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[align=center][b][font='Times New Roman']X[font=宋体]射线光电子能谱仪[/font][/font][font=宋体]真空系统的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]维护[/font][/font][/b][/align][b][font='Times New Roman'][font=宋体]摘要:[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]作为表面分析领域的必备分析技术,[/font]X[font=宋体]射线光电子能谱主要研究材料表面元素组成、相对含量及化学价态等信息。[/font][font=宋体]基于表面分析技术的特性[/font][/font][font=宋体]以及仪器构造的要求[/font][font='Times New Roman'][font=宋体],[/font]X[font=宋体]射线光电子能谱[/font][/font][font=宋体]需在超高真空条件下运行,通常分析室真空要优于[/font][font='Times New Roman']10[/font][sup][font='Times New Roman']-[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]10[/font][/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[/font][font=宋体],进样室真空要优于[/font][font='Times New Roman']10[/font][sup][font='Times New Roman']-[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]8[/font][/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[/font][font=宋体][font=宋体]。[/font][font=宋体]真空系统的有效维护[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]对于测试结果的准确性及维持良好的仪器运行状态至关重要[/font][/font][font=宋体]。针对真空系统的日常维护以及具体的报错维修经验作了简单介绍[/font][font='Times New Roman'][font=宋体],[/font][/font][font=宋体]可[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]为其他仪器管理者提供参考[/font][/font][font=宋体]。目前的维护模式[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]在确保仪器处于良好运行状态的前提下,较大程度地提升了仪器使用效率。[/font][/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]关键词:[/font][/font][/b][font='Times New Roman']X[font=宋体]射线光电子能谱、维护、[/font][/font][font=宋体]真空系统、超高真空条件[/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]中图分类号:[/font][/font][font='Times New Roman']O657. 62[/font][font='Times New Roman'] [font=宋体]文献标识码:[/font] [/font][font='Times New Roman']1 [font=宋体]引言 [/font][/font][/b][font='Times New Roman']X[font=宋体]射线光电子能谱([/font][font=Times New Roman]XPS[/font][font=宋体])样品前处理简单,[/font][/font][font=宋体]测试[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]损伤小,表面灵敏度高[/font][/font][sup][font='Times New Roman'][1][/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]X[/font][/font][font='Times New Roman']PS[font=宋体]除了可以提供元素种类(氢、氦除外)、价态及相对含量等基本信息,还能给出深度分布、微区分布、化学成像、价带结构等方面的信息[/font][/font][sup][font='Times New Roman'][2]- [6][/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]。超高真空测试环境的保持,可以减少低能光电子与气体分子相互作用造成的能量损失,使得光电子顺利逃逸出样品表面到达能量探测器,同时也会减少样品表面污染,延长仪器寿命。[/font][/font][font=宋体]真空系统的问题可能出于以下原因:进样室门有污染物、样品本放气量太大、真空部件故障(真空泵真空规)、进样室与分析室之间舱门有污染导致密封差等。本文就仪器管理过程中出现的两点真空异常维护经验作了简单介绍,并总结了真空系统日常维护要点。[/font][b][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]真空系统异常原因排查及维护案例[/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'].1 [/font][font=宋体]分析室真空虚高后报错[/font][/b][font=宋体][font=宋体]分析室真空出现如图[/font][font=Times New Roman]1[/font][font=宋体]所示报错,追溯历史排查原因,报错前一段时间真空度异常升高甚至长时间保持[/font][/font][font='Times New Roman']10[/font][sup][font='Times New Roman']-[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]11[/font][/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[/font][font=宋体][font=宋体](如图[/font][font=Times New Roman]2[/font][font=宋体]),通过乙醇在分析室各个法兰接口处作初步捡漏(见图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]),未发现漏气点。