Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия — РФЭС (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy) применяется для анализа химического состава и электронной структуры твёрдых тел: металлов, полупроводников, диэлектриков, оксидных систем, углеродных материалов и органических полупроводников.
 |
Информационная глубина метода определяется длиной неупругого свободного пробега фотоэлектронов — λinel (IMFP, Inelastic Mean Free Path). Зависимость λinel(Ekin) имеет универсальный характер для большинства твёрдых тел с минимумом ~0,5 нм в области Ekin = 40–100 эВ (т.н. «универсальная кривая пробега»). При стандартных условиях возбуждения (Al Kα = 1486,6 эВ, Mg Kα = 1253,6 эВ) кинетическая энергия фотоэлектронов остовных уровней лежит в диапазоне 200–1500 эВ, что соответствует λinel ≈ 1–3 нм. Информационная глубина, определяемая как глубина, дающая 95% сигнала, составляет ~3λinel ≈ 3–10 нм (30–100 Å).
Для исследования объёмных свойств и скрытых интерфейсов применяется жёсткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия — ЖРФЭС (HAXPES, Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy) с энергией возбуждения hν = 3–15 кэВ. Увеличение hν приводит к росту Ekin фотоэлектронов и, соответственно, λinel до 5–10 нм, что расширяет информационную глубину до 15–30 нм (150–300 Å). Это позволяет:
- Исследовать объёмные электронные состояния, минимизируя вклад поверхностных мод;
- Анализировать многослойные структуры и интерфейсы без послойного травления;
- Проводить измерения через защитные покрытия или в условиях in-situ ячеек.
Технические особенности реализации ЖРФЭС:
- Низкое сечение фотоионизации: σ(hν) ∝ (hν)−3 для остовных уровней, что требует источников высокой яркости (синхротронное излучение или мощные лабораторные монохроматоры с вращающимся анодом);
- Детектирование: применение анализаторов с высокой пропускной способностью (T ∝ Epn, n ≈ 1–1.5) и детекторов с низким собственным шумом, линейным откликом в диапазоне 103–106 отсчётов/с;
- Энергетическое разрешение: для сохранения ΔE/E ≈ 10−4 при Ekin = 10 кэВ требуется стабильность источников питания ≤ 10 ppm и температурная стабилизация анализатора;
- Подавление фона: использование пре-монохроматоров и коллимации для минимизации рассеянного излучения и флуоресценции от элементов конструкции.
Сравнительные характеристики режимов РФЭС:
| Параметр | Стандартная РФЭС | ЖРФЭС (HAXPES) |
| Энергия возбуждения hν | 1–2 кэВ (лабораторная), до 1,5 кэВ (синхротрон) | 3–15 кэВ |
| Кинетическая энергия Ekin | 0,2–1,5 кэВ | 2–14 кэВ |
| λinel (оценка) | 1–3 нм | 5–10 нм |
| Информационная глубина (~3λ) | 3–10 нм | 15–30 нм |
| Сечение фотоионизации (относ.) | 1 (норма) | 10−2–10−3 |
| Типичное разрешение ΔE | 0,3–0,5 эВ | 0,5–1,5 эВ |
Области применения ЖРФЭС:
- Объёмная электронная структура: исследование зонной структуры, коррелированных состояний, эффектов сильной связи в объёме кристалла;
- Скрытые интерфейсы: анализ химических состояний на границах раздела в многослойных гетероструктурах (металл/оксид, полупроводник/диэлектрик);
- In-situ и operando исследования: мониторинг процессов в рабочих условиях через окна из лёгких материалов (Be, Si3N4);
- Биоматериалы и мягкие вещества: анализ объёмного состава без повреждения поверхности ионным травлением.
Технические спецификации систем для стандартной РФЭС и ЖРФЭС, включая источники излучения, энергоанализаторы с высокой пропускной способностью и конфигурации для in-situ измерений, представлены в каталоге оборудования для фотоэлектронной спектроскопии.
*«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС). **«IMFP» (Inelastic Mean Free Path) — средняя длина неупругого свободного пробега электрона в твёрдом теле; рассчитывается по эмпирическим формулам (TPP-2M, Gries) или определяется экспериментально. ***«HAXPES» (Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy) — жёсткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия; режим с hν > 3 кэВ для увеличения информационной глубины.
.png)