1、分析XPSChemical analysis and ARXPS電子平均自由程， 檢測深度，面積XPS信號大部分從表面多深處獲得？ X-ray 的平均自由程？ 家庭作業 計算每一層原子信號貢獻占總信號比，從第一層，到第十層。平均自由程為2.7nm, 原子間距從網絡獲得。并計算在深度大約為8nm下面所有的原子占總信號的比例 。為計算方便，可簡化原子排布如左圖，這實際上并不會引入太大的誤差。化學分析的原則電負性 元素的鍵態基于電負性理解金屬（電負性低）與氧（電負性高）成鍵，對金屬而言丟掉電子，減少了外層電子的屏蔽作用，導致金屬殼層電子需要更多能量離開系統，從而增加了結合能。相反的，對氧而言，與金屬

2、成鍵減少了結合能。例子 Si 2p轉移石墨烯By Adam Pirkle et. al., Applied Physics Letters, 99 (2011) 122108 電子失去越多，結合能越大例子 C1sE. Lewin, M. Gorgoi, F. Schfers, S. Svensson and U. Jansson,Surf. Coat. Technol., 2009,204, 455462分峰的最高境界是不分峰Least Wrong ProcessMuhammad Y. Bashouti, Matthias Pietsch, Kasra Sardashti, Gerald Br

3、onstrup, Sebastian W. Schmitt, Sanjay K. Srivastava, Jurgen Ristein, Jordi Arbiol, Hossam Haick and Silke Christiansen (2012). Hybrid Silicon Nanowires: From Basic Research to Applied Nanotechnology, Nanowires - Recent Advances, Prof. Xihong Peng (Ed.), ISBN: 978-953-51-0898-6, InTech, DOI: 10.5772/

4、54383. Available from: 有些峰間距過窄，或成分過于復雜.Dong et. al., Journal of Applied Physics, 114, 203505, 2013.分峰實例Dong et. al., Applied Physics Letters, 102,171602, 2013.具體氧化物的演化過程計算的各種氧化物濃度演化過程注意誤差棒！注意半高寬！不得不分峰！Gaussian and LorentizanSymmetry peaks: Voigt function 峰寬的由來：初始態：不確定性原理壽命， 自旋軌道耦合終態：衛星峰+震動檢測器X-射線光源L

5、orentizan: 0.085eV for Si 2p, which is 100eV 0.2eV for O 1s 532eV 0.85eV for Ge 2p3/2, 1118eV 家庭作業：找出具體的Gaussian和Lorentizan方程，并指出半高寬由哪個字母代表。Background is an Art線性_Shirley_Integral 如何分峰(基本原則)數學上，有無窮多種擬合可能！峰由線形和背景組合成每一個峰都要有確定的意義自洽，所有元素所有峰都要自洽，并與其他測量技術自洽（越多其他物理信息越好）在同一個XPS系統下標準峰對比手冊和文獻分峰(擬合)的例子J. Appl.

6、 Phys. 81 (10), 15 May 1997SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS, VOL. 12, 315-319 (1988) 文獻中常常沖突！誤差傳導5次M.J. Graham et al. / Corrosion Science 49 (2007) 314A. Pakes et al. / Corrosion Science 44 (2002) 21612170SURFACE AND INTERFACE ANALYSIS, VOL. 15, 641450 (1990) Oxide Free Reference Spectra InP (100) The

7、 InP wafer was exposed to atomic H at 350 C. 15LEED 24, E = 28 eVReference for future fitting parameters (Gaussian and Lorentzian). 具體過程以所得到的標準譜線參數，Gaussian, Lorentizan, Background, splitting shift,描述塊體峰。以塊體峰位置為準，調節氧化物分量與塊體峰的相對能量差。參照文獻，如果不同，找出原因！確保氧化物峰的Lorentizan與塊體一致，但氧化物Gaussian務必比塊體寬。多次嘗試，使擬合曲線盡量

8、平滑。與其他元素的信息一致。表面氧化物的分峰基于上面對塊體標準樣品的表征，大量文獻的綜合分析！高度一致審稿人意見：This paper is extremely well-written on a critical topic regarding this field of study. The work is new and innovative and proper analysis of results and substantiation of possible mechanism and effects is utilized. Dong et al., Journal of App

9、lied Physics, 114, 154105, 2013.Plasmon loss Feature_Al spectraAl2O3Al-metalFrom XPS handbookAsymmetry Feature!文獻錯誤PHI handbookIn Chung et al., Chem. Commun., 2007, 49985000140 eVMistake people made！The Se Auger peak did trick peoples peak assignmentP 2p and O 1sSe-P is close to the detection limit

10、of XPS.O is below the XPS detection limit. Se Auger intensity is not changed significantly with different scan angles, suggesting the Se is close to the surfaceDepth profile分層信息減薄實例_ITO on p-type SiThgersen et al. J. Appl. Phys. 109, 113532 (2011)As sputter going on, less oxide present and lower bin

