X射线光电子能谱仪

本实验室配有当前最新型Thermo Scientific™ ESCALAB™ Xi+ X光电子能谱仪。该仪器具有X射线光电子能谱、紫外光电子能谱、俄歇电子谱等功能。目前，最为常用的功能就是光电子能谱功能。X射线光电子能谱是一种表面分析技术，在不破坏样品表面的情况下，其探测深度在5-10nm范围内。该仪器的原理就是爱因斯坦提出的光电效应原理，即用一束光照射金属表面，就会有电子从金属表面发射出来。只不过现在商业化的光电子能谱均采用软X射线作为光源，可以将原子的内层电子激发出来，依靠能量探测器将电子的能量和强度记录下来形成二维的光电子谱。光电子能谱与其它各类能谱相比，最大的优势在于能够探测到原子的价态。因此其更广泛应用在化学领域。在材料方法，光电子能谱的优势在于能够分析金属材料钝化膜、腐蚀层产物，解释钝化膜或者腐蚀层的形成机理。此外，其表面探测能力使其在磁性薄膜材料中大显身手。能够探测各类薄膜材料的界面，解释薄膜磁性产生或者时效的原因。

二、仪器功能介绍：

Thermo Scientific™ ESCALAB™ Xi+ X 射线光电子能谱 (XPS) 微探针将高灵敏度、高分辨率定量成像和多功能完美结合，可满足您更高的分析性能和灵活性需求。

ESCALAB Xi+ 是可扩展、最优的多功能仪器，具有无与伦比的灵活性和可组合性，灵敏度极高，可在几秒钟内完成全谱扫描。 强大的 Thermo Scientific™ Avantage 数据系统紧密地将系统控制、数据采集、数据处理和结果报告结合成一体。 由直观的软件和硬件支撑的尖端技术确保能得到世界顶级水平的结果和高测量工作效率。 ESCALAB Xi+ 拥有独特的双探测器系统，能提供具有优异空间分辨率的高质量 XPS 成像。

对于小面积电子能谱，该仪器使用三种方法限定分析面积：

· 选择激发源限定面积 — 单色化 X 射线束可聚焦成 900 µm 至 200 µm 的束斑。

· 选择透镜限定面积 — 计算机控制传输透镜中的光阑，得到横向分辨至 20 µm。

· 由图像还原谱 — 用高分辨并行成像，可得到更小面积的谱。

1、X 射线源

ESCALAB Xi+ 装有单色化 X 射线源。 双晶体即微聚焦单色器安在 500 mm 的罗兰圆上，采用 Al 阳极。 用户可选择 200 µm 至 900 µm 间任意大小的束斑。 微聚焦单色器的优势如下：

· 小面积 XPS 测量不损失能谱仪的灵敏度，可节省分析时间。

· 只有样品的被分析部分被 X 射线辐照，因此远离样品的区域可避遭损伤。

· 在角分辨 XPS 测量时，入射 X 射线束斑始终在分析区域内。

对于 X 射线源，镀铝阳极在使用一段时间后，会影响 X 射线的强度，进而影响 X 射线的灵敏度。但是 ESCALAB Xi+ 可以移动阳极靶，让电子束照射一个新表面激发 X 射线，明显可延长使用寿命。 阳极可以达到 25 mm 的总移动范围而不破坏真空环境。 还有额外的双阳极源可供选择。 通常提供的是铝和镁阳极，但是如有要求，也可提供其它阳极材料，如金、锆或钛。

