צילום רנטגן: Photoelectron Spectroscopy

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), הידוע גם בשם אלקטרון Spectroscopy עבור ניתוח כימי (ESCA), התפתח לאחד הכלים האנליטיים החזקים ביותר בתחום המדע חומרים.הטכניקה מסתמכת על אפקט פוטואלקטרי: כאשר מדגם הוא חיוני לסגסוגת X-rays, אלקטרון ברמת הליבה מפלט הם מזרקות קינטית עם זה לספק מידע ישיר על זהה על בסיס כימיקלים, בדרך כלל, כי הוא רק ציפוי אחד בטוח של תאים מאובטח X- 10.

עקרונות היסוד של XPS הוקמו בשנות ה-60 על ידי Kai Siegbahn, אשר מאוחר יותר קיבל פרס נובל על עבודתו. מאז, XPS התבגרה מטכניקת מעבדה נישה לתוך שיטה אנליטית נגישה רחבה.כלי מודרני מציעים רזולוציית אנרגיה גבוהה (יותר מ-0.5V עבור מקורות מונוכרומטיים אל Kα) ויכולה לזהות את כל האלמנטים למעט מימן ו helium במונו-108 שניות המאפשרים לשילוב של התנגשויות מתכת, אך ורק עם תכונות מתכת, אך הן מאפשרות זיהוי של חומרים אלה, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על בסיס אמצעי הדמיה, אך ורק על פני השטח, אך ורק על בסיס שיטות הדמיה, אך ורק על בסיס שיטות הדמיה, אך ורק על מנת לזהות את הגורמים, אך ורק על פני השטח, אך הם יכולים לזהות את רכיבי הדמיה, אך ורק על פני השטח, אך ורק על פני השטח, אך ורק על בסיס אמצעי הדמיה

עבור מהנדסים הפועלים על טיפולים על פני השטח של מתכות, XPS מספק חלון שאין דומה לשינויים הכימיים המושרה על ידי תהליכים כמו aodizing, מעבר, ציפוי המרה הכימי, ניכוי פלזמה, או תנוחה פיזית של vapor. על ידי תיקון כימיה פני השטח עם תכונות מקרוסקופיות כגון עמידות קורוזיונית, ללבוש התנהגות, או כוח אדמדן, XPS עוזר אופטימיזציה פרמטרים של טיפול להאיץ את הפיתוח של סגסוגת הבאה.

חידושים טכנולוגיים אחרונים דחפו את יכולות XPS הרבה מעבר למה שניתן להעלות על הדעת אפילו לפני עשור.שאר המאמר סוקר את ההתקדמות המשפיעה ביותר - החל מפתרון מרחבי ואנרגיה משופר לאסטרטגיות ניתוח נתונים חדשניות - ודן ביישומים הספציפיים שלהם למחקר טיפולים על פני השטח של מתכות הנדסיות.זה גם בוחן אתגרים וקווים מנחים מבטיחים לכיוונים עתידיים המבטיחים להרחיב את תפקידם של XPS בחומרים תעשייתיים.

התקדמות טכנולוגית XPS

תוצאות משופרות של Microsoft Microscale ו-Nanoscale Analysis

אחת מנקודות פריצת הדרך המשמעותיות ביותר ב- XPS היא השיפור הדרמטי בהחלטה מרחבית מאוחרת.א.א.אל XPS בדרך כלל מנתחת אזורים החל מכמה מאות מיקרומטרים לכמה מ"מ.עם זאת, טיפולים רבים על פני השטח - כגון בורות קורוזונים שגרה, שינויים חד-קרקעיים המושרה על פני השטח, או ציפויים דפוסים - ניתוח מהיר על גבי מכשירים מיקרוסקופיים ממוקדים, או מיקרוסקופיים של X-מיקרו-מיקרו-אופטימים, יכול כעת להשיג רזולוציה מיקרוסקופית אחת ממיקרו-מקודמתיקים (לדוגמה, אפילו ממיקרו-מ-מדומים) בטווח של רזולוציה מיקרוסקופית-מקודמתיקים (לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, או מיקרוסקופיתיקים) ברזולוציה מיקרוסקופית-מקודמתיקים) של 10 ק"מטווח קצר יותר, או מיקרוסקופיתיקים-מ-מ-מספקית-מטווח קצר יותר, או מיקרוסקופית-מטווח קצר יותר, או מיקרוסקופית-מטווח קצר יותר, או מיקרוסקופית-מטווח קצר יותר, תוך שימוש ברזולוציה מיקרוסקופית-מטווח קצר יותר, תוך מיפוי מיקרוסקופית-מספקית-מטווח קצר יותר, תוך שימוש ברזולוציה מיקרוסקופית-מספקית-מ

יכולת זו היא בעלת ערך במיוחד ללימוד מתכות הנדסיות לאחר טיפולים מכניים או תרמיים.לדוגמה, החוקרים יכולים כעת למפות את חלוקת עובי תחמוצת הפחמן על פני השטח לאחר טקסט לייזר, או לפתור הבדלים בכימיה של פני השטח בין המתכת הבסיסית לבין אזור חום-חום-מושפע ליד נבר.היכולת לקשור מפות מדינה כימיות עם מפות רכוש טופוגרפיים או מכניות מטכניקות משלימה (כמו SEM או AFM) מספקת תמונה מלאה יותר של יעילות.

