ESCA steht für Elektronen Spektroskopie zur Chemischen Analyse

Es handelt sich dabei um ein Ultrahochvakuum (UHV) Gerät, in welches unterschiedliche Methoden zur Elektronenspektroskopie an Oberflächen integriert sind. Allgemein werden durch Bestrahlung der Proben mit Röntgen- oder UV-Licht Photoelektronen angeregt, deren kinetische Energie und Intensität nach Austritt aus der Probenoberfläche im Analysator detektiert und verstärkt werden. Die so gemessenen Spektren liefern Ergebnisse zur Elementzusammensetzung der Oberflächen und ihre chemische Umgebung (Oxidationszahlen, Bindungszustände) [Grundlagen XPS]. Das folgende Foto zeigt eine Abbildung des VG-ESCALab 200x. Links befindet sich die Analysenkammer in der folgende Methoden zur Oberflächenanalyse eingesetzt werden können:

Ein Foto dieses Großgerätes

	Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)
	Augerelektronenspektroskopie (AES)
	Ultraviolettphotoelektronenspektroskopie (UPS)
	Ionenrückstreuspektroskopie (ISS)

Die Arbeitgruppe befasst sich seit Jahren mit grundlegenden Untersuchungen zum Aufbau von Passivschichten in diversen Metallen. Dafür wurde eine Transferzelle entwickelt, die eine elektrochemische Probenpräparation unter Argonatmosphäre ermöglicht. Diese Transferzelle ist direkt an das ESCA-Gerät angeflanscht und ermöglicht so einen kontaminationsfreien Probentransfer in das UHV nach erfolgter Präparation. So ist beispielsweise gewährleistet, dass niedervalente Oxidspezies in ihrem Oxidationszustand verbleiben und nicht durch die Laborluft weiter oxidiert werden.

In der folgenden Abbildung ist der klassische Weg einer Probe vom Einschleusen über die Präparation bis hin zu ihrer Vermessung skizziert:

1) Fast Entry Lock:

Hier werden die Proben dem UHV übergeben. Eine Turbopumpe sorgt für die schnelle Evakuierung dieser Kammer.

2) Präparationskammer:

Hier befindet sich eine Sputterkanone, die es ermöglicht alle Proben vor der elektrochemischen Präparation Oxidfrei zu sputtern. Für sämtliche Proben werden dadurch erhalten die gleichen Anfangsbedingungen vor der Präparation erzeugt.

3) Kammer zur elektrochemischen Präparation:

In dieser Kammer befindet sich hinten rechts die E-Chemiezelle (EZ), in das der entsprechende Elektrolyt zur elektrochemischen Präparation gefüllt wird. Als Gegenelektrode dient ein Platindraht, die Arbeitselektrode wird auf den Probenträger (PT) gesetzt und zur Präparation kopfüber (hängender Meniskus) auf den Elektrolyten aufgesetzt. Bezugselektrode, Potentiostat und Pulsgenerator befinden sich außerhalb dieser Kammer. Nach der Präparation kann mit Wasser gespült und die Oberfläche mit Argon trocken geblasen werden. Die Turbopumpe sorgt auch hier für eine schnelle Evakuierung, so dass die präparierten Probe innerhalb von wenigen Minuten in der Analysenkammer auf ihre Schichtzusammensetzung hin analysiert werden können.

4) Analysenkammer

Hier werden die Proben analysiert. Je nach Fragestellung wird die Methode XPS, UPS, ISS oder AES angewendet. Mit der Sputterkanone der Präparationskammer kann eine Tiefenprofilierung der Schichten erfolgen.

Aktuell werden nach diesem Verfahren Vanadium-, Bronze- und Kobalt-Passivschichten untersucht. Des weiteren kommt diese Methode auch zur Untersuchung von Ferrocen-Thiolen auf Goldoberflächen zum Einsatz.

Eine wichtige Voraussetzung für die quantitative Auswertung der Spektren ist ein Programm zur Peakfitanalyse, zur Trennung der unterschiedlichen Oxidationsstufen in den präparierten Schichten auf der Basis von Standardspektren. Dabei handelt es sich um ein Programm, welches hier am Institut entwickelt worden ist. Zuvor werden die gemessenen Rohspektren untergrundkorrigiert. Auch dieses Programm ist hier im Institut entwickelt worden. 

Darstellung eines untergrundsubtrahierten Cr2p-Signals. Die Untergrundkorrektur wurde nur auf die Cr2p3/2-Region (575 eV) angewandt.

Die folgende Abbildung zeigt die zu realisierende Peakentfaltung am Beispiel eines Kobaltspektrums (Co 2p_1/2). Der hohe metallische Anteil ist ein Indiz dafür, dass die elektochemisch präparierte Schicht sehr dünn ist. Des weiteren ist zu erkennen, dass diese Schicht hauptsächlich aus Co(II) -oxiden bzw. -hydroxiden besteht.

Die folgende Abbildung gibt eine Übersicht der Metalle und Legierungen, die mit dieser Methode bereits untersucht wurden:

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