材料分析xps classand chemical analysis电子平均自由程

1、分析XPSChemical analysis and ARXPS电子平均自由程， 检测深度，面积XPS信号大部分从表面多深处获得？ X-ray 的平均自由程？ 家庭作业 计算每一层原子信号贡献占总信号比，从第一层，到第十层。平均自由程为2.7nm, 原子间距从网络获得。并计算在深度大约为8nm下面所有的原子占总信号的比例 。为计算方便，可简化原子排布如左图，这实际上并不会引入太大的误差。化学分析的原则电负性 元素的键态基于电负性理解金属（电负性低）与氧（电负性高）成键，对金属而言丢掉电子，减少了外层电子的屏蔽作用，导致金属壳层电子需要更多能量离开系统，从而增加了结合能。相反的，对氧而言，与金属

2、成键减少了结合能。例子 Si 2p转移石墨烯By Adam Pirkle et. al., Applied Physics Letters, 99 (2011) 122108 电子失去越多，结合能越大例子 C1sE. Lewin, M. Gorgoi, F. Schfers, S. Svensson and U. Jansson,Surf. Coat. Technol., 2009,204, 455462分峰的最高境界是不分峰Least Wrong ProcessMuhammad Y. Bashouti, Matthias Pietsch, Kasra Sardashti, Gerald Br

3、onstrup, Sebastian W. Schmitt, Sanjay K. Srivastava, Jurgen Ristein, Jordi Arbiol, Hossam Haick and Silke Christiansen (2012). Hybrid Silicon Nanowires: From Basic Research to Applied Nanotechnology, Nanowires - Recent Advances, Prof. Xihong Peng (Ed.), ISBN: 978-953-51-0898-6, InTech, DOI: 10.5772/

4、54383. Available from: 有些峰间距过窄，或成分过于复杂.Dong et. al., Journal of Applied Physics, 114, 203505, 2013.分峰实例Dong et. al., Applied Physics Letters, 102,171602, 2013.具体氧化物的演化过程计算的各种氧化物浓度演化过程注意误差棒！注意半高宽！不得不分峰！Gaussian and LorentizanSymmetry peaks: Voigt function 峰宽的由来：初始态：不确定性原理寿命， 自旋轨道耦合终态：卫星峰+震动检测器X-射线光源L

5、orentizan: 0.085eV for Si 2p, which is 100eV 0.2eV for O 1s 532eV 0.85eV for Ge 2p3/2, 1118eV 家庭作业：找出具体的Gaussian和Lorentizan方程，并指出半高宽由哪个字母代表。Background is an Art线性_Shirley_Integral 如何分峰(基本原则)数学上，有无穷多种拟合可能！峰由线形和背景组合成每一个峰都要有确定的意义自洽，所有元素所有峰都要自洽，并与其他测量技术自洽（越多其他物理信息越好）在同一个XPS系统下标准峰对比手册和文献分峰(拟合)的例子J. Appl.

6、 Phys. 81 (10), 15 May 1997SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS, VOL. 12, 315-319 (1988) 文献中常常冲突！误差传导5次M.J. Graham et al. / Corrosion Science 49 (2007) 314A. Pakes et al. / Corrosion Science 44 (2002) 21612170SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS, VOL. 15, 641450 (1990) Oxide Free Reference Spectra InP (100) The

7、 InP wafer was exposed to atomic H at 350 C. 15LEED 24, E = 28 eVReference for future fitting parameters (Gaussian and Lorentzian). 具体过程以所得到的标准谱线参数，Gaussian, Lorentizan, Background, splitting shift,描述块体峰。以块体峰位置为准，调节氧化物分量与块体峰的相对能量差。参照文献，如果不同，找出原因！确保氧化物峰的Lorentizan与块体一致，但氧化物Gaussian务必比块体宽。多次尝试，使拟合曲线尽量

8、平滑。与其他元素的信息一致。表面氧化物的分峰基于上面对块体标准样品的表征，大量文献的综合分析！高度一致审稿人意见：This paper is extremely well-written on a critical topic regarding this field of study. The work is new and innovative and proper analysis of results and substantiation of possible mechanism and effects is utilized. Dong et al., Journal of App

9、lied Physics, 114, 154105, 2013.Plasmon loss Feature_Al spectraAl2O3Al-metalFrom XPS handbookAsymmetry Feature!文献错误PHI handbookIn Chung et al., Chem. Commun., 2007, 49985000140 eVMistake people made！The Se Auger peak did trick peoples peak assignmentP 2p and O 1sSe-P is close to the detection limit

10、of XPS.O is below the XPS detection limit. Se Auger intensity is not changed significantly with different scan angles, suggesting the Se is close to the surfaceDepth profile分层信息减薄实例_ITO on p-type SiThgersen et al. J. Appl. Phys. 109, 113532 (2011)As sputter going on, less oxide present and lower bin

