Untersuchung von Oxidschichtdicken mittels XPS

Oxidschichten auf Oberflächen sind in vielen Bereichen relevant. Die Ausprägung der Oxide auf Oberflächen nimmt zum Beispiel Einfluss auf den Widerstand elektrischer Kontakte und beeinflussen die Haftung von Klebstoffen oder die Adhäsion in Verbundsystemen. Die Photoelektronenspektroskopie (XPS) ist ein ideales Werkzeug um dünne Oxidschichten auf Materialoberflächen qualitativ und quantitativ untersuchen zu können. Basierend auf der Annahme einer einheitlichen Überlagerung des Substrates mit einer dünnen Oxidschicht (d.h. dünner als 10 nm) kann die Schichtdicke des Oxids einer Probenoberfläche typischerweise mit nur einer einzigen XPS Messung untersucht werden.

Das Messprinzip: Wie unterscheidet die XPS das Metall vom Oxid?

Ein XPS-Spektrum liefert für das untersuchte Metall und dessen Oxid zwei separate Signale. Das Intensitäts­verhältniss zwischen Metal- und Oxid-Signal hängt dabei von der Schichtdicke (d) des Oxids ab. Aus dem Intensitätserhältnis dieser beiden Signale zueinander kann daher die Dicke der Oxidschicht bestimmt werden.

Obwohl die Methode ursprünglich einmal für Aluminiumoxide entwickelt wurde, kann sie auch auf andere dünne Metall-Oxidschichten angewandt werden. So können auch die Schichtdicken von Kupferoxid oder Nickeloxid sowie vielen weiteren Metalloxid/Metallsystemen mit dieser Methode untersucht werden. Unsere Experten im Labor für XPS-Analyse verfügen über langjährige Erfahrung mit der Analyse derartiger Metalloxidschichten.

Die Voraussetzung bei diesem Verfahren ist, dass die Oxidschichten nicht dicker als ~10 nm sind. Diese Einschränkung beruht auf der Tatsache, dass die Informationentiefe von XPS-Experimenten in Normalemission, abhängig vom Material und der kinetische Energie des zu messenden Photolelektrons, c.a 10 nm ausgehend von der Oberfläche beträgt. Im Falle einer dickeren Oxidschicht trägt das Metallsubstrat nicht mehr zum Photoemissionssignal bei (In solchen Fällen gibt es andere Möglichkeiten, wie Sputtertiefenprofile, um die Zusammensetzung und Dicke der Oxidschichten zu untersuchen).

Die Methode kann auch angewendet werden wenn die Probenoberfläche sowohl Oxide, Hydroxide als auch Nitride enthält. In diesem Fall muss dann eine homogene Mischung aus den einzelnen Bestandteilen angenommen werden.

Abb.1: Zweischichtmodell für die Bestimmung der Dicke von Oxidschichten mittels XPS.

Beispiel: XPS Analyse des Oxids einer Aluminium-Oberfläche

Im Falle einer dünnen Aluminiumoxidschicht auf einem Aluminiumsubstrat weist das Al 2p-Spektrum zwei deutlich voneinander getrennte Signale auf. Das Al2p-Signal einer oxidierten Aluminiumoberfläche besteht dabei aus einer Komponente mit geringer Bindungsenergie bei ~ 73 eV, welche aus dem Metall-Substrat stammt, und einer Komponente bei ~ 75 eV, welche durch die Oxidschicht hervorgerufen wird. Die Abbildung zeigt zwei typische Spektren.

Im hier abgebildeten Fall können aus den relativen Intensitäten die Oxidschichtdicken zu 4,7 nm (unten) bzw. 5,8 nm (oben) berechnet werden. Dieses Ergebnis macht zwei Punkte deutlich:

Fazit:

  • Mit XPS lassen sich dünne Oxidschichten nachweisen und deren Dicke vermessen
  • Auch geringe Unterschiede in der Schichtdicke lassen sich mittels XPS gut nachweisen.
  • Die chemische Zusammensetzung der Oberfläche bzw. das Vorhandensein von Verunreinigungen können parallel erfasst werden.

Für Oxidschichtdicken mit einer Dicke von mehr als ca. 10 nm kann ggf. ein XPS-Sputtertiefenprofil erstellt werden.

Zusammengefasst tragen die Informationen, die durch XPS/ESCA gewonnen werden können, zu einem besseren Verständnis von dünnen Oxidschichten, Passivierungsfilmen, Korrosionserscheinungen und -mechanismen bei.

Abb.2: Al 2p XPS-Spekten von Aluminiumoberflächen mit unterschiedlich dicken Aluminiumoxidschichten.

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