החלטות אנרגיה גבוהות יותר ופוליטיות

ההחלטה לאנרגיה של מכשירים מודרניים XPS השתפרה בהתמדה, עכשיו באופן שגרתי להשיג רוחב של 0.3-0.4 eV באורך מלא בחצי מקסימום (FWHM) עבור קו Ag 3d5/2 באמצעות קרינה מונוכרומטית אל Kα. רמה זו של החלטה חיונית כדי להבחין בשינויים כימיים עדינים כי מופיעים מכמה מצבים או תיאום שונים.

ההתקדמות בניתוחי אנרגיה אלקטרונים, במיוחד מבוא של זיהוי רב ערוצים ורכישה במקביל, הפחיתו גם את זמני הרכישה ללא קביעת מקרי הקרבה. חלק מהמכשירים מציעים כעת יכולת XPS מהירה למעקב בזמן אמת של תגובות על פני השטח - טכניקה המכונה Near-Ambient Pressure XPS (NAP-XPS) או ambient-ure-ure-ure- XPS (APXPS) המאפשרת ללמוד טיפולים על פני השטח בתנאים מציאותיים יותר (תהליך נשלט), או בתנאי מזג אוויר גבוה), או בתנאי מזג אוויר (R) או טמפרטורה גבוהה יותר (R) או טמפרטורה גבוהה יותר (R).

פיתוח מקורות רנטגן מונוכרומטיים ו- Multisources

בעוד ש- XPS רגיל משתמש במונוכרומטי אל או מקורות Mg, ההתפתחויות האחרונות הרחיבו את טווח אנרגיות הציטוט הזמינות. Monochromatic Ag Lα, Cr Kα, ואפילו מקורות Ga Kα זמינים כעת מסחרית, המספקים אנרגיות פוטוניות גבוהות יותר (למשל, Lα ב-2984V) המאפשרים ניתוח של רמות ליבה עמוקות יותר ומידע מעמיק יותר (עד 10 עד 15m) שימושי במיוחד עבור טיפול תרופתי בלבד.

יתר על כן, תצורה כפולה או מרובת צורות מקור רנטגן מאפשרות למשתמשים לעבור בין אנרגיות שונות ללא פריצת ואקום, המאפשרת עומק profiling באמצעות זווית-resolved XPS (ARXPS) או וריאציות של נתיב חופשי לא-הריסטי בשילוב עם זיהוי זווית-resolveated, מקורות אלה מאפשרים עומק לא-destructive propfiling של מבנים מעוקלים- דרישה קריטית להבנה או ציפויים על פני השטח.

התקדמות ב Detectors ואוטומציה

הטכנולוגיה של Detector גם התקדמה באופן משמעותי.מודרני גלאי 2D (גלאי אינטרנטיים או מערכות מבוססות CCD) מאפשרים רכישה בו זמנית על מגוון של אנרגיות קינטיות, עלייה דרמטית דרךput.זה מועיל במיוחד למיפוי או ניסויים עתירי זמן, יתר על כן, שלבים אוטומטיים ומטפלים רובוטיים עכשיו לאפשר לנתח עשרות דגימות ליום עם יעילות גבוהה.

יישומים בטיפולים על פני השטח של מתכת

ניתוח של Oxidation Layers

Oxidation היא התגובה הנפוצה ביותר של פני השטח עבור מתכות הנדסיות.בין אם זה היווצרות מכוונת של תחמוצת מגן (כמו סגסוגת נירוסטה או אלומיניום ⁇ ) או תוצאה של חשיפה עתירה גבוהה, הרכב, עובי, ואת המבנה של שכבת תחמוצת הפחמן השפעה ישירה קורוזית של עמידות אל-חלד, ללבוש, עייפות החיים. XPS הוא מתאים במיוחד כדי ללמוד שכבות אלה כי זה יכול לזהות את שתי המדינות הכימיות של 2, בדרך כלל, לדוגמה, pS פלדה, בדרך כלל, על פני כדורית, בדרך כלל, 2, בדרך כלל, על פני כדורית פלדה, בדרך כלל, על פני כדורית פלדה, 2, כדי להראות חום, על פני כדור2, בדרך כלל, על פני כדור פלדה, על פני מתכת, 000 פלדה, 000 פלדה, על פני השטח, 000 פלדה, על פני כדור פלדה, בדרך כלל, 000 פלדה, 000 פלדה, 000, בדרך כלל, 000 פלדה, בדרך כלל, בדרך כלל, בדרך כלל, 000 פלדה, 000 פלדה, 000 פלדה, 000 פלדה, 000 פלדה, 000, 000 פלדה, 000 פלדה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 פלדה, 000,