2、透镜和分析器

在 ESCALAB Xi+ 上透镜、分析器和电子探测器结合在一起，使得仪器完美无缺，对于能谱分析，重要的是宽动态范围；对于并行成像，则需要二维探测器。

系统由下列几个部件组成：

一套入射透镜系统，包括浸没式磁透镜。

入射透镜配有马达驱动的、计算机控制的一对机械光阑，用于设定分析面积和透镜的接受角。

180° 能量分析器，其平均半径为 150 mm，检测能量范围 0-5000 eV。

可改善并行成像的质量的输出透镜。 ESCALAB Xi+ 中的成像透镜优化了并行成像的质量。

一套成像 XPS 的通道板探测器。

连续的二维位敏探测器，可检测通道板输出信号，无需校正探测器特性。

3、探测器

ESCALAB Xi+ 安装两个探测器系统：一个最适用于采谱分析，另一个最适用于并行成像。 谱分析探测器为 6 通道电子倍增器阵列。 安装在分析器的出口焦平面上，可提供宽动态检测范围。 当使用可选项配置如双阳极X射线源、场发射电子枪 (FEG) 和紫外 (UV) 灯时，可获得高计数率。 通道式电子倍增器也是 ESCALAB Xi+ 仪器上反射式电子能量损失谱 (REELS) 和离子散射谱 (ISS) 的首选倍增器。

ESCALAB Xi+ 仪器上并行成像由一套通道板和连续位敏探测器组成。 该探测器可以获得最高 256 X 256 像素分辨率的平行图像。

由于此探测器从不用于高计数率的能谱应用，所以寿命长，表面上不会由于局部高计数率辐照而引起灵敏度变化。 探测器中的高动态范围同真脉冲计数和均一的表面相结合，易于处理表面灵敏度的自然差异，得到一个“无本底特征”的图像。

4、中和电子枪

Thermo Scientific ESCALAB Xi⁺ MAGCIS 离子枪用于快速 高分辨深度剖析。 ESCALAB Xi⁺ 可选择 MAGCIS 功能升级。

安装在仪器内的电子源，与分析器入射透镜同轴，当用单色化 X 射线源分析非导电样品时，用于电荷补偿。 另一个中和枪产生低能离子（辅助用于有效的电荷补偿）和低能电子（不使用磁透镜，或者有的实验不宜使用同轴电子源如 UPS）。 除荷电补偿外，同轴电子源发射的较高能量的电子用于物理成像和 REELS 测量。

5、离子枪

ESCALAB Xi+ 中安装有单原子和气体团簇离子源 (MAGCIS)，用于快速高分辨深度剖析。 MAGCIS 离子枪完全由计算机控制和操作，离子能量从 100 eV至 4 keV，能量 3 keV 时最大离子束流大于 6 μA；束流 2.5 μA 和能量 4 keV 时拥有最小束斑 200 μm。

6、数字控制

ESCALAB Xi+ 的所有分析功能均可由 Windows™ 平台上的 Avantage 数据系统控制。 这就意味着整个分析过程在需要时，可以遥控操作。

7、仪器对中和校正

正装入 Thermo Scientific ESCALAB Xi+ 仪器的标准样品台。

在 ESCALAB Xi+ 中用标准样品台对仪器进行对中和校正。标准样品台上的铜、银和金样品用于检测灵敏度、设定分析器能量标线性和确定分析器传输函数。 磷样品可让分析人员检测 X 射线束斑的尺寸和品质。 标准样品台上的一组孔可用于对中和聚焦 EX06 离子枪的离子束。 各样品和孔的位置存入数据系统中以便于多数对中和校正能自动进行。

8、样品操纵台

8.1、样品对中

Thermo Scientific ESCALAB Xi+ 的部分 样品托。

样品台沿所有轴的移动或转动均由 Avantage 数据系统控制。 仪器上安装有高分辨摄像头，可以精确定位分析位置。 光学系统的视场范围 300 μm 至 ~2.5 mm。为了定位分析特征位置，必须聚焦，在光学像标识线中心观察清楚分析特征。

另外，ESCALAB Xi+ 中可借助于快速并行成像，实时定位样品位置。此定位图像来自于 XPS 谱峰电子或者中和枪出射电子束在样品上的弹性背散射电子的快速并行成像。

