Berlin XPS1

8/3/2019 Berlin XPS1

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M a 4 : X - r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( X P S )


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C o n t e n t s

1 . O v e r v i e w o n t h e t o p i c a n d s u m m a r y o f t h e o b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . 3

2 . T h e o r e t i c a l F u n d a m e n t a l s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 . 1 C h a r a c t e r i s t i c e x c i t a t i o n p r o c e s s e s i n s o l i d s . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 . 2 L i n e w i d t h i n p h o t o e m i s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 . 3 S u r f a c e s e n s i t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2 . 4 B i n d i n g e n e r g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3 E x p e r i m e n t a l s e t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3 . 1 V a c u u m S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 . 2 X - r a y s o u r c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3 . 3 E l e c t r o n e n e r g y a n a l y z e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0

3 . 4 E v a p o r a t e r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

3 . 5 D o s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

4 E x e r c i s e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

4 . 1 C o m m i s s i o n i n g o f t h e a p p a r a t u s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1

4 . 2 O v e r v i e w s p e c t r u m o f a s i l v e r s a m p l e ( m i d l e ) . . . . . . . . . . . . . . 1 2

4 . 3 S p e c t r a o f S m m e t a l ( s h o r t - l o n g ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

4 . 3 . 1 O v e r v i e w s p e c t r u m o f S m ( s h o r t ) . . . . . . . . . . . . . . . 1 2

4 . 3 . 2 F e r m i l e v e l a n d S m 4 f - s p e c t r u m ( s h o r t - m i d l e ) . . . . . . . . 1 2

4 . 3 . 3 S m 4 s - s p e c t r u m ( m i d l e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

4 . 3 . 4 S m 3 d - s p e c t r u m ( m i d l e ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

4 . 3 . 5 S m 3 d - s p e c t r a o f s a m a r i u m o x i d e a n d c h e m i c a l s h i f t ( m i d l e ) . 1 3

4 . 4 E S C A o n 1 0 D M c o i n ( l o n g ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3

B i b l i o g r a p h y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4


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3

1 . O v e r v i e w o n t h e t o p i c a n d s u m m a r y o f t h e o b j e c t i v e s

X - r a y p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( X P S ) i s a n o n d e s t r u c t i v e m e t h o d f o r s t u d y -

i n g t h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e o f a t o m s , m o l e c u l e s , a n d s o l i d s . O r i g i n a l l y X P S w a s

u s e d f o r t h e s p e c t r o s c o p y o f a t o m s a n d m o l e c u l e s i n t h e g a s p h a s e e x c i t i n g w i t h

m o n o c h r o m a t i c u l t r a v i o l e t l i g h t ( H e I : 2 1 . 2 e V , H e I I : 4 0 . 8 e V ) a n d l a t e r f o r s p e c -

t r o s c o p i c i n v e s t i g a t i o n s o f s o l i d s b y e x c i t a t i o n w i t h s o f t X - r a y s ( A l - K : 1 4 8 6 . 7

e V , M g -

K : 1 2 5 3 . 6 e V ) [ 1 ] . T h e l a t t e r m e t h o d w a s d e v e l o p e d b y K a i S i e g b a h n

( N o b e l P r i z e i n P h y s i c s 1 9 8 1 ) a n d w a s n a m e d E S C A ( e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y f o r

c h e m i c a l a n a l y s i s ) . F o r X P S m o n o c h r o m a t i c p h o t o n r a d i a t i o n ( A l - K , M g - K ,

H e I , H e I I , s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n o r l a s e r l i g h t ) i s u s e d t o d e t a c h e l e c t r o n s f r o m

a t o m s , m o l e c u l e s o r s o l i d s . M o m e n t u m a n d e n e r g y o f t h e p h o t o e l e c t r o n s g i v e d i r e c t

i n f o r m a t i o n o n t h e e l e c t r o n i c s t r u c t u r e o f m a t t e r , f r o m w h i c h t h e y w e r e e x c i t e d .

W i t h X P S i t i s p o s s i b l e m e a s u r e t h e s h e l l s t r u c t u r e f o a t o m s a n d t h e e l e c t r o n i c

b a n d s t r u c t u r e o f s o l i d s i n a d i r e c t m a n n e r . T h e l a t t e r r e q u i r e s t h a t i n a d d i t i o n

t o t h e e n e r g y o f t h e p h o t o e l e c t r o n t h e e m i s s i o n d i r e c t i o n ( m o m e n t u m ) r e l a t i v e t o

a s i n g l e c r y s t a l l i n e s o l i d i s m e a s u r e d ( s o - c a l l e d A R U P S m e t h o d : a n g l e - r e s o l v e d

u l t r a v i o l e t p h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ) . F o r X P S i n c o n d e n s e d m a t t e r o n e m u s t

n o t e t h a t t h e m e t h o d i s v e r y s u r f a c e s e n s i t i v e , b e c a u s e o n l y p h o t o e l e c t r o n f r o m a

t h i n s u r f a c e l a y e r a r e e m i t t e d l o s s l e s s . T h e s e s o - c a l l e d e s c a p e d e p t h

v a r i e s f r o m

2 t o 2 0 , d e p e n d i n g o n t h e k i n e t i c e n e r g y ( Ekin ) o f t h e p h o t o e l e c t r o n s . c a n b e

a p p r o x i m a t e d w i t h t h e t h e h e l p o f t h e s o - c a l l e d u n i v e r s a l c u r v e ( s e e S e c t i o n 2 . 3 ) ,

w h i c h h a s a m i n i m u m o f a b o u t 2 a t Ekin = 40eV ( l a r g e s t s u r f a c e s e n s i t i v i t y ) .