ההתקדמות האחרונה אפשרה לחוקרים לעקוב אחר צמיחת תחמוצת ב- NAP-XPS.לדוגמה, מחקרים על ⁇ אלומיניום בלחץ חמצן עד 1 mbar הראו את המעבר מ- amorphous oxide למבנה גבישי בטמפרטורות גבוהות - תהליך קריטי להבנת חמצון עתירי זמן גבוהים ביישומים אוויריים.

אופי של מסטיק וצבעים

ציפויים אורגניים וצבעים משמשים נרחב כדי להגן על מתכות הנדסיות מן קורוזיה ולספק סימורים אסתטיים. XPS הוא כלי חיוני עבור אפיון פני השטח של ציפויים אלה, כולל נוכחות של מקדםי מודעות, מעכבי קורוזיון, או מוצרים השפלה.מודרניים באנרגיה גבוהה XPS יכול להבחין בין קבוצות פונקציונליות שונות בממטריקס - לדוגמה, 1=Cepsics) או אג"ח CPT (Clis) או CPT) ⁇ CPT) ⁇ CPT) או CPT (אוקס (Clis) ⁇ CPT) ⁇ CPT) ⁇ CPT) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יישום עדכני אחד מעורב בחקר הממשק בין פריים עשירי אבץ לבין פלדה substrate. על ידי שימוש זווית-resolved XPS, החוקרים הוכיחו כי חלקיקים אבץ ליד משטח חמצון הראשון, להרכיב שכבת מחסום של תחמוצת אבץ ופחמן אבץ כי משפר הגנה קטוודית.עוד מחקר השתמש הדמיה XPS כדי למפות את ההפצה של קורוזיטור (למשל, סגסוגת) מעכבים את חומרת אלומיניום.

המונחים: Corrosion Resistance

ציפויי המרה Chromate נקבעים כמשת עיקרי להגנה על קורוזיה של אלומיניום, אבץ וסגסוגת מגנזיום במשך עשרות שנים, אבל תקנות סביבתיות הובילו את החיפוש אחר חלופות בר קיימא יותר. XPS כבר היה חיוני להבנת הכימיה של שני טיפולים מבוססי כרומוזום ואלטרנטיבה, כגון מעכבי trivalent chromir, zirconium-titanium, או ציפויים נדירים של XPS III של romir) עם יכולת דלקת ריאות פעילה בלבד ( ⁇ ) עם CVn) עם יכולת דלקת ריאות פעילה של CVal-Cunn) עם Cromir) הכוללת רק עם Cromir) עם Cromir) אשר כוללת רק עם Cromir) עם Cromir (אך ורק עם Cromir) עם Cromir) עם Cromir) עם יכולת דלקת ריאות פעילה של סגסוגת Cromir) עם Cromirium-Cunium-Cunium-Cunium-Cunium-yon-yon-yon-yon-yon-yium-yon-yon-yon-TUM-TUM-yium-yon-yon-TUM-TUM-TUM-TUM-T

עבור ⁇ מגנזיום, אשר משמשים יותר ויותר מבנים קלים, XPS גילה כי תחמוצת הילידים היא תערובת של MgO ו Mg(OH)2, עם האחרון להמיר יותר מגן Mg(OH)2 שכבה לאחר ⁇ בפתרונות אלקליין. XPS מתקדם פרופיל בשילוב עם ion sputing הראה כי המרה פלואוריד על ציפוי Mg) יכול להיות עבה כמו סגסוגת 1.

משטחים ושינויים

טכניקות ⁇ משטח - כגון לייזר משטח ⁇ , השתלת יון, או פלזמה ניטרינג - סגסוגת חלקיקים לתוך האזור ליד-surface כדי לשפר את הקשידות, ללבוש התנגדות, או התנהגות קורוזיה. XPS הוא ייחודי מסוגל לאפיון את המצב הכימי של אלמנטים ⁇ אלה ואת אינטראקציות שלהם עם הבסיס.