综合分析排查情况,报错原因为前期分析室真空规污染不能准确监测分析室真空出现虚高的示数,后期污染过度或达到使用寿命不能监测真空情况,待查看真空规使用日志,确认真空规已达到寿命需要更换。因此再遇到真空示数出现虚高的情况就要做好真空规报错的准备。[/font][/font][align=center][img=,347,431]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211630460636_9886_3237657_3.jpg!w347x431.jpg[/img][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]1[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]分析室真空报错[/font][/align][align=center][img=,348,428]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211631042052_7429_3237657_3.jpg!w348x428.jpg[/img][/align][align=center][font=宋体][font=宋体]图[/font][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]分析室真空报错报错前状态[/font][/align][align=center][img=,418,274]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211631193061_8700_3237657_3.jpg!w418x274.jpg[/img][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]3[font=宋体]([/font][font=Times New Roman]a[/font][font=宋体])仪器正面法兰接口检漏点;([/font][font=Times New Roman]b[/font][font=宋体])仪器背面法兰接口检漏点[/font][/font][/align][b][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'].[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]分析室真空差,持续抽不上去[/font][/b][font=宋体][font=宋体]分析室真空达不到测试要求,取出样品台后抽真空[/font][font=Times New Roman]72[/font][font=宋体]小时以上仍然维持在[/font][/font][font='Times New Roman']10[/font][sup][font='Times New Roman']-[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]7[/font][/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[/font][font=宋体][font=宋体]左右没有改善(如图[/font][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体]),排查原因:出现异常前进样室进样后分析室真空变[/font][/font][font='Times New Roman']-7[font=宋体],开[/font][font=Times New Roman]V1[/font][font=宋体]阀后变[/font][font=Times New Roman]-8[/font][font=宋体],开一段时间后基本不变稍变差,[/font][/font][font=宋体]由于进样室和分析室是[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]两个分子泵[/font][/font][font=宋体]分别抽真空,[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]同时抽[/font][/font][font=宋体]时可稍[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]变好,[/font][/font][font=宋体]说明[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]分析室有漏气的地方,[/font][/font][font=宋体][font=宋体]但通过乙醇在分析室各个法兰接口处作初步捡漏(见图[/font][font=Times New Roman]3[/font][font=宋体]),未发现漏气点。经请教工程师检查分析:[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]中和枪[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]([/font][/font][font='Times New Roman']FLOOD GUN)[font=宋体]和离子枪[/font][/font][font=宋体][font=Times New Roman]([/font][/font][font='Times New Roman']ION GUN)[font=宋体]的漏阀[/font][font=Times New Roman]V4[/font][font=宋体]和[/font][font=Times New Roman]V27[/font][font=宋体]有杂质或者漏气点使氩气持续进入分析室影响真空[/font][/font][font=宋体][font=宋体](内部气路示意图参考图[/font][font=Times New Roman]4[/font][font=宋体],漏气点实物见图[/font][font=Times New Roman]5[/font][font=宋体])。[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]手动[/font][/font][font=宋体]关闭[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]氩气[/font]V9[/font][font=宋体]和[/font][font='Times New Roman'] V6[font=宋体],手动打开[/font][font=Times New Roman]V7[/font][font=宋体]用机械泵抽走管路中的氩气,机械泵抽到[/font][font=Times New Roman]10[/font][/font][sup][font='Times New Roman']-[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[font=宋体]就可以打开[/font][font=Times New Roman]V6[/font][font=宋体],关闭[/font][font=Times New Roman]V7[/font][/font][font=宋体][font=宋体],分析室的真空恢复正常(如图[/font][font=Times New Roman]6[/font][font=宋体])。[/font][/font][align=center][img=,470,368]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211631438621_5548_3237657_3.jpg!w470x368.jpg[/img][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]4 [font=宋体]真空状态及内部气路示意图[/font][/font][/align][align=center][img=,414,310]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211631594218_3161_3237657_3.jpg!w414x310.jpg[/img][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]5 [/font][font='Times New Roman']V4[font=宋体]和[/font][font=Times New Roman]V27[/font][font=宋体]阀门连接点[/font][/font][/align][align=center][img=,460,359]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2022/10/202210211632177259_115_3237657_3.jpg!w460x359.jpg[/img][/align][align=center][font='Times New Roman'][font=宋体]图[/font]6 [font=宋体]真空恢复正常状态[/font][/font][/align][b][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]真空系统日常维护要点[/font][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][/font][font='Times New Roman'].1 [font=宋体]保持样品的[/font][/font][font=宋体]“[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]干净[/font][/font][font=宋体]”[/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]从源头上避免样品释放大量的气体,拒绝接受含有挥发性单质碘[/font]/[font=宋体]硫的样品、[/font][font=Times New Roman]X[/font][font=宋体]射线照射下会分解的样品、制样过程中易潮解的样品;[/font][font=Times New Roman]XPS[/font][font=宋体]对表面极其敏感,样品的储存、转移及制备对于样品表面状态和数据可靠性的影响不可忽视[/font][/font][sup][font='Times New Roman'][[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]9[/font][/font][/sup][sup][font='Times New Roman']][/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]。因此,送样测试要求及注意事项成为[/font][/font][font=宋体]送样测试者的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]重点[/font][/font][font=宋体]普及知识[/font][font='Times New Roman'][font=宋体],如所有样品要干燥、密封送样;有特殊性质的样品(光照射下分解、易磁化、易氧化、易吸潮、含有易挥发元素等)需说明并做好特殊处理;粉末均需研磨至没有颗粒感;薄膜样品或块状样品若有正反面要做好标记等,便于相关用户测试前准备好样品,并能尽快得到较为可靠的数据。[/font][/font][b][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][/font][font='Times New Roman'].[/font][font=宋体][font=Times New Roman]2[/font][/font][font='Times New Roman'] [font=宋体]测试前要确保达到允许测试的真空条件[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]为了使样品在进样室充分预抽,通常下午或者晚上进样,过夜抽真空,次日转移到分析室测试,若过夜抽真空后依然无法抽至[/font]10[/font][sup][font='Times New Roman']-7[/font][/sup][font='Times New Roman']mbar[font=宋体],应该取消该[/font][/font][font=宋体]样品台上样品的[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]测试。[/font][/font][b][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][/font][font='Times New Roman'].[/font][font=宋体][font=Times New Roman]3[/font][/font][font='Times New Roman'] [/font][font=宋体]减少换样间隔时间[/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]避免进样室舱门长时间打开,尽量减少换样间隔时间[/font][/font][font=宋体]。