I n t h i s e x p e r i m e n t y o u h a v e t h e p o s s i b i l i t y t o g o d e e p i n t o t h e d e t a i l s o f t h e

X P S t e c h n o l o g y a n d t h e p h y s i c s b e h i n d .

T h e t e c h n i c a l b a s i s c o m p r i s e s :

g e n e r a t i o n o f X r a y s

f u n d a m e n t a l s o f U H V t e c h n o l o g y

d e t e c t i o n o f e l e c t r o n s , m o n o c h r o m a t i z a t i o n o f e l e c t r o n s

s a m p l e p r e p a r a t i o n , f o r e x a m p l e b y d e p o s i t i o n o f t h i n l m s o f s a m a r i u m ( S m )

a n d / o r d o s i n g o f

O2 c o m p u t e r c o n t r o l o f t h e m e a s u r e m e n t .

2 . T h e o r e t i c a l F u n d a m e n t a l s

T h e e n e r g y o f a n i n c i d e n t p h o t o n (

hn

) i s t r a n s f e r r e d t o a b o u n d e l e c t r o n . I f

t h e e n e r g y o f t h e p h o t o n i s g r e a t e r t h a n t h e b i n d i n g e n e r g y o f t h e e l e c t r o n a n d

t h e e l e c t r o n h a s e n o u g h e n e r g y t o o v e r c o m e t h e w o r k f u n c t i o n ( F

) o f t h e s o l i d ,

i t c a n l e a v e t h e s o l i d ( g . 1 ) .


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4

F i g u r e 1 : S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e p h o t o e m i s s i o n f r o m [ 1 3 ]

D u e t o t h e e m i s s i o n o f t h e e l e c t r o n , t h e i n n e r s h e l l o f t h e a t o m ( A ) i s i o n i z e d .

T h e e n e r g y c o n s e r v a t i o n r e q u i r e s :

E(

A) +

hv=

E(

A

) +Ekin +

Ekin = hv [E(A) E(A)] = hv EB ( 1 )

w h e r e

EB i s t h e b i n d i n g e n e r g y r e l a t i v e t o t h e F e r m i l e v e l EF a n d Ekin i s

t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e p h o t o e l e c t r o n ( r e l a t i v e t o t h e v a c u u m l e v e l EV) . T h e

p h o t o e l e c t r o n s p e c t r u m i s g i v e n b y t h e k i n e t i c e n e r g y d i s t r i b u t i o n o f t h e p h o t o -

e l e c t r o n m e a s u r e d w i t h a n e l e c t r o n a n a l y z e r . F o r a k n o w n p h o t o n e n e r g y ( h n

)

t h e b i n d i n g e n e r g y c a n b e d e t e r m i n a t e f o r a l l c o r e e l e c t r o n s w i t h EB < h u F s e e

e q . 1 .

2 . 1 C h a r a c t e r i s t i c e x c i t a t i o n p r o c e s s e s i n s o l i d s

F i g u r e 2 e l u c i d a t e s t h e c h a r a c t e r i s t i c e x c i t a t i o n p r o c e s s e s i n s o l i d s b y m e a n s o f

a n o v e r v i e w X P S s p e c t r u m :

a ) e m i s s i o n f r o m c o r e l e v e l s

b ) a u g e r p r o c e s s e s

c ) e m i s s i o n f r o m t h e v a l e n c e b a n d


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5

F i g u r e 2 : A t y p i c a l X P S o v e r v i e w s p e c t r u m o f a s o l i d

d ) s e c o n d a r y e l e c t r o n e x c i t a t i o n a n d e n e r g y l o s s e s b y i n e l a s t i c s c a t t e r i n g

o f t h e e l e c t r o n s b e f o r e t h e y e s c a p e f r o m t h e s u r f a c e .

F u r t h e r m o r e , p e a k s i n d e n e d d i s t a n c e s t o a P h o t o e m i s s i o n l i n e s a r e o b s e r v e d ,

s u c h a s S h a k e - u p l i n e s f r o m t w o e l e c t r o n p r o c e s s e s . I n s u c h a n e m i s s i o n p r o c e s s

t h e e x c i t e d e l e c t r o n s t i m u l a t e s a s e c o n d e l e c t r o n f r o m a h i g h e r s h e l l ( m o s t l y f r o m

v a l e n c e b a n d ) . F o r m e t a l s s a t e l l i t e p e a k s a r e o b s e r v e d i n t h e s p e c t r a o r i g i n a t i n g

f r o m p l a s m o n e x c i t a t i o n , i . e . c o l l e c t i v e o s c i l l a t i o n s o f c o n d u c t i o n e l e c t r o n s . F o r

f u r t h e r i n f o r m a t i o n s e e [ 2 , 3 , 4 ] .

