[재료과학]xps

소개글

주어진 시편에 x-ray를 쬐어서 광전자 효과로써 발생되는 photoelectron을 탐지하여, 해당 시편의 조성을 파악할 수 있는 기기이다.

목차

XPS
진공의 종류와 응용 분야
표면 분석을 한 자료
Reference

본문내용

위의 자료를 살펴보면, 초고 진공의 목적이 해당 실험과 부합하는 것을 알 수 있다. XPS는 그 원리 특성상 물질의 표면 분석에 쓰이는 분석 장비이므로, 초고진공 상태가 요구되는 것으로 보인다. 상세한 설명을 동서에서 찾았다.

대부분의 금속은 ~10^15/cm^2 의 표면 밀도를 갖는다. 표면 분석이 행해질 금속 시편을 어떤 압력에 노출 시키면 시편의 표면에 단위시간당 충돌하는 기체 분자 수는 압력에 비례한다. 예를 들어 10^-6 Torr의 압력하에서 1초에 약 10^15 개/cm^2, 즉 단원자층(monolayer: ML)을 형성할 만큼 표면과 충돌한다(이것을 1 Longmuir라 부른다.) 만일 대기압이라면 노출된 지 1초 만에 이미 10^24개의 입자가 충돌하고 흡착(adsorption)되므로 원래 분석하고자 하는 표면에 대한 관찰이 불가능해진다. 따라서 표면 분석은 일반적으로 10^-8 Pa대의 초고진공 하에서 수행된다. 이와 같은 압력하에서는 3시간이 지나도 단원자층 정도밖에 표면이 오염되지 않아 일련의 분석 실험을 행하는 데 문제가 없다. 또한 표면 분석 방법으로 가장 대표적이며 널리 쓰이는 전자분광에서 사용되는 전자 빔의 평균자유행정(mean free path)은 공간의 압력에 반비례한다. 전자의 경우 평균자유행정이 10cm 정도가 되려면 압력이 10^-1 Pa이하가 되어야 한다.


다음으로 XPS를 이용하여 실제로 표면 분석을 한 자료들을 살펴 보자.

시편에서 광전효과로써 발생한 전자들의 운동 에너지를 이용하여, 전자의 binding energy를 측정한 그래프에서 특정 에너지대에서 급격한 증가를 보이는 것을 알 수 있다. 앞의 그래프에서 kinetic energy는 전자의 Binding 에너지와 밀접한 관계가 있다. 위 그래프에서 알 수 있는 것은 발생한 전자들이 특정 에너지를 선호하는 경향이 있어 그 영역에서 peak로써 나타난 다는 것이다. 이러한 현상은 원자 내에서 전자들이 특정 에너지 상태로만 존재하는 것으로써 설명이 가능하다. 그것은 양자역학에 의한 원자 모델에서, 전자들이 특정 궤도에서 존재할 확률이 커지는 사실과 부합된다. 이때 중요한 것은 물질들마다 원자 구조 내에서 전자들이 가지는 에너지가 고유값이라는데 있다. 즉 우리는 표면에 존재하는 물질에 대한 특정 peak 값을 Data로 가지고 있으며, XPS로 측정한 data가 이것과 정확히 일치한다.

참고 자료

진공물리 및 진공기술 / 안일신
Encyclopedia of industrial chemical analysis / edited by Foster Dee Snell and Clifford L. Hilton.