Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), auch bekannt als Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA), ist eine oberflächenempfindliche Technik, die die elementare Zusammensetzung und den chemischen Zustand der obersten 1–10 nm eines Materials misst. Sie wird häufig in der Materialwissenschaft, Katalyse, Halbleitercharakterisierung und Korrosionsforschung eingesetzt.
XPS basiert auf dem photoelektrischen Effekt. Eine Probe wird mit monochromatischen Röntgenstrahlen bestrahlt, typischerweise Al Kα (1486,6 eV) oder Mg Kα (1253,6 eV), wodurch Elektronen aus kernnahen Niveaus ausgestoßen werden. Die kinetische Energie der emittierten Photoelektronen wird gemessen und die Bindungsenergie als EB = hν - EK - φ berechnet, wobei hν die Photonenenergie, EK die gemessene kinetische Energie und φ die Austrittsarbeit des Spektrometers ist.
Jedes Element hat eine charakteristische Reihe von Bindungsenergien, die eine qualitative Identifizierung ermöglicht. Die chemische Umgebung eines Atoms verschiebt seine Bindungsenergie um bis zu mehreren eV und liefert Informationen über Oxidationszustand und chemische Bindung. Beispielsweise erscheint der C 1s-Peak bei 284,8 eV für C-C-Bindungen, 286,4 eV für C-O-Bindungen und 288,8 eV für O-C=O-Bindungen. Die quantitative Analyse verwendet relative Peakhöhen, korrigiert durch Empfindlichkeitsfaktoren, um atomare Konzentrationen zu bestimmen.
XPS untersucht nur die äußersten 10 nm, da Photoelektronen aus tieferen Schichten durch inelastische Streuung Energie verlieren. Die Analysetiefe hängt von der mittleren freien Weglänge der Photoelektronen ab, die mit der kinetischen Energie und dem Material variiert. Winkelaufgelöste XPS variiert den Detektionswinkel für eine zerstörungsfreie Tiefenprofilierung.
Übersichtsspektren (0–1200 eV) identifizieren alle vorhandenen Elemente außer Wasserstoff und Helium. Hochaufgelöste Spektren einzelner Peaks liefern Informationen zum chemischen Zustand. XPS kann alle Elemente mit einer Ordnungszahl über 3 bei Nachweisgrenzen von etwa 0,1 Atomprozent detektieren. Tiefenprofilierung mittels Argonionensputtern zeigt die Zusammensetzung als Funktion der Tiefe.
Anwendungen umfassen die Charakterisierung von Oberflächenkontaminationen, die Überprüfung von Oberflächenfunktionalisierungen, die Analyse von Dünnschichtzusammensetzungen und die Fehleranalyse elektronischer Bauteile.
