X-光電子能譜儀的管理與維護(hù)

劉 朋，諸葛蘭劍，李潔愛

(蘇州大學(xué) 分析測試中心，江蘇 蘇州 215123)

X-射線光電子能譜儀(XPS)作為一類大型精密儀器，已成為表面元素定性、半定量分析以及元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析的重要手段[1-7]，保證其高效運(yùn)行是儀器管理者的職責(zé)所在. 作者所在的分析測試中心擁有一臺Thermo Fisher公司生產(chǎn)的型號為ESCALAB 250Xi 的X 射線光電子能譜儀，支撐著材料與化學(xué)化工學(xué)部、物理與能源學(xué)部、醫(yī)學(xué)部、紡織與服裝學(xué)院、納米學(xué)院等學(xué)院的教學(xué)科研工作. 由于服務(wù)對象多，樣品量大，如何最大程度的提高儀器的使用效率成為擺在我們面前亟需解決的問題. 本文將從測試和儀器維護(hù)等方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行探討.

1 測試

1.1 送樣測試

學(xué)生、老師或校外人員通過學(xué)校大型儀器共享平臺，預(yù)約測試機(jī)時(shí)，在預(yù)約時(shí)間內(nèi)將樣品送到XPS實(shí)驗(yàn)室并制樣. 制備好的樣品交由儀器管理者進(jìn)行測試及后期數(shù)據(jù)處理，直至給出最后結(jié)果.

超高真空是XPS的重要運(yùn)行、測試條件，超高真空系統(tǒng)的維護(hù)和保持非常重要，若操作不當(dāng)，會使超高真空系統(tǒng)進(jìn)氣而耽誤樣品的測試. 原則上XPS由儀器管理者操作，不對學(xué)生開放. 但是由于XPS服務(wù)對象多，樣品量大，我們中心每學(xué)期在學(xué)校大型儀器共享平臺上發(fā)布XPS培訓(xùn)的通知，每個(gè)課題組可以安排一名研究生參加培訓(xùn)，培訓(xùn)的內(nèi)容為理論知識、制樣及注意事項(xiàng)，培訓(xùn)合格后方可送樣測試.

1.2 樣品制備和注意事項(xiàng)

首先，學(xué)生送樣時(shí)必須詳細(xì)填好送樣單，并有導(dǎo)師的簽字，送樣單上要明確是否有需要全譜掃描、窄譜掃描的元素以及是否需要半定量分析. 原則上規(guī)定每個(gè)課題組一次最多可以送5個(gè)樣，待拿到數(shù)據(jù)后方可繼續(xù)送樣. 樣品要確保不吸水，在超高真空及X光照射條件下不分解，不釋放氣體，樣品無磁性、毒性和放射性，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)違規(guī)送樣，該課題組停止送樣一個(gè)月.

XPS只能測固體樣品，樣品制備是XPS測試的關(guān)鍵步驟. 含F(xiàn)e、Co、Ni等鐵磁性樣品要單獨(dú)在一個(gè)樣品臺上制樣. 對于塊體材料(玻璃片、硅片、金屬片)和薄膜樣品直接剪成長、寬、高不超過20 mm×20 mm×3 mm的大小，然后用雙面膠粘到樣品拖的相應(yīng)位置，務(wù)必提醒學(xué)生盡量保證塊體材料的表面平整，厚度一定不能超過3 mm，否則無法測試.

粉末樣品要確保其顆粒細(xì)(一般小于0.2 mm)且必須壓片[8]. 粉末樣品壓片后，可以提高分辨率，減少背景干擾. 主要步驟是：在20 mm×20 mm的鋁箔中間放上一片約5 mm×5 mm大小的雙面膠，在雙面膠上撒上一層樣品，確保樣品均勻，在樣品的上面再蓋一片鋁箔，置于壓片機(jī)上壓片，壓力為10 MPa，保持約1 min. 再剪一塊略小于5 mm×5 mm大小的雙面膠粘到樣品拖的相應(yīng)位置，將上述壓好的兩層鋁箔四周剪小，直接粘到雙面膠上，將最上層的鋁箔揭掉，最后用洗耳球?qū)⒈砻嫠缮⒌臉悠反档艏纯? 注意壓片前最好標(biāo)記一下兩層鋁箔的正反面，以免最后貼反. 制好樣后務(wù)必要求學(xué)生檢查樣品是否粘牢，以防在測樣的過程中掉到分析室. 由于同一樣品托上放有不同課題組的樣品，因此務(wù)必提醒學(xué)生制好樣后將樣品的相對形狀和位置標(biāo)記好，有利于后續(xù)的測試.

制樣的過程中由于不當(dāng)?shù)牟僮骺赡軙腚p面膠上的信號. 本室常用的雙面膠有兩種：透明的不導(dǎo)電膠和黑色的導(dǎo)電膠，其型號分別為Scotch 3M透明雙面膠和日本日新雙面導(dǎo)電膠帶. 透明不導(dǎo)電膠的主要成分是C、N、O、Si，其相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為82.3%、14.2%、2.8%和0.7%,其全譜掃描如圖1所示. 黑色導(dǎo)電膠的主要成分是C、O、Si，其相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.0%、22.9%、4.1%，主要測試UPS時(shí)使用，其全譜掃描如圖2所示.