דוגמה נוספת היא סגסוגת פני לייזר של אלומיניום עם נחושת או ניקל. XPS המדידות על פני השטח מטופלים לחשוף את היווצרות של שלבים בין-מטאלי כגון Al2Cu או Al3Ni, אשר הם קשים יותר מאשר בסיס אלומיניום.רזולוציה מרחבית של XPS המודרנית מאפשר מיפוי של שלבים אלה על פני מסלול לייזר, מראה את ההשפעה של פרמטרים (כוח, מהירות) על שלב זה הם חיוניים עבור מודלים חיזוי של תכונות משטח.

אתגרים וכיוונים עתידיים

המונחים: Profiling Limitations

למרות הרגישות פני השטח שלה, עומק XPS עדיין מאתגר.פרופיל עומק ארכיוני משתמש ion proputrgon ion ion ion ion sputer כדי להסיר שכבת חומר על ידי שכבה, אבל תהליך זה יכול לגרום נזק משמעותי והפחתה כימית (למשל, צמצום תחמוצת מתכת למתחים מדויקים) או קרע אג"ח אורגני).

דרישות אולטרה גבוהה Vacuum

האמנה XPS דורש ואקום גבוה (UHV) כדי למזער זיהום ולהבטיח photoelectelectelectrons להגיע הגלאי ללא פיזור.סביבה זו רחוקה מן התנאים האטמוספריים שבהם טיפולים משטח רבים מוחלים או היכן מתכות לפעול.הפיתוח של לחץ קרוב-ambient XPS (NAP-XPS) מתייחס פער זה על ידי מתן אמצעי לחץ על פני עשרות של mbar, מערכות נוכחיות עדיין יכולות לפעול לטמפרטורה נמוכה יותר (R) ומהירות גבוהה יותר (R) ולפתח לחץ גבוה יותר).

שילוב עם טכניקות Complementary

(טכניקה אחת לא יכולה לספק תמונה מלאה של טיפול על פני השטח (העתיד של XPS) אינטגרציה עם שיטות אנליטיות אחרות.לדוגמה, שילוב XPS עם FLT:0Auger Electron Spectroscopy (AES) הוא תקן סריקה 1:1 באותו מכשיר מציע מידע מולקולרי: AES מספק מיפוי מהיר יותר עם פתרון מרחבי גבוה יותר (הקדמה ל 10nm), בעוד XPS נותן בדיקה כימית של IFV) עם מידע משותף עם IFLT2T) עם מידע מולקולרית (IFLT) עם מערכת ההפעלה:

מכשירים ניידים של XPS ו- In-Field Analysis

פיתוח באמת טרנספורמטיבי יהיה מכשירים ניידים XPS המסוגלים ניתוח משטח שדה של מתכות הנדסיות. בעוד מערכות XPS מעבדה גדולות ודורשות UHV, ההתקדמות האחרונה ב מקורות רנטגן מעורנים וגלאים (למשל, מכפילים אלקטרוניים קומפקטיים ומשאבות ריקות קטנות) הובילו לספסל ואפילו לאמנים ידניים.

Machine Learning and Data Automation

נפח הנתונים שנוצר על ידי מכשירים מודרניים XPS - במיוחד במצבי הדמיה או מיפוי - יכול להיות מכריע.מדריך שיא מתאים למאות ספקטרום הוא בלתי מעשי. שיטות למידה מכונה, במיוחד רשתות עצביות, מפותחות לזיהוי שיא אוטומטי, זיהוי שיא, ואפילו סיווג המדינה הכימית.לדוגמה, אופטימיזציה עצבית בזמני אימון קבועים על נתונים גדולים של XPSספקטרום יכול לזהות במדויק את נוכחותם של מינים נפוצים כמו C2 באופן אוטומטי, אך לא יכול להפחית משוב חיצוני של ניתוח נתונים, אלא גם כן, אך ורק C2, אך ורק בדיקות חיצוניות, או רק מהירויות טיפול אוטונומיות, לדוגמה, אך ורק C2.

מסקנה

ההתקדמות ב- X-ray Photoelectron Spectroscopy משנים את המחקר של טיפולים משטח עבור מתכות הנדסיות.שיפור פתרונות מרחביים ואנרגיה, יחד עם מקורות ציטוטים חדשים ויכולות לחץ כמעט עמימות, מאפשרים לחוקרים לחקור את הכימיה של שכבות חמצון, ציפויים מגן, ו ⁇ אזורי בקרה גמישים עם פרטים חסרי תקדים.

(ב) לקוראים המעוניינים לצלול עמוק יותר לתוך ההיבטים הטכניים של XPS, מומלץ משאבים חיצוניים כוללים את ה-FLT:0XPS Simplified SiteFLT:1 עבור הדרכות מעשיות, ה-FLT:2ASTM E2904 סטנדרטי עבור XPS עומק ProfilingFLT 3: וסקירה אחרונה בכתבי עת כגון: LT4 מעלות מחקר של כימיקלים על NAPS: 5FS: