[대학원 논문]XPS 그래프를 볼 때 알아야할 것들

오늘은 XPS intensity vs Binding Energy(eV) 그래프를 볼 때 알아야할 몇가지들을 메모겸 적으려고 합니다.

먼저 XPS는 물질 표면(surface)의 원자 구성상태, 결합 상태를 보기위해서 보는데요.

우리가 에너지를 알고 있는 x-ray beam을 물질에 쏴서 튀어나온 secondary electron의 에너지를 분석해서 어떤 결합들이 있는지 알아냅니다.

 

 

Binding energy와 bonding energy의 차이

 

X-ray는 강한 에너지를 가진 beam이기 때문에 원자와 원자 사이의 결합을 끊을 수 있습니다.

bonding energy라고 원자결합을 끊는데 필요한 에너지 개념이 있잖아요. 보통 bonding energy보다 x-ray는 큰 에너지를 가지고 있습니다.

이렇게 원자간 결합을 끊으면 전자가 톡 튀어나오는데, 그렇게 튀어나온 전자를 secondary electron이라고 부릅니다.

 

이 전자는 원자간 결합 만큼의 에너지를 가지고 있는데, 이 에너지를 분석하면 어떤 결합으로부터 나왔는지 알 수 있습니다.

예를 들어 CO2 이산화탄소에 X-ray를 쏴서 C=O 결합을 끊어준다면 C=O결합을 이루던 전자가 튀어나오겠죠? 그 전자는 'C=O 결합의 에너지만큼' 에너지를 가지고 있기 때문에 분석을 하면 물질 표면에 어떤 결합이 이루어져 있는지 알 수 있습니다.

 

이제 그래프를 하나 보실게요.

Characteristics of C4F8 plasmas with Ar, Ne, and He additives for SiO2 etching in an inductively coupled plasma (ICP) reactor 논문의 그림입니다.

 

x축은 binding energy(eV) 이고 y축은 XPS Intensity를 나타내고 있습니다. 이 그래프는 C(1s)의 관점에서 찍은 XPS라 다 탄소에 관한 결합들만 표현되어 있습니다.

여기서 Intensity가 강할 수록 그 에너지에 해당하는 결합의 수가 많다는 것을 알 수 있습니다.

291 eV 쯤을 보시면 위에 CF2 라고 적혀있죠? 291eV는 CF2 결합의 에너지 값에 해당하고 CF2의 XPS intensity가 가장 크니까 물질 표면에는 CF2 결합이 제일 많다고 볼 수 있습니다.

그다음으로 CF와 C-CFn/C-O 결합이 peak을 보이는데 CF결합과 C-CFn/C-O 결합도 꽤 수가 되는 것을 알 수 있습니다.

그리고 integrated C(1s) intensity 라는 용어가 있는데 XPS intensity를 적분한 값입니다. 즉 얼마나 넓이가 크냐, 결합들이 많냐를 나타냅니다. 

 

그런데 여기서 주의할 것은 y축 값은 절대적인 값이 아니라 상대적이라는 개념 입니다.

오른쪽 빨강색 동그라미에서 Pure C4F8이라는 글자를 보실 수 있는데요. pure C4F8의 XPS intensity의 기준 시작점은 제일 아래 빨강색 선입니다.

그러나 80%Ar 의 XPS는 pure C4F8의 XPS와 겹치지 않게 하려고 '일부러' y축 값을 다 올려놨습니다. 그래서 80%Ar의 기준 시작점은 밑에서 두번째 빨강색 선입니다. 즉 80% Ar의 CF2 결합의 수(intensity)는 Pure C4F8의 CF2 결합의 수(intensity)보다 적습니다. 왜냐하면 각각의 시작점을 기준으로 따져본다면 pure C4F8의 CF2 높이(intensity)가 더 높거든요.

 

이렇게 일부러 y축 값을 올리거나 내린 이유는 겹치면 구분하기 힘들기 때문입니다. 보기 편하게 하기 위해서 y축 값을 절대적인 값이 아니라 상대적인 값으로 바꿔버렸습니다. 상대적이란 말은 각각의 기준점, 시작점이 다르다는 뜻입니다.

 

그 다음 Peak이 강하게 보이는 것(급한 언덕)과 아주 완만하게 그려지는 Peak을 설명하겠습니다.

먼저 C 탄소 원자와 O 산소 원자가 있는 물질의 표면을 분석한다고 가정합시다.

이 XPS 그래프에 따르면 C원자의 intensity가 O원자의 intensity보다 더 크기 때문에 C의 갯수가 O의 갯수보다 더 많습니다. C-C 결합이 O-O 결합보다 더 많다는 뜻입니다.

그리고 C와 O의 peak이 아주 뚜렷하고 가운데 부분의 intensity는 시작점을 기준으로 했을 때 다를게 없으니 0이라고 볼 수 있습니다. 이 말은 C와 O가 하나도 결합을 안했다는 뜻입니다.

 

이번엔 Peak이 완만한 그래프입니다. Peak이 완만해진다는 것은 C와 O 사이의 intensity가 증가했다는 뜻입니다. 이말은 즉 C와 O 가 겹쳤다! C-O 결합이 생겼다는 뜻입니다. 그래서 C와 O 각각의 intensity는 줄어들고 C와 O 사이의 intensity(C-O결합영역)가 증가했습니다. 아마 위와 아래 그림을 적분한 면적은 같을 것입니다. C와 O의 갯수는 같기 때문입니다. 갯수가 같기 때문에 C-O가 늘어난 만큼 C와 O 각각의 intensity는 줄어들었습니다.

 

이처럼 XPS는 물질 표면은 어떤 결합으로 구성되어있는 지를 분석해서 물질 표면의 원자 종류, 결합 종류를 파악할 수 있게 합니다.