8.2、样品操纵台

Thermo Scientific ESCALAB Xi+ 上的五轴样品台。

基本标配系统提供五轴样品操纵台。 此操纵台配置可对样品加热和冷却。 仪器烘烤时无需卸下马达。样品台可在真空室内旋转和倾斜，同时样品台可沿一个方向移动样品。 这一特性对倾斜样品台尤其重要，因为当角分辨 XPS 测量时倾斜角的设定精度很重要。

对于加热和冷却，提供两种样品托：带夹子的样品托，包含有固定加热器和热电耦可控制冷却和加热至 600 K；高温样品托，包含有固定电阻丝加热器和热电耦，可控制加热至 1000 K。加热样品的电源是一个整体的温控器。 在合适的样品托上温度可以冷却到< 170 K是可能的。

9、真空系统

ESCALAB Xi+ 中软件显示的一个典型的真空示意图。

分析室由 5 mm 厚的 μ 金属构成，可最大限度地屏蔽磁场。 使用涡轮分子泵和钛升华泵抽分析室真空。 这样的配置可使分析室真空优于 5 X 10-10 mbar。

分析腔室上除了能量分析器和 X 射线源接口外，还有其它源的接口如双阳极源接口、场发射电子枪接口和 UV 灯接口。 这些接口使得系统成为一台名副其实的多功能设备。

进样锁由涡轮分子泵抽真空，前级泵为旋转泵。 进样锁的泵也用于离子枪的差分抽气。 所有泵和阀门的控制均通过用户界面上的真空示意图操作数据系统完成。 阀门的控制通过指向对应的阀门符号并点击鼠标完成。 如果系统中内置的安全互锁允许，阀门将改变工作状态。

10、多功能特性

ESCALAB Xi+ 能与其它分析技术兼容，而不影响 XPS 性能。 由于仪器具有宽动态范围，对于下列能谱分析技术而言，多通道电子倍增器是理想的探测器。

10.1、离子散射谱 (ISS)

可反转极性的透镜和分析器电源使得 ISS 成为一个标配有特色的测量技术。 通道式电子倍增器提供很高动态范围，同时又避免成像探测器损伤。 EX06 离子枪或 MAGCIS 可用作 ISS 的激发离子源。

10.2、反射式电子能量损失谱 (REELS)

无需增加额外部件，ESCALAB Xi+ 可提供 REELS 功能。 REELS 电子源位于传输透镜中心轴附近，工作能量可高达1 keV。 可探测和定量分析氢元素，而氢恰恰是 XPS 唯一无法测量的元素。

10.3、非单色化 X 射线源的 XPS

双阳极 X 射线源作为可选项提供给用户。 标准的双阳极 X 射线为铝和镁阳极，但是也提供其它材料（如银、锆）。

10.4、俄歇电子能谱 (AES)

ESCALAB Xi+ 提供可选部件肖特基场发射电子枪 (FEG 1000)。 在电子束能量 10 keV 时，电子枪在束流为 5 nA 的条件下，束斑尺寸为 95 nm，对于 AES，此束流足够大。

10.5、紫外光电子能谱 (UPS)

ESCALAB Xi+ 电子能谱仪很适合安装 UPS，因为仪器的 μ 金属腔室提供了有效的磁屏蔽，从而进入透镜和能量分析器的电子具有很好的低能电子特性。 全自动的进气口和源控制将紫外光电子能谱无缝集成到了 Avantage 实验中。

10.6、预处理室

ESCALAB Xi+ 基本标配系统含有标准进样腔室 (Preploc chamber)，由进样锁和预处理室组成。 该预处理腔室接口可适合安装下列多种样品处理设备：

加热冷却探头

离子枪

高压气体室

样品停放台

进气口

预处理室其它配置作为可选项提供给用户。 例如，专用 UHV 预处理室，其靠近分析室和第二进样锁 (Preploc)，当样品导入时能维持样品在真空环境下。 另一方面，使用进样锁 (Preploc) 导入样品，也可安装一个 UHV 预处理室。