[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]还应注意保持进样室门的清洁并定期运行钛升华泵以吸附影响真空的反应气体[/font][/font][sup][font='Times New Roman'][[/font][/sup][sup][font=宋体][font=Times New Roman]8-10[/font][/font][/sup][sup][font='Times New Roman']][/font][/sup][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][b][font=宋体][font=Times New Roman]4[/font][/font][font='Times New Roman'] [font=宋体]结论[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][font=宋体]测试平台自[/font]20[/font][font=宋体][font=Times New Roman]19[/font][/font][font='Times New Roman'][font=宋体]年[/font][/font][font=宋体]开放运行[/font][font='Times New Roman']X[font=宋体]射线光电子能谱仪,样品测试量大,[/font][/font][font=宋体]为了[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]高效完成了测试任务[/font][/font][font=宋体],[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]提升有效资源的优化配置[/font][/font][font=宋体],这就要求管理人员必须特别注意仪器状态的维护,[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]降低仪器故障率,[/font][/font][font=宋体]减少维修时间[/font][font='Times New Roman'][font=宋体]。[/font][/font][font=宋体]本文就仪器管理过程中出现真空异常情况时的维护维修经验作了简单总结,并罗列了真空系统日常维护要点,可供其他仪器管理者参考。[/font][b][font='Times New Roman'][font=宋体]参考文献:[/font][/font][/b][font='Times New Roman'][1] [font=宋体]卢炯平[/font][font=Times New Roman]. X[/font][font=宋体]射线光电子能谱在材料研究中的应用[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]分析测试技术与仪器[/font][font=Times New Roman], 1995, 1(1): 1-12.[/font][/font][font='Times New Roman'][2] [font=宋体]吴正龙[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]刘洁[/font][font=Times New Roman]. [/font][font=宋体]现代[/font][font=Times New Roman]X[/font][font=宋体]光电子能谱[/font][font=Times New Roman](XPS)[/font][font=宋体]分析技术[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]现代仪器[/font][font=Times New Roman], 2006, 12(1): 50-53.[/font][/font][font='Times New Roman'][3] [font=宋体]袁欢欣[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]欧阳健明[/font][font=Times New Roman]. X [/font][font=宋体]射线光电子能谱在配合物研究中的应用及其研究进展[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]光谱学与光谱分析[/font][font=Times New Roman], 2007, 27(2): 395-399.[/font][/font][font='Times New Roman'][4] [font=宋体]贾双珠[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]李长安[/font][font=Times New Roman]. X[/font][font=宋体]射线光电子能谱在新型催化材料表征中的应用[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]分析试验室[/font][font=Times New Roman], 2016, 35(7): 862-868.[/font][/font][font='Times New Roman'][5] [font=宋体]张莉[/font][font=Times New Roman]. [/font][font=宋体]关于环境催化研究中[/font][font=Times New Roman]X[/font][font=宋体]射线光电子能谱的应用研究[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]化工管理[/font][font=Times New Roman], 2018, 36(103): 151-152.[/font][/font][font='Times New Roman'][6] [font=宋体]周逸凡[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]杨慕紫[/font][font=Times New Roman],[/font][font=宋体]谢方艳[/font][font=Times New Roman]. X[/font][font=宋体]射线光电子能谱在固态锂离子电池界面研究中的应用[/font][font=Times New Roman][J].[/font][font=宋体]物理学报[/font][font=Times New Roman], 2021, 70(17): 369-387.[/font][/font][font='Times New Roman'][7] [font=宋体]邱丽美[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]刘芬[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]赵良仲[/font][font=Times New Roman]. [/font][font=宋体]样品表面污染对[/font][font=Times New Roman]X[/font][font=宋体]射线光电子能谱定量分析的影响[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]理化检验[/font][font=Times New Roman]([/font][font=宋体]化学分册[/font][font=Times New Roman]), 2007(03): 182-184.