2 . 2 L i n e w i d t h i n p h o t o e m i s s i o n

T h e r e a r e s e v e r a l c o n t r i b u t i o n s t o t h e l i n e w i d t h o f a p h o t o e m i s s i o n l i n e : T h e

l i f e t i m e w i d t h o f t h e n a l s t a t e , t h e w i d t h o f t h e e x c i t i n g X - r a y l i n e , t h e e n e r g y

r e s o l u t i o n o f t h e e l e c t r o n a n a l y z e r , a n d t h e r m a l s p r e a d i n g b y i n t e r a c t i o n w i t h

p h o n o n s . T h e w i d t h o f t h e M g -

K X - r a y l i n e i n o u r s e t u p i s < 1 e V ( s e e s e c t i o n

3 . 2 ) a n d t h e e n e r g y r e s o l u t i o n o f t h e e l e c t r o n a n a l y z e r ( a t Ekin 1 0 0 0 e V ) i s a l s o

o f a b o u t 1 e V ( s e e s e c t i o n 3 . 3 ) .

2 . 3 S u r f a c e s e n s i t i v i t y

E l e c t r o n s p e c t r o s c o p i c m e t h o d s a l l o w s u r f a c e s e n s i t i v e m e a s u r e m e n t s d o w n t o

o n e m o n o l a y e r . A n i m p o r t a n t p a r a m e t e r t o d e s c r i b e t h e s u r f a c e s e n s i t i v i t y i s

t h e m e a n e s c a p e d e p t h ( l

) , w h i c h i s i d e n t i c a l t o t h e m e a n f r e e p a t h o f a

p h o t o e l e c t r o n i n a s o l i d . T h e s o - c a l l e d u n i v e r s a l c u r v e i n g u r e 3 s h o w s l

a s

f u n c t i o n o f

Ekin . I t c a n b e s e e n t h a t X P S i s v e r y s u r f a c e s e n s i t i v e a t e l e c t r o n


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6

F i g u r e 3 : U n i v e r s a l c u r v e o f e s c a p e d e p t h a s a f u n c t i o n o f Ekin f r o m [ 1 4 ] .

e n e r g i e s i n t h e r a n g e o f 20eV < Ekin < 100eV . I n t h i s e x p e r i m e n t , w e c a n v a r y

t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e p h o t o e l e c t r o n s b y s w i t c h i n g t h e a n o d e o f t h e X - r a y t u b e

b e t w e e n M g a n d A l .

2 . 4 B i n d i n g e n e r g y

T h e b i n d i n g e n e r g y EB d e p e n d s o n d i e r e n t t e r m s :

EB = EB(atom) + Echem + EMad + Erel ( 2 )

I n e q u a t i o n ( 2 ) t h e c h e m i c a l s h i f t (Echem ) ( s e e g 4 ) r e e c t s t h e i n u e n c e o f t h e

c h e m i c a l b o n d s w i t h n e i g h b o r i n g a t o m s . T h e M a d e l u n g c o n s t a n t (D

EMad ) d e -

s c r i b e s t h e e l e c t r o s t a t i c e n e r g y o f t h e l a t t i c e i n t h e s o l i d . T h e r e l a x a t i o n e e c t s

(D Erel ) d e s c r i b e m a n y - b o d y e e c t s i n t h e 1 - h o l e n a l s t a t e o f t h e i n v e s t i g a t e d

m a n y - b o d y o b j e c t . I n a d d i t i o n , m u l t i p l e t s t r u c t u r e s c a n o c c u r d u e t o f o l l o w i n g

e e c t s :

s p i n - o r b i t c o u p l i n g : I n t h i s c a s e t h e c o u p l i n g w i t h i n t h e s a m e O r b i t a l s t a t e .

T h e s p i n

so f a n e l e c t r o n i n t e r a c t s w i t h i t s o r b i t a l m o m e n t

l. T h i s i s d e s c r i b e d

b y t h e H a m i l t o n i a n :

Hsl=as l


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7

F i g u r e 4 : T h e E S C A s h i f t s o f t h e C l s i n e t h y l t r i u o r o a c e t a t e . U p p e r s p e c t r u m

w i t h o u t a n d l o w e r w i t h X - r a y m o n o c h r o m a t i z a t i o n f r o m [ 1 5 , 1 6 ] .

