摘要
本文通过ESCALAB Xi+XPS仪器对SiO2表面覆盖的Ga、Te、Se纳米线材料进行常规测试和平行成像表征分析,同时得到Ga、Te、Se纳米线在样品表面面内分布情况及化学态组成信息,帮助科研人员评估样品表面,为进一步提升该材料性能提供有力的依据和指导。通过本案例的讲解主要是为了展示XPS成像功能在材料表面分析中也能发挥较大的作用,这种常规XPS测试+XPI的全新解决方案为科研分析助力。
关键词:ESCALAB Xi+ XPS XPI SiO2基底 纳米线 面内元素分布 化学态组成
No.1
前言
近年来,随着科技的快速发展,各类型新材料层出不穷。对这些日益增多的新材料,如何更好的分析表征成为科研工作者需要面对的问题。在各种材料表征技术中,对材料表面进行分析表征逐渐成为科研工作者的重要研究课题。XPS作为一种表面分析设备,能很好解决这个问题。通过常规XPS测试表征分析材料表面,正逐渐成为一种主流的分析手段,被大家熟知和认可。然而,对于XPS的成像功能大家可能了解不是很多,XPS成像功能在材料表面分析中也能发挥较大作用。通过结合常规XPS测试+XPI两种测试方法,对材料表面及表面上一些特征微区进行分析,能同时得到样品表面元素分布和化学态信息,为科研工作提供指导和帮助,正逐渐成为一种越发有力的分析方案,这种常规XPS测试+XPI全新的解决方案,给我们科研工作带来有力的指导。
本文利用XPS对SiO2表面覆盖的的Ga、Te、Se纳米线进行常规XPS测试+XPI表征分析,为大家展示如何通过常规XPS测试+XPI来得到样品表面微区的元素分布情况及化学态信息。
No.2
样品情况及测试需求
纳米线是一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。根据组成材料的不同,纳米线可分为不同的类型,包括金属纳米线(如:Ni,Pt,Au等),半导体纳米线(如:InP,Si,GaN 等)和绝缘体纳米线(如:SiO2,TiO2等)。生产纳米线的硅和氧在地壳层是最常见的可持续的元素。由于纳米线制备的材料具有独特的性质,使其线被广泛应用于新兴的领域,特别是半导体行业。
本文中测试的样品为半导体纳米线,为SiO2表面覆盖的的Ga、Te、Se等元素制成的纳米线材料。需要了解纳米线中Ga、Te、Se等元素在材料表面微区的分布情况及元素价态信息,从而来评估材料制备的质量,以指导进一步提升此纳米线材料的性能。
No.3
测试仪器和测试方法
选择ESCALAB Xi+光电子能谱仪进行测试,仪器外观见下图1。为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源,900微米束斑。
图1 ESCALAB Xi+ X射线光电子能谱仪
No.4
XPS测试结果分析
4.1样品表面元素含量分析
对样品表面代表性区域进行常规XPS数据采集,测试结果如下图2所示。
图2 样品表面全扫谱图
通过全谱对样品表面进行定性分析,可看到样品表面主要含有Si、O、Te、Ga、Se、C、Na等元素,全谱分析能对样品表面有了一个初步的认识。
为了进一步得到样品中各元素的价态信息,采集了各元素高分辨窄扫谱图,如下图3所示。
图3 样品中各元素高分辨窄扫谱图
由窄扫谱图,可看到样品表面Si元素主要以SiO2的形式存在;Ga元素主要以氧化物的形式存在;Se元素主要表现出金属态形式存在,而Te元素主要以金属态和氧化态的形式存在。
同时也对样品表面Si、Ga、Se、Te以外的元素也进行了测试,高分辨率窄扫谱图如下图4所示。
图4 样品中各元素高分辨窄扫谱图
可以得出样品表面O元素主要以SiO2和金属氧化物的形式存在;其中C元素为典型的污染C的形式,主要以C-C、C-O及C=O的形式存在;Na元素可能来自于外界污染,表现出氧化态的形式。
通过常规XPS测试得到了样品表面元素及其价态信息,能对样品表面有一个全面的认识,直观的反映出材料的性能,为研究人员进一步改进产品性能提供指导和帮助。
4.2样品表面XPI测试分析观察
样品表面微区元素分布情况
通过常规XPS测试已经了解到样品中所含元素及化学态信息,为更好的了解各元素在样品表面微区的分布情况,需要对样品进行XPI测试。选定样品表面特定区域,对代表性元素Te、Ga、Se、Si进行XPI数据采集,成像谱图如下图5所示。
图5 样品中各元素平行成像谱图
成像谱图中颜色越亮的区域代表元素在该区域分布越多,越暗的区域代表元素在该区域分布越少。对比各元素成像谱图可以看出:
Te、Ga、Se元素在分布区域基本一致,基本都分布在同一区域,这说明此区域为Te、Ga、Se纳米线分布区域;
从Si元素成像谱图可看出样品表面大部分范围分布的是Si元素。Te、Ga、Se元素分布多的区域,Si分布相对较少,Si元素分布区域与Te、Ga、Se元素分布区域形成互补,这也与样品真实情况相符,因为制备纳米线的主要元素为Si、O元素;
样品表面元素成像信息能直观的反应出Te、Ga、Se纳米线在样品表面微区的分布情况,可供科研人员快速看出此纳米线材料是否存在缺陷,评估出制备的纳米线材料的质量。
4.3回溯成谱-微区样品表面元素
组成及化学态对比分析
XPI不仅能够得到样品表面微区元素分布的情况,而且还能通过软件回溯成谱功能得到各元素高分辨窄谱,进一步分析成像谱图中特定区域元素的化学态信息。选定样品特定区域,对样品代表性元素进行XPI数据采集,选取SiO2基底区域进行回溯成谱,如下图6所示。
图6 SiO2基底区域回溯成像谱图
由上图回溯成谱图可以看出在SiO2基底区域基本上都是SiO2的信号,该区域Se、Ga、Te的信号特别微弱。
选取Te、Ga、Se纳米线区域进行回溯成谱,如下图7所示。
图7 纳米线区域回溯成像谱图
由上图纳米线区域回溯成谱可以看出:
与SiO2基底区域相比,这些离散分布的纳米线小颗粒上有较强Ga、Se、Te元素信号,同时还有SiO2的信号,这说明纳米线颗粒的覆盖层厚度不是很厚(小于10nm),在检测到Ga、Se、Te纳米线覆盖层的同时也检测到了基底SiO2的信号;
纳米线位置的O元素化学态与SiO2基底区域中的O表现出不一样的行为,有明显的金属氧化物形式的O信号。
为更清晰直观的看出两区域元素分布之间的差异,对两位置回溯成谱图进行了相对定量分析,各元素相对含量比较如下表1所示。
SiO2基底 区域/Atomic % | 纳米线 区域/Atomic % | |
Ga2p3 | 0.35 | 3.1 |
O1s Metal Oxides | 0 | 12 |
O1s SiO2 | 57 | 47 |
Se3d | 0.1 | 4.2 |
Si2p SiO2 | 42.5 | 31 |
Te3d5 Metal | 0.07 | 2.7 |
Te3d5 Oxide | 0 | 0.51 |
表1:不同区域处各元素相对含量比较