XPS對(duì)磁性材料的表征

愛發(fā)科費(fèi)恩斯（南京）儀器有限公司 2022-04-24 16:16:51 752  瀏覽

• 物質(zhì)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其在外磁場(chǎng)中的性狀可分為強(qiáng)磁性（順磁性、抗磁性）、弱磁性（鐵磁性、亞鐵磁性）和反鐵磁性物質(zhì)，其中強(qiáng)磁性物質(zhì)可作為磁性材料。磁性材料是存儲(chǔ)器件、永磁體、變壓器鐵芯、磁機(jī)械設(shè)備、磁電子器件、磁光器件等中最重要的部件，其分類如圖所示。眾所周知，在稀土中，磁性來源于部分填充4 f殼電子，由于這些電子定位良好，它們的磁矩很大。此外，我們常遇到的過渡金屬也是弱磁性或非磁性的，但過渡金屬和稀土的化合物通常會(huì)產(chǎn)生非常有趣的磁性和相關(guān)性質(zhì)，這類化合物在應(yīng)用磁性材料家族中同樣占據(jù)了主導(dǎo)地位。簡(jiǎn)言之，磁性材料包含了所有的稀土元素和過渡金屬Sc、Ti、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Os、Ir、Pt、Au，以及p區(qū)元素Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、As、Sb和Bi等^{[1, 2]}。

           隨著磁性材料對(duì)人們的工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的影響越來越大，磁性及磁性材料領(lǐng)域的研究也日益漸增。那么光電子能譜（XPS）作為一種被廣泛使用于的研究表面化學(xué)成分和化學(xué)狀態(tài)的技術(shù)，能否對(duì)磁性材料進(jìn)行表征呢？

           磁性材料在做XPS表征時(shí)往往會(huì)遇到以下問題：①磁性樣品自身的磁場(chǎng)會(huì)干擾出射光電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，引起的譜峰位移和峰形畸變，導(dǎo)致XPS對(duì)磁性材料的定性和定量表征不具備準(zhǔn)確性；②某些商業(yè)化XPS設(shè)備使用的磁透鏡會(huì)對(duì)磁性樣品的產(chǎn)生很大影響，例如磁透鏡容易將樣品磁化，甚至存在發(fā)生樣品飛出或損壞設(shè)備等風(fēng)險(xiǎn)；③關(guān)閉磁透鏡，通過靜電模式進(jìn)行測(cè)樣，導(dǎo)致儀器的靈敏度會(huì)降低，使得測(cè)試結(jié)果不理想。久而久之，“談磁色變”深入人心，甚至導(dǎo)致測(cè)試中心拒絕測(cè)試可能含磁性元素的樣品。

            這時(shí)或許有人就會(huì)問了，我怎么知道我的樣品到底有沒有磁性？能不能做XPS測(cè)試？

            嚴(yán)格意義上，相對(duì)磁導(dǎo)率 μr > 1 或相對(duì)磁化率 χm > 0，可以認(rèn)為樣品具有磁性。對(duì)于XPS測(cè)試中磁性樣品的問題，首先大家要注意的是，要根據(jù)所使用的XPS設(shè)備類型進(jìn)行判斷磁性：

  （1）如果使用的是磁透鏡類型XPS，因?yàn)榇磐哥R會(huì)誘導(dǎo)樣品磁疇規(guī)則排列而表現(xiàn)出磁性，所以建議使用磁鐵去吸樣品的方法判斷磁性，如果樣品被磁鐵吸起則表明具有磁性；

  （2）如果是沒有磁透鏡類型XPS，建議用無磁性的鐵類物體(如曲別針或大頭針)去靠近待測(cè)樣品來判斷樣品是否具有磁性，如果待測(cè)樣品被吸到曲別針上表明具有磁性，反之沒有磁性?；蛘邔⒈粶y(cè)樣品分別靠近靜止的指南針的兩極，若發(fā)現(xiàn)有一端發(fā)生排斥現(xiàn)象，則說明該樣品具有磁性。

           通過以上方法，如果樣品沒有展示出磁性，則XPS可以直接測(cè)試；如果樣品展示出磁性，則需要消磁處理后進(jìn)行XPS測(cè)試。消磁的原理：樣品有磁性時(shí)，它的磁疇是有規(guī)律排布的，消磁的目的就是將樣品中有規(guī)律排列的磁疇打亂，樣品的磁性就會(huì)被消除（如下圖所示）。因此，可以通過對(duì)樣品進(jìn)行加熱、反復(fù)敲擊或外加交變磁場(chǎng)等方式來使內(nèi)部磁疇錯(cuò)亂來消磁。

            對(duì)強(qiáng)磁性的永磁材料可以采用熱退磁方法，將磁體加熱到居里溫度以上100攝氏度，并保溫超過半個(gè)小時(shí)以上，使磁性完全消除。對(duì)表現(xiàn)出弱磁性的樣品，可以采用消磁線圈或退磁器退磁，如下圖所示，將樣品沿消磁線圈軸向往復(fù)移動(dòng)多次即可消磁。

            PHI XPS采用無磁透鏡類型，沒有外來磁場(chǎng)干擾樣品，所以可按照上面所說的采用曲別針或大頭針以及指南針去判斷磁性。

  （1）對(duì)未磁化或未充磁的物質(zhì)（例如含F(xiàn)e/Co/Ni粉末），可以直接測(cè)試；

  （2）對(duì)于弱磁性樣品，采用消磁線圈處理即可；

  （3）對(duì)強(qiáng)磁性的永磁材料可以采用熱退磁方法。

         如此一來，借助PHI的XPS做磁性樣品的表征還不是小菜一碟。

  例如，飛秒激光器上的單晶材料CaGdAlO4（CGA）及其Yb（5%）摻雜后的樣品均具有順磁性，通過XPS（全譜見下圖）可獲取器件不同位置表面的組分信息^[3]。

  Yb（5%）摻雜的CGA的XPS譜^[3]

          再比如，在研究稀土氧化物陶瓷的疏水性時(shí)，利用PHI的XPS探究樣品表面的元素組成。下圖分別為典型稀土氧化物樣品的全譜，可以發(fā)現(xiàn)譜圖的信噪比良好，通過軟件分析后獲得樣品表面的化學(xué)組成。可見，利用PHI-XPS能很好地表征磁性樣品。

  
  

  稀土氧化物的XPS。a-l）分別為Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Er, Tm, Yb, Lu的氧化物^[4]

  
  

  [1] http://dx.doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.08.079.
  [2] http://dx.doi.org/10.1016/j.surfrep.2016.02.001.
  [3] https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.041
  [4] DOI: 10.1038/NMAT3545.