圖1 透明不導(dǎo)電膠的全譜圖Fig. 1 XPS survey of transparent conductive tape

2 儀器的維護(hù)

作為一名儀器管理人員，正確的使用和良好的維護(hù)不僅可以確保儀器始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，還可以延長儀器使用壽命. 下面根據(jù)本人在實(shí)驗(yàn)室的工作經(jīng)驗(yàn)，從真空系統(tǒng)的維護(hù)、循環(huán)水系統(tǒng)的維護(hù)、氣路系統(tǒng)以及日常的維護(hù)等4個(gè)方面談?wù)刋PS的維護(hù)要點(diǎn).

2.1 真空系統(tǒng)的維護(hù)

只有在超高真空條件下，低能電子才能獲得足夠長的平均自由程，而不被散射損失掉，從而到達(dá)檢測器. 超高真空環(huán)境是表面分析技術(shù)本身的表面靈敏性所必需的，需要超高真空環(huán)境來保持樣品表面的清潔. 因此，超高真空系統(tǒng)的保持和維護(hù)至關(guān)重要.

首先需要學(xué)生制備“干凈”的樣品，確保樣品在超高真空及X光照射條件下不分解，不釋放氣體，其次，樣品在進(jìn)樣室中應(yīng)充分抽氣. 為保證抽氣充分，我們于前一天下班前將烘好的樣品放入進(jìn)樣室，這樣就可以保證一個(gè)晚上都在抽氣. 同時(shí)，需要保持進(jìn)樣室門的清潔并定期運(yùn)行鈦升華泵以吸附影響真空的反應(yīng)氣體. 根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，每天上班的時(shí)候先留意一下進(jìn)樣室、準(zhǔn)備室以及分析室的真空讀數(shù)，在真空出現(xiàn)異常時(shí)要及時(shí)查看儀器的真空記錄文檔并排查原因. 同時(shí)，筆者還發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的溫濕度對儀器真空的影響顯著，溫濕度低的冬天儀器的真空度較好，而在溫濕度高的夏天則需要采取降溫和除濕的措施，才能獲得要求的真空條件.

2.2 循環(huán)水系統(tǒng)的維護(hù)

循環(huán)水的作用是將系統(tǒng)內(nèi)部包括分子泵、X-射線源、晶體、磁透鏡的熱量散發(fā)出去. 當(dāng)X射線運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會自動監(jiān)測冷卻水的漏電流，若高于10 mA則需要更換循環(huán)水. 水冷機(jī)的濾網(wǎng)和金屬過濾球要經(jīng)常清洗，定期清洗儀器機(jī)柜可坼卸前面板的散熱器濾網(wǎng)，還需定期換水，建議使用去離子水或蒸餾水. 筆者的經(jīng)驗(yàn)是每半年更換一次，為防止藻類植物和微生物的生長，可加入約500 mL乙醇.

2.3 氣路系統(tǒng)

氣路系統(tǒng)包括壓縮空氣、高純氮、氬氣和氦氣. 壓縮空氣是驅(qū)動所有氣動閥門的動力，需維持0.3～0.7 MPa之間，建議在0.4 MPa左右. 當(dāng)壓縮空氣壓力較低時(shí)，儀器將自動進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，這時(shí)需要及時(shí)更換空氣鋼瓶. 高純氮屬于消耗量較大的氣體，若是用氣體鋼瓶供氣，在消耗將盡時(shí)要及時(shí)更換，并用肥皂水檢查氣路接口的氣密性. 氬氣和氦氣不經(jīng)常用，可將總閥關(guān)閉，使用時(shí)再打開并清洗氣路.

2.4 日常的維護(hù)

XPS技術(shù)作為一種表面敏感的分析技術(shù)，對實(shí)驗(yàn)室的清潔程度要求較高[9]. 因?yàn)榛覊m多為帶有微量靜電的細(xì)小顆粒，常飄浮于空氣中，隨氣流而動，遇物便附著其上，從而影響測試結(jié)果，這就要求我們保持好實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生. 我們每周都要進(jìn)行一次徹底的大掃除，包括拖地、擦拭儀器表面和擦拭實(shí)驗(yàn)臺. 為了更好的保持實(shí)驗(yàn)室的衛(wèi)生，我們要求學(xué)生必須穿鞋套進(jìn)入. 此外，還需定期的關(guān)注氮?dú)?、壓縮空氣的壓力、水溫和水流量以及機(jī)械泵的泵油、液面高度、清潔程度等.

3 小結(jié)

我校自2012啟用大型儀器共享平臺以來，樣品測試數(shù)量顯著增加，且排隊(duì)狀況減少，不但提高了儀器使用效益，很好的完成測試任務(wù)，還鍛煉了學(xué)生上機(jī)動手能力，使他們對X射線光電子能譜有更深入的認(rèn)識[10]. 同時(shí)，作為一名儀器管理者，需要緊跟科學(xué)前沿，努力開發(fā)儀器的新功能、新應(yīng)用，更好的為學(xué)校的教學(xué)科研服務(wù).