Surface analysis by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS ... - INA

Surface analysis by 

Microstructural Characterisation and Spectroscopy 

X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) 

X-ray Photoelectron Spectroscopy 

(XPS) 

Laboratorio de Caracterización Microestructural y Espectroscopía 

INA - LMA – Tel.: +34 976 76 28 63 / 28 90 

Guillermo Antorrena 

http://ina.unizar.es/lma 

e-mail: ganto@unizar.es



1.- Basics concepts and Instrumentation 

2.- Data analysis 

.Quantitaive analysis 

.Quantitative analysis 

.Small Area and imaging 

.Depth profiling 

3.- Research areas. 

4.- XPS service 

5.- Summary 

















Instrumentation 

1.- UHV Chamber 



2.- Monoenergetic soft X-rays 

3.- Analyzing energies 

of emitted electrons 

(lenses + analyzer + detector) 

Other components 

- Ion sputtering gun - Charge neutralizer 



Kratos AXIS Ultra DLD 

- Dual Anode - Sample preparation chamber 

- AES 



















(Courtesy of Kratos Analytical) 





Small area and Imaging 



. Small spot : 10 µm Spatial 

. resolution: 3 µm 











Depth Profiling 

To determine the composition with depth from the surface 

- Non-destructive methods 

. Angular Resolved XPS (ARXPS) 

. Study of background at lower K.E. (Inelastic losses) 

- Destructive methods 

. Sputtering 

. Mechanical 















Example ARXPS 

(Thermo Fisher Scientific. Application Note 31014) 

Relative Depth Plot 















Research Areas 



. Catalysis . Corrosion 

. Polymers . Semiconductors 

. Coatings . Thin films 

. Surface functionalization . Adhesions 





Examples 



. Layer thickness, composition and structure 

oxides, thin films, langmuir blodget, core-shell np, coatings 

. Molecular orientation 

. Dispersion of components, segregation, difussion 

. Confirmation of the fuctionalization 

. Presence and removal of contamination layers 











Samples: 



. UHV compatible 

. Conductive / non-conductive 

. Bulk / powder / coating 

. Dimmensions (max): 100 x 15 mm (x 4mm) 

File formats: 

dset, ascii, vamas 

Data Processing 







XPS - SUMMARY 

- Elemental sansitivity Z≥2 , Li (excellent specificity) 

- Detection limit 0.1 – 1% atomic 

- Spatial Resolution (Few µm) 

- Analysis depth: 3-10 nm (+ depth profiling) 

- Quantitative (typical 10% error) 

- Chemical Information 





Aplicaciones del XPS

1-Determinacion de la interacción material orgánico-material inorgánico 

Membranas de polisulfona con esferas de sílice 

Si 2p 

SiO 2 

103.5eV 

32 wt.% MSS-PSF MMM 

102.1 eV 

108 106 104 102 100 

Binding Energy (eV) 

Langmuir, 2009, 25 (10), 5903-5909 

x 100 

Se comprueba la formación 

del composite

1-Determinacion de la interacción material orgánico-material inorgánico 

Composite PCL/PEGylated SiO 2 

Polymer 51 (2010) 6132e6139 

Sample Binding energy (eV) 

C 1s O 1s Si 2p 

SiO 2 284.9 532.7 103.5 

PEGylated SiO 2 284.9 531.1 101.8 

PCL/2.0 wt% SiO 2-PEG 284.9 532.2 102.1 

PCL/3.0 wt% SiO 2-PEG 284.9 532.0 101.9 

Se comprueba la formación 

del composite 

PCL/4.0 wt% SiO 2-PEG 284.9 532.0 102.0 

PCL/3.0 wt% SiO 2 284.9 532.0 103.8

2- Determinacion de la interacción metal-soporte 

Intercambio iónico en ETS-10 

Journal of Physical Chemistry: 111(12); 4702-4709 (2007). 

Sample Binding Energies [eV] 

Ag 3d 5/2 Ti 2p 3/2 Si 2p 

ETS-10 - 458.9 102.8 

Ag-ETS-10-8 368.6 459.2 102.7 

Ag-ETS-10-12 368.5 459.1 102.6 

Ag-ETS-10-25 368.7 459.1 102.7 

BE for Ag 2O :368.2 eV 

Se comprueba el intercambio 

iónico de la Ag

2- Determinacion de la interacción metal-soporte 

Intercambio iónico en ETS-10 

ETS-10 

Ag-ETS-10-8 

Ag-ETS-10-25 

Si-O-Si 

Journal of Physical Chemistry: 111(12); 4702-4709 (2007). 