T h e e m i s s i o n l i n e o f a n e l e c t r o n s h e l l t h a t i s f u l l y o c c u p i e d i n t h e g r o u n d s t a t e

s p l i t i n g i n t o a d o u b l e t w i t h (l + 1

2

)a n d (

l 12

) . O f c o u r s e , e l e c t r o n s i n t h e s

s t a t e a n o t a e c t e d b e c a u s e o f t h i e r o r b i t a l a n g u l a r m o m e n t u m l = 0

.

m a g n e t i c s p i n - s p i n e x c h a n g e s p l i t t i n g : F u l l i n n e r s - s h e l l s a r e o c c u p i e d

w i t h a s p i n - u p e l e c t r o n a n d o n e s p i n - d o w n e l e c t r o n . N o r m a l l y , t h e s e t w o s p i n s

a r e e q u a l a n d t h e r e f o r e h a v e t h e s a m e e n e r g y a n d w a v e f u n c t i o n . A b r a g a m a n d

P r y c e f o u n d i n 1 9 5 1 t h a t t h e e x c h a n g e c o u p l i n g b e t w e e n a f u l l s s h e l l a n d t h e

m a g n e t i c s p i n m o m e n t o f a p a r t i a l l y l l e d s h e l l , c a n c a u s e a n e n e r g y s p l i t t i n g o f

t h e s s h e l l [ 5 ] . F o r t h e r s t t i m e t h i s m a g n e t i c e x c h a n g e s p l i t t i n g w a s o b s e r v e d

b y F a d l e y e t a l . [ 6 ] . I n t h i s e x p e r i m e n t , t h e e e c t w a s m e a s u r e d o n t h e 4 s

e l e c t r o n s o f s a m a r i u m [ 7 ] .

3 E x p e r i m e n t a l s e t u p

T h e e x p e r i m e n t a l s e t u p c o n s i s t s o f a n U H V c h a m b e r ( g . 5 ) , i n w h i c h , a m o n g

o t h e r t h i n g s , s a m p l e h o l d e r i s i n g e r t e d w i t h t h e t e s t m a t e r i a l s :

s i l v e r s h e e t

2 x s t e e l s h e e t f o r e v a p o r a t i o n o f S m


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8

F i g u r e 5 : S c h e m e o f t h e U H V c h a m b e r w i t h a p h o t o e m i s s i o n e q u i p m e n t

1 0 D M c o i n

3 . 1 V a c u u m S y s t e m

T h e U H V s y s t e m o f t h e e x p e r i m e n t i s b a s e d o n a t u r b o m o l e c u l a r p u m p w i t h

a n u p s t r e a m r o t a r y v a n e p u m p . T h e t u r b o m o l e c u l a r p u m p w o r k s v e r y e c i e n t l y

f o r h e a v y g a s e s . L i g h t g a s e s , m a i n l y H2 , w i l l b e p u m p e d s l o w l y b e c a u s e o f h i g h

p a r t i c l e s p e e d s . A f t e r s o m e t i m e t h e t u r b o p u m p r e a c h e s a n a l p r e s s u r e o f a b o u t

109m b a r . A s a r e s i d u a l g a s i n t h e r e c i p i e n t r e m a i n s m a i n l y w a t e r , t h a t s t i c k s

o n t h e s t e e l w a l l s d u e t o i t s d i p o l e s t r u c t u r e . T h e r e f o r e , t h e c h a m b e r i s b a k e d o u t

u n d e r U H V c o n d i t i o n s f o r s o m e h o u r s u p t o d a y s . A f t e r c o o l i n g a n a l p r e s s u r e

d o w n t o 1011

m b a r c a n b e r e a c h e d .

3 . 2 X - r a y s o u r c e

T h e X - r a y s o u r c e ( g . 6 a ) c o n s i s t s o f a c a t h o d e ( l a m e n t ) , w h i c h e m i t s t h e r m a l

e l e c t r o n s t h r o u g h h e a t i n g ( u s u a l e m i s s i o n c u r r e n t o f a b o u t 3 0 m A ) , a n d a n a n o d e

t o w h i c h t h e e l e c t r o n s a r e a c c e l e r a t e d b y a p p l i n g a h i g h v o l t a g e o f t y p i c a l l y 9

k V t o 1 2 k V . T h e c o n s t r u c t i o n o f t h e X - r a y s o u r c e a l l o w s t o c h o o s e b e t w e e n M g

a n d A l a s t h e m a t e r i a l o f t h e a n o d e , e a c h w i t h a c h a r a c t e r i s t i c e m i s s i o n s p e c t r u m

( g . 6 b , 6 c ) . T h i s s p e c t r u m i n c l u d e s b r e m s s t r a h l u n g a n d c h a r a c t e r i s t i c r a d i a t i o n .


9/14

9

( a ) ( b )

( c )

F i g u r e 6 : a ) S c h e m a t i c s t r u c t u r e o f t h e u s e d d o u b l e - a n o d e X - r a y s o u r c e b ) t y p i c a l

e m m i s i o n s p e c t r a o f X - R a y s o u r c e w i t h C u a n o d e c ) c h a r a c t e r i s t i c r a d i a t i o n o f A l

[ 1 3 ] .


