광전자 방출 시 하전현상, 데이터에 미치는 영향, 전하 보상 방법

1. 광전자 방출 시 하전현상

 

XPS 분석에서 X선 소스에서 발생한 광자가 샘플 표면에 닿으면 광전자가 방출됩니다.

그림1에서 보는 것처럼 표면이 전기적으로 절연되어 있으면 광전자 방출로 인해 표면에 양전하가 축적됩니다. 이를 전자가 부족한 현상 하전현상(charging effect)라고 부릅니다. 단색이 아닌 소스(Non monochromated X-ray source)가 XPS 분석에 사용되는 경우 일반적으로 시료 영역에 전하의 영향을 제한하기에 충분한 수의 전자가 있게 됩니다.

 

2. 데이터에 미치는 영향

 

그러나 XPS 측정을 위해 단색 X선 소스(Monochromated X-ray source)를 사용하는 경우 전하를 보충하기에는 너무 적은 수의 표유 전자가 있고 그 결과 양전하가 XPS 스펙트럼에 심각한 영향을 미칩니다. 스펙트럼의 피크가 높은 결합 에너지로 이동하여 data가 왜곡됩니다. 이러한 이유로 외부 소스에서 전자를 보충하여 표면의 전하를 보충해야 합니다. 

3. 전하 보상 방법

 

Charge compensation(전하 보상)의 목적은 표면에서 안정된 상태의 전위를 제공하기 위해 광전자를 대체하는 것입니다.

표면에 고정된 전위 𝛼가 주어지면 기본 XPS 에너지 관계에서 전위를 제거하여 광 방출 전자에 대한 결합 에너지를 측정할 수 있습니다. 

따라서, XPS 측정 중 charge compensation(전하 보상)이 수행되는 절연 샘플의 경우, 결합 에너지와 운동 에너지에 관한 기본 관계는

 

E_K = hv - E_B -  𝜙  에서 

E_K = hv - E_B -  𝜙 - 𝛼 이 됩니다. 

 

전하 보상 전에는 High binding energy 쪽으로 peak가 이동되어 데이터의 왜곡이 생기는 경우가 있습니다.

효과적인 전하 보상이 없다면, 표면에서의 전위는 시간에 따라 이동할 수도 있습니다. 

 

Charge compensation이 반드시 샘플 표면의 전자 충전을 의미하는 것은 아닙니다. 

전하 보상의 중요한 목적은 최고의 피크 모양을 보장하기 위해 샘플 표면을 안정화하는 동시에 transition(전이) 사이의 피크 분리가 전자가 측정되는 에너지와 무관하다는 것을 보장하는 것입니다. 

 

알려진 transition(전이)에 대해 올바른 결합 에너지를 얻는 것이 반드시 좋은 전하 보상의 가장 좋은 지표는 아닙니다. 적절한 전하 보상 실험은 일반적으로 보정 방법을 사용하여 결합 에너지를 이동해야 하지만 피크 모양이 양호하고 상대적인 피크 위치가 안정적입니다.

 

명목상 전도성 물질은 절연 시료로 취급해야 할 필요가 있습니다. 금속 재료의 산화물층은 전도성 재료를 절연 표면으로 변형시킬 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 알루미늄 금속은 진공 상태에서도 산화되며 얇은 산화물층은 절연체 역할을 합니다.

 

효과적인 전하 보상 방법 : Combination electron beam and Ion gun 사용

 

독립적인 소스를 사용하는 것보다 집속된 저에너지 전자빔과 대면적 이온 플럭스를 생성하기 위해 단일 건을 사용하면 많은 뚜렷한 이점이 있습니다. 

그림3. Combination electron beam and Ion gun

 

그림3의 왼쪽의 경우처럼 독립적인 전자 소스만을 사용하였을 경우, 샘플에 있는 Negative static charge와의 반발력 때문에 Gun에서 나온 전자가 분석 포지션에 도달하지 못하게 됩니다. 

 

한편, 전자와 이온이 함께 방출되는 단일건을 사용하였을 경우 Negative static charge를 제거하고 전자는 분석 위치에 도달하게 됩니다.