稀有金属 2006,(04),564-566 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.04.031

金属钽丝表面的X射线光电子能谱分析

西北工业大学理学院应用化学系 陕西西安710072

摘 要：

用X射线光电子能谱 (XPS) 对金属钽丝表面进行了分析和研究。通过XPS全程宽扫描和窄扫描, 分析了钽丝表面的元素成分和钽的化学态。分析结果表明, 钽丝表面的元素成分为Ta, C, O, F, S, Cl, P, Fe, Si, Ni, Cr, Ti, Nb, W, Al。对溅射5 min前后的Ta 4f峰进行曲线拟合, 分别得到2个Ta峰和4个Ta峰, 对拟合后各个Ta峰的相对位置进行分析, 可以得出以上各个Ta峰的化学态;钽丝表面钽的化学态分别为, 溅射前Ta2O5和Ta5Si3, 溅射后Ta, Ta2O5, Ta5Si3。

关键词：

钽;XPS;原子浓度;

中图分类号： TG115.33

收稿日期：2005-08-15

Analysis of Surface of Tantalum by XPS

Abstract：

The tantalum wire surface was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) .Atomic concentrations and chemical states of tantalum were investigated by XPS scanning.The analytical results show that the elements of tantalum wire surface are: Ta, C, O, F, S, Cl, P, Fe, Si, Ni, Cr, Ti, Nb, W, Al.The analytical results suggest that there are two tantalum peaks and four tantalum peaks observed in the computer fitting curves of two Ta 4f XPS spectra, in which one without sputtering and the latter with argon for 5 min.Analyzing the relative positions of every fitted tantalum peaks the chemical states of every tantalum peaks are identified.There are Ta₂O₅ and Ta₅Si₃ exist on the surface of tantalum without sputtering, and there are Ta, Ta₂O₅ and Ta₅Si₃ exist on the surface of tantalum after 5 min sputtering.

Keyword：

other tantalum;XPS;atomic concentration;

Received： 2005-08-15

随着电子行业的迅速发展, 钽电解电容器在电子计算机、 移动通讯、 汽车及彩电等领域得到广泛应用, 其需要量大增, 近年来, 世界钽电容器的发展约每年以17.3%以上的速度递增, 虽经2001年的低潮, 但从世界经济发展的规模和速度预测, 今后仍会以15%左右的速度增长。 钽丝和钽粉在电容器方面的应用, 多年来一直是钽金属的第一大应用领域, 约占钽用量的60%～70% ^[1] ; 而钽丝作为其主要元件, 它的性能将直接影响钽电容器的性能。 在加工过程中, 钽丝表面会发生一定的变化, 为了解其变化状况, 本文用XPS对钽丝表面进行了研究和分析。

1 实 验

试验用钽丝为某厂提供, 直径: Φ 0.56 mm。 样品预先在丙酮 (色谱级) 内浸泡10 min, 接着对钽丝表面进行丙酮超声波清洗30 min, 最后在烘箱中恒温 (80 ℃) 30 min。 样品清洗完后30 min内送入XPS实验室。

金属钽丝表面的XPS分析用美国PE公司的PHI-5400型X射线电子能谱仪, X射线源为Mg Kα靶, 分析室真空度为1.0×10^-8 Pa。 深度剖析时离子刻蚀采用氩离子, 溅射时间为5 min。

对金属钽丝首先进行XPS全程宽扫描, 然后对全程扫描发现的有用元素分别进行窄扫描。 为了分析表面成分随深度的变化, 采用氩离子溅射一定深度后, 再进行XPS的全程扫描和窄扫描。

2 结果与分析

2.1 钽丝表面的元素成分及分析

XPS系统在全程宽扫描过程中检测出钽丝表面的元素成分为: Ta, C, O, F, S, Cl, P, Fe, Si, Ni, Cr, Ti, Nb, W, Al。 图1为未溅射时钽丝表面的XPS全谱, 图2为溅射后钽丝表面的XPS全谱。 从图1和2中各个峰的位置、 高度和宽度, 可以看出其中Ta, C, O的峰比较明显, 参照仪器所附手册 ^[2] , 在图中对Ta, C, O的峰进行了详细标识。 从图1和2可以看出, 溅射前后Ta, C, O各峰发生一定的变化, 氩离子溅射5 min后, Ta峰增高, 峰面积也增大, 而C峰和O峰相对下降, 峰面积减小。