10/14

1 0

F i g u r e 7 : S c h e m a t i c d e s i g n o f a h e m i s p h e r i c a l a n a l y z e r w i t h c h a n n e l t r o n [ 4 ] .

T h e s h o r t - w a v e r a d i a t i o n o f t h e b r e m s s t r a h l u n g w i l l b e l a r g e l y a b s o r b e d b y a n

a p p r o x i m a t e l y 1 m i c r o n t h i c k A l w i n d o w .

3 . 3 E l e c t r o n e n e r g y a n a l y z e r

T h e a n a l y z e r m e a s u r e s t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e p h o t o e l e c t r o n s b y a h e m i s p h e r -

i c a l c a p a c i t o r . I t c o n s i s t s o f a n e l e c t r i c a l l e n s s y s t e m a n d t w o m e t a l l i c h e m i s p h e r e s ,

s e e g . 7 . O n e c r u c i a l p a r a m e t e r o f s u c h a s e t u p i s t h e p a s s e n e r g y

Epas . I t h a v e

i n u e n c e o n t h e r e s o l u t i o n a n d t h e b a c k g r o u n d n o i s e . T h e h i g h e s t c o n t r i b u t i o n

t o t h e n o i s e i n t h e s p e c t r u m s t e m s f r o m e l e c t r o n s e x c i t e d b y s e c o n d a r y p r o -

c e s s e s w h i c h h a v e l o w k i n e t i c e n e r g y . T o r e d u c e t h e b a c k g r o u n d w e s e l e c t o u t

t h e e l e c t r o n s w i t h l o w k i n e t i c e n e r g y b y a p p l y i n g a p a s s v o l t a g e . T h i s c a n b e

r e a l i z e d i n m a n y w a y s f o r e x a m p l e : s l o w i n g d o w n t h e e l e c t r o n s b e f o r e t h e y e n t e r

t h e e l e c t r i c a l l e n s . S u c h t h a t o n l y e l e c t r o n s w i t h Ekin > Epas c a n p a s s . I n o u r

s e t u p t h e s e l e c t i o n i s r e a l i z e d t h r o u g h a v o l t a g e d i e r e n c e (

K+ K) b e t w e e n

t h e h e m i s p h e r i c a l p l a t e s s e e g 7 [ 3 ] . I n t h i s e x p e r i m e n t a c h a n n e l t r o n i s u s e d a s

a d e t e c t o r c o n s i s t i n g o f a g l a s s t u b e w h i c h i s c o v e r e d w i t h a c o n d u c t i n g m a t e r i a l

a s h i g h e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e . T h i s w o r k s o n t h e p r i n c i p l e o f a s e c o n d a r y e l e c t r o n

m u l t i p l i e r . T h e m u l t i p l i c a t i o n l e v e l i s t y p i c a l l y 106

t o108

W i t h t h e c o r r e s p o n d i n g

e l e c t r o n i c s t h e d e t e c t o r a m p l i e s p u l s e s a n d r e c o r d e d t h e m .


11/14

1 1

3 . 4 E v a p o r a t e r

F i g u r e 8 : E v a p o r a t e r

T h e S m e v a p o r a t o r i s r m l y i n -

s t a l l e d o n a n e l e c t r i c a l f e e d t h r o u g h

t h e c h a m b e r . I t c o n s i s t o f a t a n -

t a l u m c r u c i b l e ( h i g h m e l t i n g p o i n t )

t h a t c o n t a i n s t h e s a m a r i u m a n d a

l a m e n t w h i c h i s w r a p p e d a r o u n d

h e c r i c i b l e ( g . 8 ) . T h e l a m e n t c a n

b e h e a t e d b y a c u r r e n t a n d h e a t s u p

t h e c r u c i b l e .

3 . 5 D o s i n g

O n e o f t h e e x e r c i s e s i s t o o b s e r v e

t h e c h e m i c a l s h i f t o f t h e S m s u r f a c e

c o m p o n e n t . F o r t h i s t a s k a b o t t l e

w i t h o x y g e n O2 ( a p p r o x . p r e s s u r e

1 2 B a r ) i s c o n n e c t e d t o t h e c h a m -

b e r t r o u g h a l e a k i n g v a l v e . T h i s

s e t u p a l l o w s t o d o s e t h e o x y g e n i n

d e n e d q u a n t i t i e s . T h e u n i t f o r t h e

d o s e i s L a n g m u i r L [ 8 ] . I n c a s e t h a t

t h e s t i c k i n g c o e c i e n t i s 1 , 1 L c o r -

r e s p o n d s t o s u r f a c e w h i c h i s c o v e r e d

w i t h o n e m o n o l a y e r o f t h e a d s o r -

b a t e .