Ti-O-Ti 

538 536 534 532 530 528 

Binding energy [eV] 

Sample Binding Energy 

(FWHM) [eV] 

ETS-10 532.4 (1.5) 

El intercambio de Ag rompe 

las cadenas Ti-O-Ti 

530.5 (1.5) 

Ag-ETS-10-8 532.4 (1.5) 

530.7 (1.2) 

Ag-ETS-10-25 532.5 (1.5) 

530.8 (1.5) 

Peak 

percentage 

[%] 

60 

40 

66 

34 

74 

26

3- Verificación de la funcionalización 

Advances Functional Materials. 17 (9) 2007, 1473-1479 

Amine 

Particulas de magnetita recubiertas de sílice 

functionalized 

EFTEM (708 

eV Fe ) 3 Edg 

I e 

nanoparticles 

O Si-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-NH 2 

N 1s C 1s 

O 

O Si-CH 2-CH 2-CH 2-CH 2-NH 2 

Se EFTEM comprueba (22 la presencia de 

eV) SiO2 Plasmon EFTE las aminas 

B.E. eV Peak 2 % B.E. eV Peak % 

399.3 (1.5) –NH 2 

401.3 (1.7) R 2-NH 

Gree 

M 

Si 

n 

Red O 

Fe 

74 % 

26 % 

284.9 (1.4) C-C 

286.2 (1.2) C-N 

86 % 

14 %




N 1s C 1s 

B.E. eV Peak % B.E. eV Peak % 

Carboxyl 

functionalized 

399.8 (1.5) –NH Se comprueba la 

2 5 % la 

funcionalización con 

401.6 (1.8) R2-NH carboxilos 

95 % 

nanoparticles 

O Si-CH 2-CH 2-CH 2-NH-CO-CH 2-CH 2-CH 2-COOH 

O 

O Si-CH 2-CH 2-CH 2-NH-CO-CH 2-CH 2-CH 2-COOH 

284.8 (1.4) C-C 

286.0 (1.5) C-O and/or C-N 

288.0 (1.3) ROC=O 

73 % 

13 % 

14 %




Element 

B.E. 

(FWHM) eV 

Atomic 

Conc. (%) 

C 1s 284.9 (2.6) 55 

O 1s 531.4 (2.0) 25 

Se verifica la presencia del 

anticuerpo 

N 1s 398.7 (1.8) 9 

Si 2p 102.3 (1.8) 7 

S 2p 167.2 (2.3) 3 

Na 1s 1070.6 (1.4) 1 

Cl 2p 196.7 (2.6) 1

3- Estudio de la distribución de los elementos en profundidad 

Nano Letters. 2009, 9 (10), pp 3651–3657 

Membranas de hidrogel/etilcelulosa/fluido ferromagnetico 

Atom Percentage O, N, Fe 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

O 1s 

Fe 2s 

N 1s 

C 1s 

100 

90 

80 

70 

60 

Atom Percentage C 

20 

Se determina la distribución 

10 

de los componentes de la 

0 

0 500 1000 1500 2000 

Etch Time (s) 

membrana 

50 

40 

30

3- Caracterización de Lagmuir –Blodgett filmsl 

Pilar Cea y col,. Langmuir 2011, 27, 3600–3610 

Orientacion de las moleculas en la superficie del sustrato

3- Caracterización de Lagmuir –Blodgett filmsl 

Pilar Cea y col,. Langmuir 2011, 27, 3600–3610 

Orientacion de las moleculas en la superficie del sustrato 

Se puede determinar la parte 

de la molécula enlazada

3- Estudio de la distribución de los elementos en profundidad 

Microporous and Mesoporous Materials 98 (2007) 292–302 

Nitinol 

0º 

15º 

30º 

45º 

60º 

75º 

ARXPS 

880 870 860 850 

Binding energy (eV) 

Se comprueba la ausencia de 

Ni en la superficie del NiTi

3- Estudio de la distribución de los elementos en la superficie 

Microporous and Mesoporous Materials 98 (2007) 292–302 

Nitinol IMAGEN 

Se determina la distribución 

de los elementos en la 

superficie

4- Determinacion del estado de oxidación de los elementos 

Eur. J. Mineral. 2008, 20, 125-129 

Cromita 

Se puede determinar la 

relación Fe 2+/ Fe 3+

http://ina.unizar.es 

ina@unizar.es

Surface analysis by X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS ... - INA

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