11、ding energy of the spectraO 1s and C 1s未知（不熟悉）样品仔细对照手册，对全谱仔细对照，找出所有元素对某一个峰，仔细找出是否其他元素在此处的某些特征峰有重叠看是否有电荷积累再逐个细扫每一个关注的峰Data is the gift God give experimentalists, take as much as you can!荷电效应（charging effect）电荷积累与样品表面导致所有峰“结合能”变高（Peak Shift）引入测量误差，要克服！解决方案： 1. 如果只有几个eV改变，则不用在测量时做任何处理，只在处理数据是基于杂质炭C1s于2

12、85eV平移所有峰。 2.如果有几十eV改变，甚至在测量中长时间持续荷电，则需要用电荷中和。 （a）打开低能电子枪，仔细调节电子能量与电流，使测量的峰接近标准位置。缺点：由于电子很难均匀一致的中和荷电，导致“诡异”的峰形出现，使得分析极为困难！ （b）用铝箔包覆样品，只留很小的检测孔，使得表面荷电从铝箔导出 （c）用石墨烯转移至样品表面；蒸镀及其薄的Au （d） 对直接带隙材料，可用可见光照射样品表面，产生光生载流子，降低电阻。诡异的峰形实例：O 1s低能电子不均匀导致的峰形诡异荷电实例！定量分析（quantitative analysis）定量分析：元素比例每一个峰有对应的灵敏因子(sens

13、itivity factor)，标记为f。通常以F 1s峰为1。不同角度灵敏因子稍有不同。每台XPS都有校准的数据做参考。 则归一化的峰强度为峰的面积A/f。用归一化的峰强度做元素比例对比。作业：对InP样品，假如In3d5/2的灵敏因子是4，测量得到面积为100，P 2p的影响因子是0.4，我们期待P2p的面积是多少？分层结构要谨慎2nm Al2O3Si waferDetector 如何获得平均自由程使用手册： 软件下载： 更准确的叫有效衰减长度 （effective attenuation length_EAL）与材料密度直接相关，所以附加铅玻璃在UHV系统是必要的为什么需要ARXPS？多

14、层膜成分分层 信息（Depth profile） 膜层次序 成分扩散判断是否表面态未知样片深层化学信息34离子束减薄(Sputter)是完美的深度剖析方法么？ 化学键的信息可能会被离子束破坏，并展宽峰形。相对轻的元素容易被轰击掉，因此可能由于测量而改变元素比例！对InP,长时间离子束减薄会产生In-In金属键，并以液滴状分散于样品表面。很难控制轰击程度。推倒Si/SiO2堆栈的氧化物厚度362nm Al2O3Si waferDetector 假定X-射线在样品表面始终均匀电子在样品中散射各向均匀，（对晶体实际上各个角度略有不同）eOne scan-thickness of Al2O3家庭作业：

15、 如果在Si上沉积一层Al2O3,从XPS测量得到Si2p面积S1，Al 2p面积为S2，假定敏感因子分别为f1, f2, 如果我们只有这一组数据，则如何估算Al2O3的厚度？In-diffusion Through the High-k Dielectrics38Samples used InP samplesInitial treatmentsALD conditionsABCDNative oxide10% (NH4)2S 20 minNative oxide10% (NH4)2S 20 minAl2O3 at 300 C 5 nmAl2O3 at 300 C 5 nmHfO2 at 2

16、50 C 5.6 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmProcess flowARXPS at 35, 45, 60, 70 and 80UHV annealing at 400 CARXPS at 35, 45, 60, 70 and 80e-Less attenuation : close to surface Strong attenuation : close to InPDetectore-DetectorAngle Resolved XPS(ARXPS) Signal decay: Indium diffusion detected with anneal througho

17、ut Al2O339Native Oxide(NH4)2S treatedNo AnnealUHV Anneal45e-80e-ARXPSConfiguration“surface”“bulk”H. Dong, W. Cabrera, et al., Applied Physics Letters, 103, 061601 (2013). 40No P-diffusion detected with anneal InP samplesInitial treatmentsALD conditionsABCDNative oxide10% (NH4)2S 20 minNative oxide10

18、% (NH4)2S 20 minAl2O3 at 300 C 5 nmAl2O3 at 300 C 5 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmP-rich interface is expected, which is hypothesized to correlate with Dit. Quantitative analysis of ARXPS 41The crystal structure of InP, provided by Santosh KC, from Dr. Chos groupFor In-oxidescattering in

19、 the oxideattenuation f: the geometry of X-ray and detector and also atomic sensitivity n: the monolayer density of In atoms Intensity:For InPThe attenuation is from both InP and oxideARXPS model42R is the geometry of XPS and atomic density of a monolayer independentIndium oxide to InP distance Schematic of InP (100) 24 reconstruction 43Provided by Santosh KC, from Professor KJ Chos group. Quantitative Analysis of ARXPS and Schematic of Indium Diffusion 44400 CNo Anneal400 CNo Anneal