1L = 1torr 1s = 1.33 106mbar s

4 E x e r c i s e s

W i t h t h i s s e t u p y o u h a v e t h e p o s s i b i l i t y t o g o r e a l l y d e e p i n t h e p h y s i c s . I n

p r i n c i p l e i t s p o s s i b l e t o c o m p i l e a n d a d a p t t h e e x e r c i s e s t o y o u r i n t e r e s t s t o g e t h e r

w i t h t h e t u t o r ( f o r t h i s c o n t a c t t h e t u t o r o n e w e a k i n a d v a n c e ) . T h e m a i n t o p i c o f

t h e e x p e r i m e n t i s t o i n v e s t i g a t e a n d e x p l a i n t h e c o r e l e v e l s a n s t h e b a n d s t r u c t u r e

o f d i e r e n t m a t e r i a l s . A l t e r n a t i v e l y s e l e c t 4 o f t h e e x e r c i s e s l i s t e d b e l o w ( o n e o f

t h e m m u s t b e a l o n g e x e r c i s e )

4 . 1 C o m m i s s i o n i n g o f t h e a p p a r a t u s

T u r n o n t h e e l e c t r o n i c s o f t h e a n a l y z e r d i r e c t l y a f t e r y o u e n t e r t h e r o o m . T h e y

n e e d a t l e a s t h a l f a n h o u r t o w a r m u p a n d t o r u n s t a b l e . T u r n o n t h e X - r a y


12/14

1 2

s o u r c e . M a k e s u r e t h a t a h i g h v o l t a g e o f 1 2 k V i s n o t e x c e e d e d , o t h e r w i s e i t c o m e s

t o s p a r k o v e r s i n t h e X - r a y t u b e . M o r e d e t a i l e d i n s t r u c t i o n s a r e a t t h e p l a c e . T h e

m e a s u r e m e n t p r o g r a m a n d c o m m u n i c a t i o n b e t w e e n t h e c o m p u t e r a n d a n a l y z e r

e l e c t r o n i c s w i l l b e e x p l a i n e d t o y o u b y t h e t u t o r .

4 . 2 O v e r v i e w s p e c t r u m o f a s i l v e r s a m p l e ( m i d l e )

T u r n t h e s a m p l e h o l d e r s u c h t h a t t h e A g m e t a l s h e e t i s i n t h e f o c u s o f t h e

a n a l y z e r . T h e o p t i m u m s e t t i n g i s a n e m p i r i c a l v a l u e a n d w i l l b e g i v e n t o y o u

b y t h e t u t o r .

S e t a p a s s e n e r g y t o Epas = 5 0 e V , a n d t a k e a n o v e r v i e w s p e c t r u m o f s i l v e r ( Ekin

= 1 0 0 e V - 1 3 0 0 e V ) w i t h t h e A l - a n d M g - a n o d e , r o u g h l y l o c a t e t h e F e r m i

l e v e l a n d i d e n t i f y t h e e m i s s i o n p e a k s . M a k e s u r e t h a t t h e b i n d i n g e n e r g i e s a r e

g i v e n r e l a t i v e t o t h e F e r m i l e v e l .

H o w c a n y o u d i s t i n g u i s h b e t w e e n A u g e r - a n d p h o t o e m i s s i o n - e l e c t r o n p e a k s ?

W h a t c a n y o u s a y a b o u t t h e X - r a y e n e r g y ?

W h a t l i m i t s t h e r e s o l u t i o n o f t h e f u l l d e t a i l s o f t h e p e a k s t r u c t u r e ?

4 . 3 S p e c t r a o f S m m e t a l ( s h o r t - l o n g )

N o w s e t t h e S m e v a p o r a t i o n i n t o o p e r a t i o n . F o r t h e S m m e t a l a l o w c u r -

r e n t t r o u g h t h e l a m e n t i s s u c i e n t . A v a l u e f o r a n a p p r o p i a t e c u r r e n t c a n b e

f o u n d a t t h e p l a c e . C H E C K E V E R Y T I M E B E F O R E E V A P O R A T I O N T H A T

T H E S A M P L E H O L D E R I S I N T H E R I G H T O R I E N T A T I O N . A L S O M A K E

S U R E B E F O R E T H E E V A P O R A T I O N T H A T T H E C H A N N E L T R O N H V

I S S W I T C H E D O F F .

4 . 3 . 1 O v e r v i e w s p e c t r u m o f S m ( s h o r t )

T a k e a n o v e r v i e w s p e c t r u m .

T r y t o i d e n t i f y t h e p e a k s .

4 . 3 . 2 F e r m i l e v e l a n d S m 4 f - s p e c t r u m ( s h o r t - m i d l e )

N o w t a k e a s p e c t r a w i t h a m u c h b e t t e r e n e r g y r e s o l u t i o n a t t h e F e r m i l e v e l

a n d t h e 4 f - s t a t e .

S e t a p a s s - e n e r g y o f 2 5 e V a n d s c a n a s u i t a b l e e n e r g y i n t e r v a l .