11、ding energy of the spectraO 1s and C 1s未知（不熟悉）樣品仔細對照手冊，對全譜仔細對照，找出所有元素對某一個峰，仔細找出是否其他元素在此處的某些特征峰有重疊看是否有電荷積累再逐個細掃每一個關注的峰Data is the gift God give experimentalists, take as much as you can!荷電效應（charging effect）電荷積累與樣品表面導致所有峰“結合能”變高（Peak Shift）引入測量誤差，要克服！解決方案： 1. 如果只有幾個eV改變，則不用在測量時做任何處理，只在處理數據是基于雜質炭C1s于2

12、85eV平移所有峰。 2.如果有幾十eV改變，甚至在測量中長時間持續荷電，則需要用電荷中和。 （a）打開低能電子槍，仔細調節電子能量與電流，使測量的峰接近標準位置。缺點：由于電子很難均勻一致的中和荷電，導致“詭異”的峰形出現，使得分析極為困難！ （b）用鋁箔包覆樣品，只留很小的檢測孔，使得表面荷電從鋁箔導出 （c）用石墨烯轉移至樣品表面；蒸鍍及其薄的Au （d） 對直接帶隙材料，可用可見光照射樣品表面，產生光生載流子，降低電阻。詭異的峰形實例：O 1s低能電子不均勻導致的峰形詭異荷電實例！定量分析（quantitative analysis）定量分析：元素比例每一個峰有對應的靈敏因子(sens

13、itivity factor)，標記為f。通常以F 1s峰為1。不同角度靈敏因子稍有不同。每臺XPS都有校準的數據做參考。 則歸一化的峰強度為峰的面積A/f。用歸一化的峰強度做元素比例對比。作業：對InP樣品，假如In3d5/2的靈敏因子是4，測量得到面積為100，P 2p的影響因子是0.4，我們期待P2p的面積是多少？分層結構要謹慎2nm Al2O3Si waferDetector 如何獲得平均自由程使用手冊： 軟件下載： 更準確的叫有效衰減長度 （effective attenuation length_EAL）與材料密度直接相關，所以附加鉛玻璃在UHV系統是必要的為什么需要ARXPS？多

14、層膜成分分層 信息（Depth profile） 膜層次序 成分擴散判斷是否表面態未知樣片深層化學信息34離子束減薄(Sputter)是完美的深度剖析方法么？ 化學鍵的信息可能會被離子束破壞，并展寬峰形。相對輕的元素容易被轟擊掉，因此可能由于測量而改變元素比例！對InP,長時間離子束減薄會產生In-In金屬鍵，并以液滴狀分散于樣品表面。很難控制轟擊程度。推倒Si/SiO2堆棧的氧化物厚度362nm Al2O3Si waferDetector 假定X-射線在樣品表面始終均勻電子在樣品中散射各向均勻，（對晶體實際上各個角度略有不同）eOne scan-thickness of Al2O3家庭作業：

15、 如果在Si上沉積一層Al2O3,從XPS測量得到Si2p面積S1，Al 2p面積為S2，假定敏感因子分別為f1, f2, 如果我們只有這一組數據，則如何估算Al2O3的厚度？In-diffusion Through the High-k Dielectrics38Samples used InP samplesInitial treatmentsALD conditionsABCDNative oxide10% (NH4)2S 20 minNative oxide10% (NH4)2S 20 minAl2O3 at 300 C 5 nmAl2O3 at 300 C 5 nmHfO2 at 2

16、50 C 5.6 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmProcess flowARXPS at 35, 45, 60, 70 and 80UHV annealing at 400 CARXPS at 35, 45, 60, 70 and 80e-Less attenuation : close to surface Strong attenuation : close to InPDetectore-DetectorAngle Resolved XPS(ARXPS) Signal decay: Indium diffusion detected with anneal througho

17、ut Al2O339Native Oxide(NH4)2S treatedNo AnnealUHV Anneal45e-80e-ARXPSConfiguration“surface”“bulk”H. Dong, W. Cabrera, et al., Applied Physics Letters, 103, 061601 (2013). 40No P-diffusion detected with anneal InP samplesInitial treatmentsALD conditionsABCDNative oxide10% (NH4)2S 20 minNative oxide10

18、% (NH4)2S 20 minAl2O3 at 300 C 5 nmAl2O3 at 300 C 5 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmHfO2 at 250 C 5.6 nmP-rich interface is expected, which is hypothesized to correlate with Dit. Quantitative analysis of ARXPS 41The crystal structure of InP, provided by Santosh KC, from Dr. Chos groupFor In-oxidescattering in

19、 the oxideattenuation f: the geometry of X-ray and detector and also atomic sensitivity n: the monolayer density of In atoms Intensity:For InPThe attenuation is from both InP and oxideARXPS model42R is the geometry of XPS and atomic density of a monolayer independentIndium oxide to InP distance Schematic of InP (100) 24 reconstruction 43Provided by Santosh KC, from Professor KJ Chos group. Quantitative Analysis of ARXPS and Schematic of Indium Diffusion 44400 CNo Anneal400 CNo Anneal