表1为未溅射时钽丝表面的元素组成及其相应含量, 表2为溅射后钽丝表面的元素组成及其相应含量。 从表1和2中可以看出, 溅射后Ta的原子含量显著上升, F, Si, Cl原子含量有一定程度上升, C, O, S, Ni原子含量下降明显, Fe, Cr, Al原子含量有一定程度下降, Ti, Nb, W, P原子含量变化不大。 某厂提供的Ta丝表面原有一层氧化膜, 再加上表面接触的各种污染, 所以在溅射前, Ta的含量不高; 而溅射后, 由于氩离子的刻蚀和吹脱作用, 可以去除表面接触的各种污染物, 还能进入氧化膜的深层, 所以Ta的含量显著上升。 由于Ta丝在生产、 去油和运输过程中都会接触到含C物质, 所以其表面的C含量很高, 而氩离子的溅射可以去除表面的各种C污染, 尤其是空气接触时的C污染, 所以溅射5 min后的C含量显著下降。 O含量虽然下降, 但是下降幅度不是很大, 可能只是与表面C结合的氧随着氩离子的溅射而被去除。 样品中含量少的元素的原子含量虽然都有些变化, 但是其变化的原因有可能是XPS仪器本身的偏差或仪器灵敏度的变化, 也可能是元素本身含量发生变化, 这尚待进一步查明。

图1 钽丝表面的XPS谱图

Fig.1 XPS spectrum of tantalum surface

图2 氩离子溅射5 min后钽丝表面的XPS谱图

Fig.2 XPS spectrum of tantalum wire surface sputtered with argon for 5 min

2.2 钽丝表面Ta的化学态分析

图3为溅射前Ta丝表面的Ta 4f光电子峰及其拟合曲线。 由文献 [ 2] 可知, 26.69 eV处的拟合峰1 (图3) 为Ta₂O₅的Ta4f_7/2峰, 28.58 eV处的拟合峰4 (图4) 为Ta₅Si₃和Ta₂O₅共同的Ta4f_5/2峰。 由此推论, 溅射前Ta丝表面的主要物质为: Ta₂O₅和Ta₅Si₃。

表1 原子含量  下载原图

Table 1 Atomic concentration

表1 原子含量

图4为溅射后Ta丝表面的Ta 4f光电子峰及其拟合曲线.由文献 [ 2] 可知, 21.58 eV处的拟合峰1为单质Ta的4f_7/2峰, 23.50 eV处的拟合峰2为单质Ta的4f_5/2峰, 26.33 eV处的拟合峰3为Ta₂O₅的Ta 4f_7/2峰, 28.77 eV处的拟合峰4为Ta₅Si₃和Ta₂O₅共同的Ta4f_5/2峰。 以上可知, 溅射后钽丝表面的主要物质为: Ta, Ta₂O₅, Ta₅Si₃。 在XPS深度剖析中, 经常能够观察到一些氧化物中高氧化态的元素被还原为低氧化态 ^[3,4] , 实验结果证明了氩离子溅射对Ta有一定的还原作用, 这与文献 [ 5] 报道一致。

表2 氩离子溅射5 min后的原子含量  下载原图

Table 2 Atomic concentration after 5 min sputtering

表2 氩离子溅射5 min后的原子含量

图3 Ta 4f光电子能谱及其拟合曲线

Fig.3 Computer fitting curve of Ta 4f XPS spectrum

图4 氩离子溅射5 min后Ta 4f光电子能谱及其拟合曲线

Fig.4 Computer fitting curve of Ta 4f XPS spectrum sputtered with argon for 5 min

3 结 论

用XPS检测出钽丝表面的元素及对应浓度, 元素成分为: Ta, C, O, F, S, Cl, P, Fe, Si, Ni, Cr, Ti, Nb, W和Al。 氩离子溅射后Ta原子含量上升和C原子含量下降, 说明钽丝表面受到一定程度的C污染。 氩离子溅射前后钽丝表面Ta的化学态变化为, 溅射前: Ta₂O₅ 和Ta₅Si₃, 溅射后: Ta, Ta₂O₅和Ta₅Si₃。

参考文献

[1] 何季麟.钽铌工业的进步与展望[J].稀有金属, 2003, 27 (1) :24.

[2] Wager C D, Riggs W M, Davis L E, et al.Handbook of X-rayPhotoelectron Spectroscopy[M].Minnesota USA:PerkinElmer Cor-poration, 1979.144.

[3] Hofmann S, Sanz J M, Fresenins Z.Anal.Chem[M].USA:1983.215, 314.

[4] 蒋致诚.中国真空学会全国第一届表面电子能谱学术会论文[C].上海:1982.13.

[5] 刘世宏, 王当憨, 潘承璜.X射线光电子能谱分析[M].北京:科学出版社, 1988.250.