M e a s u r e t h e e x a c t l o c a t i o n o f t h e m u l t i p l e t s a n d t h e F e r m i e n e r g y , c a l c u l a t e t h e

c o r r e s p o n d i n g b i n d i n g e n e r g i e s a n d c o m p a r e t h e m w i t h t h e o r y a n d l i t e r a t u r e

[ 9 ] .

W h a t d o y o u n e e d t o e n s u r e t o g e t a r e s o l u t i o n b e t t e r a n d d e c r e a s e t h e s t a t i s -

t i c a l u c t u a t i o n s ?


13/14

1 3

4 . 3 . 3 S m 4 s - s p e c t r u m ( m i d l e )

W h e r e d o y o u e x p e c t t h e 4 s b a n d ?

T a k e a n a c c u r a t e s p e c t r u m ( p o s s i b l y i t i s b e t t e r t o p r e p a r e a f r e s h l m o f S m ) .

W h a t k i n d o f s p l i t t i n g d o y o u e x p e c t ? [ 1 0 ]

T r y t o m e a s u r e t h e c o r r e s p o n d i n g m u l t i p l e t .

C o n s i d e r t h e e l e c t r o n i c c o n g u r a t i o n a n d d e d u c e f r o m t h e i n t e n s i t y r a t i o .

4 . 3 . 4 S m 3 d - s p e c t r u m ( m i d l e )

W h i c h a n o d e ( A l o r M g ) i s b e t t e r s u i t e d t o o b s e r v e t h e s u r f a c e c o m p o n e n t o f

S m .

T a k e a s p e c t r u m o f t h e s a m a r i u m 3 d s p i n - o r b i t m u l t i p l e t s w i t h d i e r e n t p a s s

e n e r g e s a n d m e a s u r e t h e i r d i s t a n c e s .

H o w i m p o r t a n t i s t h e p a s s e n e r g y f o r X P S .

W h a t r a t i o d o y o u e x p e c t o n t h e b a s i s o f t h e g i v e n e l e c t r o n i c c o n g u r a t i o n ?

C a l c u l a t e t h e s p i n - o r b i t c o u p l i n g c o n s t a n t f r o m t h e m e a s u r e d s p l i t t i n g .

T r y t o e x t r a c t i n f o r m a t i o n a b o u t t h e s u r f a c e s p r e v a l e n c e o f s a m a r i u m f r o m t h e

s p e c t r u m ?

J u s t i f y t h e d i r e c t i o n a n d i n t e n s i t y o f a m o u n t o f t h e s a t e l l i t e p e a k s r e p r e s e n t i n g

t h e s u r f a c e c o n t r i b u t i o n . H o w d o y o u e x p l a i n t h e s u r f a c e v a l e n c e t r a n s i t i o n i n

S m m e t a l [ 1 0 , 1 1 ] .

4 . 3 . 5 S m 3 d - s p e c t r a o f s a m a r i u m o x i d e a n d c h e m i c a l s h i f t ( m i d l e )

D o s e a t l e a s t 1 L o x y g e n o n t h e s a m p l e .

T a k e a n o v e r v i e w s p e c t r u m a n d i d e n t i f y a l l i n t e r e s t i n g p e a k s .

L o c a t e t h e S m 3 d - m u l t i p l e t a n d t a k e a n a c c u r a t e s p e c t r u m .

E x a m i n e t h i s s p e c t r u m a n d m a k e s t a t e m e n t s a b o u t t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n

o f t h e o x i d e .

C o m p a r e t h e p e a k s p l i t t i n g e s p e c i a l l y w i t h t h e s p e c t r u m o f f r e s h l y e v a p o r a t e d

S m m e t a l .

N o w m e a s u r e t h e c h e m i c a l s h i f t t h e b e t w e e n o x i d e a n d t h e m e t a l .

4 . 4 E S C A o n 1 0 D M c o i n ( l o n g )

T h i n k a b o u t t h e r e s o l u t i o n a n d n u m b e r o f i n t e g r a t e d s p e c t r a t o g e t b e s t r e s u l t

i n s h o r t t i m e .

T a k e a s p e c t r u m o f t h e 1 0 D M c o i n .

T r y t o d e t e r m i n e t h e u n k n o w n c o m p o n e n t s o f t h e c o i n w i t h t h e h e l p o f t h e

l i t e r a t u r e [ 9 , 1 2 ] .


14/14

B i b l i o g r a p h y

[ 1 ] K a i S i e g b a h n e t a l . , E S C A : A t o m i c , M o l e c u l a r a n d S o l i d S t a t e S t r u c t u r e s t u d i e d

b y m e a n s o f E l e c t r o n S p e c t r o s c o p y , U p p s l a ( 1 9 6 7 ) .

[ 2 ] S t e f a n H f n e r , P h o t o e l e c t r o n S p e c t r o s c o p y , S p r i n g e r V e r l a g ( 1 9 9 6 ) .

[ 3 ] H . L t h , S u r f a c e s a n d I n t e r f a c e s o f S o l i d M a t e r i a l s , 3 . A u a g e , S p r i n g e r V e r l a g ,

B e r l i n ( 1 9 9 5 ) .

