XPS, 광전자 분광법

 

 XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) 광전자 분광법

 

표면 분석에 있어서 가장 잘 알려져 있고, 널리 사용된다.

 

아인슈타인의 광전효과 (photoelectric effect)를 기반으로 고에너지의 빛과 표면의 상호작용에 기인한 광전 효과에 의해 방출된 전자의 운동 에너지를 측정하여 분석한다.

 

- 광원, power source

- 어떤 내용을 분석하는지

- 특징

- 최외각 전자의 측정

- 일반적인 원소의 피크 위치

- 참고

1. 전자는 어떻게 튀어나오게 되는지

2. 비탄성적 평균 자유 행로(inelastic mean free path, ℷ ): 전자의 특성을 설명하는 물리량

3. 원자/전자껍질

4. 화학적 천이

 

 광원, power source

 

광원으로 X-선을 사용한다. X-선 중 상대적으로 파장이 긴 수십에서 수천 eV의 에너지에 해당되는 soft X-선 사용. 이는 지구상에 존재하는 대부분 원소들의 외곽 전자를 여기시킬 수 있는 에너지로 물질의 전자구조를 연구하는데 많이 사용한다. 물질의 각 원소들 간의 전기 화학적 상호작용으로 인한 전자구조의 변화는 외곽전자에서 두드러지게 나타남으로 물질간의 상호작용에 따른 전자구조 변화를 분석하기 위해서는 연 X-선을 사용하는 것이 가장 효과적이다. 하지만 연X-선은 공기 중에서 쉽게 흡수되기 때문에 이를 이용한 다양한 분석 실험을 진행하기 위해서는 진공 시스템이 필수적이다.

 

상대적으로 X선의 에너지와 최외각전자의 결합에너지(10eV 이하)의 차이가 너무 커서 X선을 사용하는 경우, 측정되는 시그널이 매우 작다. 이 경우 연X선 보다 에너지가 더 낮은 자외선(UV)을 사용하는 것이 더욱 효율적이다.

 

 

 어떤 내용을 분석하는지

 

분석 시료를 이루고 있는 원소의 핵심부 전자(내각준위 core electron) 또는 외각 준위(valence level) 전자를 방출시킨 후, 방출된 전자(광전자)의 운동에너지를 측정하여 원소의 고유한 특성 중 하나인 핵심부 전자의 결합 에너지(binding energy)를 측정할 수 있다.

결합 에너지를 분석하여 (1)시료를 구성하고 있는 원소를 찾을 수 있으며, (2)결합 에너지를 자세히 분석하여 화학적 천이(chemical shift)를 이용한 화학결합 상태 등에 대한 정보도 얻을 수 있다.

(어떤 원소가 있는지 분석 à 어떤 화학결합을 가지고 있는지 분석 _ 각각의 원소의 비율/화학결합의 에너지 양을 통한 비율 분석) (= 원소의 원자 백분율(atomic percent) + 탄소가 이룰 수 있는 다양한 화학 결합을 C(1s) 피크의 화학적 천이 분석을 통해 얻는다.)

결합 에너지 범위가 0 eV부터 약 1,000 eV까지인 스펙트럼 = survey 스펙트럼: 박막 내에 어떠한 원소들이 존재하며 원소들의 상대적인 비율, 즉 원자 백분율(atomic percent)를 측정한다.

원하는 원소를 확대하여 고분해능 방식으로 얻는 스펙트럼 = multiplex 스펙트럼: 측정 후 피크의 모양을 분석하여 그 원소의 자세한 화학 결합 상태를 알 수 있다.

 

주로 사용되는 곳: 탄소 기반의 고분자 박막(C, N, O, S로 이루어짐) 시료, 탄소 기반의 여러 샘플

 

XPS는 각 결합의 intensity를 판단하기 어렵다. 픽의 시작과 끝 그리고 픽 속의 다른 요소들이 같이 뭉쳐있기 때문에, 그것을 어떻게 분리/해석 하냐에 따라 달라진다. 그렇기에 해석하는 사람에 따라 조금씩 차이가 있다.

 

 특징

 

1. 광전자의 평균 자유 행로가 수 나노미터 정도로 매우 짧기 때문에 일반적으로 시료 표면의 성분과 분자의 결합 상태 등에 대한 정성 분석 및 정량 분석이 가능하다.

2. 시료에 손상을 가하지 않고 분광학적인 방법으로 분석한다.

3. 다양한 추가적 장치 혹은 여러가지 트릭을 이용하여 표면의 깊이 분석 및 특정 원소의 수직적 분포의 분석이 가능하다.

 

 최외각 전자의 측정

 

반도체, 도체, 부도체와 같은 물질의 고유한 전기적 특성은 최외각 전자의 분포에 따라 결정되므로 결합에너지에 따른 최외각전자의 분포를 측정, 분석하여 물질의 고유한 전기적 특성 및 특성의 변화를 연구할 수 있다. 전극으로 상용되는 금속과 반도체 물질의 계면의 최외각전자구조 측정을 통해 금속에서 반도체로의 전자/전공 주입 장벽 등을 분석할 수 있고, 이는 반도체를 사용하는 소자의 특성을 설명하기 위한 매우 중요한 결과이다.

 

물질의 전기적 특성을 결정하는 최외각 전자의 경우 미세한 구조상의 변화에 의해서 발생되는 전자구조의 변화도 측정되기 때문에 상변화에 따른 저항변화 그리고 표면 및 계면에서의 도체, 부도체 변환 등의 근본 원리를 설명하는 데 유용하게 사용된다.

 

 일반적인 원소 피크 위치

 

C(1s) ~ 285 eV, N(1s) ~ 398 eV, O(1s) ~ 531 eV, F(1s) ~ 685 eV, Si(2p) ~ 99 eV, S(2p) ~ 164 eV, S(2s) ~ 228 eV, P(2p) ~ 130 eV, P(2s) ~ 188 eV, Cl(2p) ~ 200 eV, Cl(2s) ~ 271 eV, Br(3d) ~ 69 eV

 

 

참고

 

전자는 어떻게 튀어나오게 되는지

 

비탄성적 평균 자유 행로(inelastic mean free path, ℷ ): 전자의 특성을 설명하는 물리량

 

원자/전자껍질

 

화학적 천이