La spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), également connue sous le nom de spectroscopie d’électrons pour l’analyse chimique (ESCA), est une technique sensible à la surface qui mesure la composition élémentaire et l’état chimique des 1 à 10 nm supérieurs d’un matériau. Elle est largement utilisée en science des matériaux, catalyse, caractérisation des semi-conducteurs et recherche sur la corrosion.
La XPS est basée sur l’effet photoélectrique. Un échantillon est irradié avec des rayons X monochromatiques, généralement Al Kα (1486,6 eV) ou Mg Kα (1253,6 eV), provoquant l’éjection d’électrons de niveau de cœur. L’énergie cinétique des photoélectrons émis est mesurée et l’énergie de liaison est calculée comme EB = hν - EK - φ, où hν est l’énergie du photon, EK est l’énergie cinétique mesurée et φ est la fonction de travail du spectromètre.
Chaque élément possède un ensemble caractéristique d’énergies de liaison, permettant l’identification qualitative. L’environnement chimique d’un atome déplace son énergie de liaison jusqu’à plusieurs eV, fournissant des informations sur l’état d’oxydation et la liaison chimique. Par exemple, le pic C 1s apparaît à 284,8 eV pour les liaisons C-C, 286,4 eV pour les liaisons C-O et 288,8 eV pour les liaisons O-C=O. L’analyse quantitative utilise les aires relatives des pics corrigées par des facteurs de sensibilité pour déterminer les concentrations atomiques.
La XPS ne sonde que les 10 nm les plus externes car les photoélectrons des couches plus profondes perdent de l’énergie par diffusion inélastique. La profondeur d’analyse dépend du libre parcours moyen inélastique des photoélectrons, qui varie avec l’énergie cinétique et le matériau. La XPS à résolution angulaire fait varier l’angle de détection pour fournir un profilage en profondeur non destructif.
Les spectres de survol (0–1200 eV) identifient tous les éléments présents sauf l’hydrogène et l’hélium. Les spectres à haute résolution des pics individuels fournissent des informations sur l’état chimique. La XPS peut détecter tous les éléments de numéro atomique supérieur à 3 avec des limites de détection d’environ 0,1 % atomique. Le profilage en profondeur par pulvérisation d’argon révèle la composition en fonction de la profondeur.
Les applications incluent la caractérisation de la contamination de surface, la vérification de la fonctionnalisation de surface, l’analyse de la composition des couches minces et l’analyse de défaillance des dispositifs électroniques.