[ 4 ] M . H e n z l e r u n d W . G p e l , O b e r c h e n p h y s i k d e s F e s t k r p e r s , 2 . A u a g e , B . G .

T e u b n e r S t u t t g a r t ( 1 9 9 4 ) .

[ 5 ] A . A b r a g a m u n d M . H . L . P r y c e , P r o c . R . S o c . L o n d o n A 2 0 5 , 1 3 5 ( 1 9 5 1 ) .

[ 6 ] C . S . F a d l e y , D . A . S h i r l e y , A . J . F r e e m a n n , P . S . B a g u s a n d V . J . M a l l o w , P h y s . R e v .

L e t t . 2 3 , 1 3 9 7 ( 1 9 6 9 ) .

[ 7 ] G . K . W e r t h e i m , R . L . C o h e n , A . R o s e n c w a i g , H . J . G u g g e n h e i m , M u l t i p l e t S p l i t t i n g

a n d T w o - E l e c t r o n E x c i t a t i o n i n t h e T r i v a l e n t R a r e E a r t h s , E l e c t r o n S p e c t r o s c o p y ,

S . 8 1 3 , E d . D . A . S h i r l e y , N o r t h - H o l l a n d ( 1 9 7 2 ) .

[ 8 ] Q u a n t i t i e s , U n i t s a n d S y m b o l s i n P h y s i c a l C h e m i s t r y T h i r d E d i t i o n ( I S B N

9 7 8 - 0 - 8 5 4 0 4 - 4 3 3 - 7 ) , h t t p : / / w w w . i u p a c . o r g / p u b l i c a t i o n s / b o o k s / g b o o k / g r e e n _

b o o k _ 2 e d . p d f

[ 9 ] C e n t e r f o r X - R a y O p t i c s a n d A d v a n c e d L i g h t S o u r c e , X - R a y D a t a B o o k l e t , T e c h n i a l

a n d E l e c t i c a l I n f o r m a t i o n D e p a r t m e n t - L a w r e n c e B e r k e l e y N a t i o n a l L a b o r a t o r y ,

B e r k e l e y ( 2 0 0 1 ) , h t t p : / / x d b . l b l . g o v / x d b . p d f

[ 1 0 ] G . K . W e r t h e i m , R . L . C o h e n , A . R o s e n c w a i g , H . J . G u g g e n h e i m , M u l t i p l e t S p l i t t i n g

a n d T w o - E l e c t r o n E x c i t a t i o n i n t h e T r i v a l e n t R a r e E a r t h s , E l e c t r o n S p e c t r o s c o p y ,

S . 8 1 3 , E d . D . A . S h i r l e y , N o r t h - H o l l a n d ( 1 9 7 2 ) .

[ 1 1 ] B r j e J o h a n s s o n , V a l e n c e s t a t e a t t h e s u r f a c e o f r a r e - e a r t h m e t a l s , P h y s . R e v . B 1 9

6 6 1 5 ( 1 9 7 9 ) .

[ 1 2 ] H a n d b o o k o f X - r a y P h o t o e l e c t r o n S p e c t r o s c o p y , J o h n F . M o u l e r , W i l l i a m F . S t i c k l ,

P e t e r E . S o b o l , K e n n e t h D . B o m b e n , U L V A C - P H I I n c . 3 7 0 E n z o , C h i g a s a k i

2 3 5 - 8 5 2 2 J a p a n , P h y s i c a l E l e c t r o n i c s U S A I n c . 1 8 7 2 5 L a k e D r i v e r E a s t , C h a n -

h a u s s e n , M i n n e s o t a 5 5 3 1 7 , U S A

[ 1 3 ] F u n d a m e n t a l s o f N a n o s c a l e F i l m A n a l y s i s , S p r i n g e r U S I S B N 9 7 8 - 0 - 3 8 7 - 2 9 2 6 0 - 1

( P r i n t ) 9 7 8 - 0 - 3 8 7 - 2 9 2 6 1 - 8 ( O n l i n e )

[ 1 4 ] G . S o m e r j a i , C h e m i s t r y i n T w o D i m e n s i o n s : S u r f a c e s ( C o r n e l l U n i v e r s i t y P r e s s ,

I t h a c a , N Y , 1 9 8 1 )

[ 1 5 ] L e m p k a , H . J . , P a s s m o r e , T . R . a n d P r i c e , W . C . , P r o c . R o y . S o c . A 3 0 4 , 5 3 ( 1 9 6 8 ) .

[ 1 6 ] G e l i u s U . , B a s i l i e r E . , S v e n s s o n S . , B e r g m a r k T . a n d S i e g b a h n K . , J . E l e c t r o n

S p e c t r o s c . 2 , 4 0 5 ( 1 9 7 4 ) .
http://xdb.lbl.gov/xdb.pdfhttp://www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdfhttp://www.iupac.org/publications/books/gbook/green_book_2ed.pdf

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