[/font][/font][font='Times New Roman'][8] [font=宋体]苗利静[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]江柯敏[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]卢焕明[/font][font=Times New Roman]. X[/font][font=宋体]射线光电子能谱仪的开放使用与管理[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]分析测试技术与仪器[/font][font=Times New Roman], 2017, 23(02): 124-126.[/font][/font][font='Times New Roman'][9] [font=宋体]刘朋[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]诸葛兰剑[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]李洁爱[/font][font=Times New Roman]. X-[/font][font=宋体]光电子能谱仪的管理与维护[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]分析测试技术与仪器[/font][font=Times New Roman], 2018, 24(03): 188-191.[/font][/font][font='Times New Roman'][10] [font=宋体]张国宏[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]熊祖钊[/font][font=Times New Roman], [/font][font=宋体]王飞舟[/font][font=Times New Roman]. X[/font][font=宋体]射线光电子能谱仪的开放使用与维护[/font][font=Times New Roman][J]. [/font][font=宋体]广州化工[/font][font=Times New Roman], 2022, 50(10): 98-99+144.[/font][/font]
http://www.physics.fudan.edu.cn/equipment/YuanLi_guangdianPu.htm1. 引言光电子能谱同其他各种表面分析手段一样,首先经物理学家之手开创,并随着它不断完善,在化学、金属学及表面科学领域内得到了广泛的应用[1]。历史上,光电子能谱最初是由瑞典Uppsala大学的K.Siegbahn及其合作者经过约20年的努力而建立起来的。由于它在化学领域的广泛应用,常被称为化学分析用电子能谱(ESCA),但是,因为最初的光源采用了铝、镁等的特性软X射线,此方法逐渐被普遍称为X射线光电子能谱(XPS)。另外,伦敦帝国学院的D.W.Turner等人在1962年创制了使用He I共振线作为真空紫外光源的光电子能谱仪,在分析分子内价电子的状态方面获得了巨大成功,在固体价带的研究中,此方的应用领域正逐步扩大。与X射线光电子能谱相对照,此方法称为紫外光电子能谱(UPS),以示区别。2. 基本原理光电子能谱所用到的基本原理是爱因斯坦的光电效应定律。材料暴露在波长足够短(高光子能量)的电磁波下,可以观察到电子的发射。这是由于材料内电子是被束缚在不同的量子化了的能级上,当用一定波长的光量子照射样品时,原子中的价电子或芯电子吸收一个光子后,从初态作偶极跃迁到高激发态而离开原子[2]。最初,这个现象因为存在可观测得光电流而称为光电效应;现在,比较常用的术语是光电离作用或者光致发射。若样品用单色的、即固定频率的光子照射,这个过程的能量可用Einstein关系式[3]来规定:式中hν为入射光子能量,Ek是被入射光子所击出的电子能量,Eb为该电子的电离能,或称为结合能。光电离作用要求一个确定的最小光子能量,称为临阈光子能量hν0。对固体样品,又常用功函数这个术语,记做φ。对能量hν显著超过临阈光子能量hν0的光子,它具有电离不同电离能(只要Eb<hν)的各种电子的能力。一个光子对一个电子的电离活动是分别进行的。一个光子,也许击出一个束缚很松的电子并将高动能传递给它;而另一个同样能量的光子,也许电离一个束缚的较紧密的电子并产生一个动能较低的光电子。因 图见网页。图1 用Mg KαX射线激发的氖PE谱 此,光电离作用,即使使用固定频率的激发源,也会产生多色的,即多能量的光致发射。因为被电子占有的能级是量子化的,所以光电子有一个动能分布n(E),由一系列分离的能带组成。这个事实,实质上反映了样品的电子结构是“壳层”式的结构。用分析光电子动能的方法,从实验上测定n(E)就是光电子能谱(PES)。将n(E)对E作图,成为光电子能谱图(如图1)。如上图那样简单的光电子谱图,对电子结构的轨道模型提供了最直接的,因而也是最令人信服的证据。严格的讲,光电子能谱应该用电离体系M+的多电子态方法来解释,比用中性体系M的已占单电子态(轨道)为好。3. 系内仪器资源我们系现有英国VG公司ADES 400角分辨电子能谱仪,它是一台大型超真空多功能表面分析设备。多年来,经过侯晓远教授实验室的多次改进,增加了快速进样装置和一台国产小型分子束外延装置[4],使实验者可以在不暴露大气的情况下,对自行生长样品的表面与界面进行分析测试;同时通过改进控制单元与计算机的接口,由原来的手动调节、机械录谱变为由计算机控制扫谱参数并记录扫描结果。图见网页。图2 多功能电子能谱仪与分子束外延装置的联机系统 ADES 400角分辨电子能谱仪系统如图(2)所示。整个系统由分析室(主室)、预处理室(预室)、快速进样室及小型MBE生长束源炉室四部分组成。电子能谱仪的本底真空度优于5×10-8Pa,配备有Ar离子枪可以处理样品,俄歇电子能谱(AES)测量样品表面化学状态,低能电子衍射(LEED)测量样品表面结构,另外该装置还有配备了双阳极X光枪(Al和Mg靶),可以做紫外光电子能谱(UPS)。生长室本底真空度优于3×10-8Pa,生长过程真空度优于3×10-7Pa。生长室中可以同时装5个由循环水冷却的蒸发源,同时还配备了一个可以对样品的表面晶体结构进行原位实时测量的反射式高能电子衍射(RHEED)装置,样品的生长速率可以由晶体振荡器来测量,而且样品架有加热装置,可以用来处理样品或对样品在生长时加温,此外,生长室还安装了可以自动控制的劈形样品生长装置。有关这套劈形样品生长装置的消息介绍可以参考论文[5]。因此这套设备可以用分子束外延的办法生长磁性金属和合金,然后再分析室进行一些表面测量,制备好的样品,用金或银做为保护层覆盖后,再拿出真空室进行结构和磁性测量。 4. 参考文献[1] 染野檀,安盛岩雄,《表面分析》,科学出版社(1983)[2] 王华馥,吴自勤,《固体物理实验方法》,高等教育出版社(1990)[3] A.Einsten, Ann.Phys.,17, 132(1905)[4] 朱国兴,张明,徐敏,《半导体学报》, 14,719(1993)[5] 丁海峰,硕士论文,1998,复旦大学
X射线入射到样品上产生的光电子的能量一般有多大,在真空中能被探测器检测到吗??本人就是怀疑电子探针理论知识中只介绍了二次电子和背散射电子,但却未提及X射线光电子的检测问题,