한 분석기술이다.
5) 절연물질의 분석
분석대상 시료가 절연체(세라믹스, 유리, 고무, 고분자 등)일 경우 광전자의 방출에 의한 전자부족으로 하전현상(charging effect)이 일어나서 광전자 선이 높은 결합에너지 방향으로 이동하는 수가 있다. 이런 경우에는 시료 중에 잘 알려진 원소의 정확한 에너지(C1s: 284.6eV, Au 4f7/2: 83.8eV, Ag3d5/2: 367.9eV)를 이용해서 보정해 주어야 한다. Auger electron spectroscopy에서는 하전 현상 때문에 많은 제안을 받고 있어 절연물질의 분석에서는 XPS가 더욱 유용하다.
6) 유기화합물의 분석
유기화합물의 XPS 스펙트럼을 IR, NMR과 같이 보완하면서 해석하면 많은 정보를 얻을 수 있다. 유기물의 구조해석, 원소정량, 원자의 결합, 원자가의 성질을 규명할 수 있으며, 또한 고분자 피막현상, 분해 메카니즘 규명도 알아볼 수 있다.
대표적인 응용분야
① 금속재료의 표면산화상태, 부식상태, 부동태피막, 내식성, 도장성, 밀착성 등의 구조 해석
② 반도체 기술 개발을 위한 여러 가지 실험조건에 의한 표면, 계면상대 규명
③ 무기산화물, 촉매, 세라믹스 등의 산화상태 및 distribution of species 결정
④ 고분자 복합재료 연구
⑤ 금속 표면에서 가스의 흡착 및 탈착연구
ESCA(XPS)의 장점은 Charge up의 영향이 AES보다 적으므로 절연체 시료 분석이 용이하다. X선 조사에 의한 시료 손상은 전자선 조사에 비해 경미하고, 화학상태분석, (반)정량 분석이 용이하다. Ion Sputtering, 각도분해법으로 비파괴 깊이방향 분석 가능하다. 하지만 이 완벽해 보이는 XPS도 X-ray의 매우 넓은 영역을 쏘기 때문에 국부적인 부분은 확인을 못하다. 즉 수평적인 해상도가 좋지 못하다. 하지만 Bulk의 정량정인 분석에는 효과적이고 또한 AES(Auger Electron Spectroscopy)와 비교하였을 때 원자번호 32번 이상일 때 신뢰성이 좋져서 32번 이하의 분석은 민감도가 낮게 된다.
<참고문헌>
경북대학교 공동실험실습관 / http://www.ssskorea.co.kr
네이버 지식인 & 블로그 (ESCA, XPS, CHA, 표면분석)
http://tiger6107.blog.me/140004632117
http://platin.kr/110016658107
http://blog.naver.com/hjh4142?Redirect=Log&logNo=50139683838

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XPS(ESCA)의 원리,   XPS 장치,   광전자 스펙트럼