Röntgen-Photoelektronenspektroskopie: XPS / ESCA

Röntgen-Photoelektronen-Spektroskop am Fraunhofer IST.
© Fraunhofer IST, Jan Benz
Oberflächenanalyse in der Praxis: Röntgen-Photoelektronen-Spektroskop am Fraunhofer IST.

Funktionsweise der XPS / ESCA 

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie oder auch Photoelektronenspektroskopie (englisch: X-ray photoelectron spectroscopy, XPS, oft auch electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) ist ein Verfahren zur chemischen Analyse, das sich durch besondere Oberflächenempfindlichkeit mit einer Signaltiefe von nur ca. 5 nm auszeichnet. Durch Röntgenbeschuss werden Photoelektronen erzeugt, deren Energie aufgrund elementspezifischer Energieniveaus Rückschlüsse auf die Materialzusammensetzung zulässt (alle Elemente außer H und He). Da die chemische Umgebung eines Atoms die Energieniveaus der Elektronen beeinflusst, bietet XPS auch die Möglichkeit, Aussagen über Bindungszustände, Oxidationszustände oder den Anteil unterschiedlicher Bindungspartner zu treffen.

Einsatzbereiche der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS / ESCA)

Die XPS-Analyse liefert Informationen zur chemischen Zusammensetzung und Bindungszuständen nahe der Oberfläche und ermöglicht durch die integrierte Ionenkanone auch Tiefenprofile. Die XPS-Analyse wird z.B. in folgenden Bereichen eingesetzt:

  • Analyse von Oberflächenverunreinigungen, z.B. in Form von leichten Verfärbungen
  • Kontrolle von Reinigungsprozessen
  • Chemische Analyse von ultradünnen Schichten, z.B. Passivierungsschichten
  • Analyse von Oberflächenbehandlungen, z.B. Oberflächenanalysen bei Plasmabehandlungen

Oberflächensegregation einer Ni-Ag-Schicht

XPS-Charakterisierung dünner Metallschichten. XPS-Spektren einer kodeponierten 50nm Ni-Ag-Schicht. An der Oberfläche (schwarz) gibt es ein starkes Ag-Signal. In der Tiefe (rot, ca. 30nm abgetragen) überwiegt das Ni-Signal. Das Ag hat sich bei der Schichtabscheidung an der Oberfläche angereichert.
© Fraunhofer IST

XPS-Spektren einer kodeponierten 50nm Ni-Ag-Schicht. An der Oberfläche (schwarz) gibt es ein starkes Ag-Signal. In der Tiefe (rot, ca. 30nm abgetragen) überwiegt das Ni-Signal. Das Ag hat sich bei der Schichtabscheidung an der Oberfläche angereichert.

Charakterisierung von Bindungszuständen

Charakterisierung von Bindungszuständen. C-Peak einer XPS-Messung an PET-Folie. C-Peak einer XPS-Messung an PET-Folie. Die unterschiedlichen Bindungspartner der Kohlenstoffatome führen zu einer Peakaufspaltung.
© Fraunhofer IST

C-Peak einer XPS-Messung an PET-Folie. Die unterschiedlichen Bindungspartner der Kohlenstoffatome führen zu einer Peakaufspaltung.