Spatially-Resolved X-Ray Spectroscopy at CAMD

Abstract

The intent to perform spatially-resolved x-ray absorption near-edge structure spectroscopy at the sulfur K-edge on a radiation-sensitive polymer such as poly(hexadiene-1,3 sulfone) (PHS) initiated the design and installation of the Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD) and Argonne National Laboratory (ANL) beamline as well as the microprobe end-station at CAMD, Baton Rouge. Hence, a double crystal monochromator was installed, which provides monochromatic x-rays in the range of ~ 2100 eV to 12000 eV for the x-ray absorption spectroscopy experiment. The main components of the microprobe end-station consist of a kinematic table, an achromatic Kirkpatrick-Baez mirror focusing system, x-ray detectors, and a helium enclosure. The Kirkpatrick-Baez focusing system focuses the incident x-ray beam to a horizontal and vertical focal spot size (s_xF, s_zF) of 18.8 µm x 7.0 µm, respectively. The x-ray detectors and the Kirkpatrick-Baez focusing system are located inside a helium enclosure, which when purged with helium, enables the performance of x-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy experiments at lower photon energies (e.g. at the sulfur K-edge XANES spectroscopy at 2472 eV). The helium enclosure is mounted on a kinematic table, which can be vertically translated. This movement compensates for the vertical offset when switching from monochromatic to white beam. For beamline control and data acquisition a new graphical user interface was developed.

The installation of hardware and software at the CAMD/ANL beamline provides the ability to perform spatially-resolved x-ray absorption spectroscopy or micro-spectroscopy in the low energy region between 2100 eV and 5000 eV. Thus, spatially-resolved x-ray absorption near-edge structure (XANES) spectroscopy at the sulfur K-edge was conducted on x-ray exposed poly(hexadiene-1,3 sulfone) to investigate the radiation-induced degradation. Various sulfur functional groups were identified by sulfur K-edge fingerprinting. Moreover, the quantitative analysis of the sulfur K-edge XANES spectra showed that the radiation-induced production of sulfur functional groups can be controlled to some extent by varying the incident exposure spectrum. A surface oxidation effect, evidenced by highly oxidized sulfur species at the poly(hexadiene-1,3 sulfone) surface was observed, indicating the usefulness of sulfur K-edge micro-spectroscopy.

Ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie am CAMD

Übersicht

Das Ziel dieser Arbeit ist die ortsaufgelöste Untersuchung eines strahlungsempfindlichen Polymers - Poly(hexadiene-1,3 sulfone) (PHS) - mittels Röntgenabsorptionsnahkanten-spektroskopie an der Schwefel K-Kante. Aus diesem Grund wurden im Rahmen dieser Arbeit eine Strahlführung und ein Experiment zur ortsaufgelösten Röntgenabsorptionsspektroskopie aufgebaut. Hierzu wurde ein Doppelkristallmonochromator, der die Aufnahme von Röntgenabsorptionsspektren in einem Energiebereich von ~ 2100 eV bis 12000 eV ermöglicht, installiert. Die Fokussierung der Röntgenstrahlung wurde durch eine achromatische Spiegeloptik in Kirkpatrick-Baez Anordnung erzielt. Diese erlaubt es, sowohl den weißen als auch den monochromatischen Röntgenstrahl zu fokussieren und erreicht eine horizontale und vertikale Fokusgröße (s_xF, s_zF) von 18.8 µm x 7.0 µm. Um Luftabsorption im Energiebereich von 2000 eV bis 5000 eV zu reduzieren und somit die Aufnahme von Röntgenabsorptionsspektren an der Schwefel K-Kante zu ermöglichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Kammer gebaut, die für Messungen im nieder-energetischen Bereich mit Helium geflutet werden kann. In der Heliumkammer befinden sich das Kirkpatrick-Baez System, die Positioniereinheiten zum Verfahren der Probe und die Röntgendetektoren. Der komplette Versuchsaufbau befindet sich auf einem schwingungsgedämpften Positioniertisch, der vertikal verfahren werden kann, um sowohl den weißen als auch den monochromatischen Röntgenstrahl am Experiment nutzen zu können. Für die Datenerfassung und die Steuerung der verschiedenen Positioniereinheiten in der Strahlführung und des Versuchsaufbaus wurde eine graphische Benutzeroberfläche entwickelt.

Die Installation von Hardware und Software an der CAMD/ANL-Strahlführung ermöglichte die erstmalige Durchführung von ortsaufgelöster Röntgenabsorptionsspektroskopie oder Röntgenabsorptionsmikrospektroskopie im Energiebereich von 2100 eV bis 5000 eV. Dies wurde am Beispiel der ortsaufgelösten Schwefel K-Nahkanten-Röntgenabsorptions-mikrospektroskopie (S K-Kante micro-XANES) an belichtetem Poly(hexadiene-1,3 sulfone) gezeigt. Weiterhin wurde die qualitative und quantitative strahlungsinduzierte Entstehung von funktionellen Schwefelgruppen in Poly(hexadiene-1,3 sulfone) in Abhängigkeit von der deponierten Dosis und dem Belichtungsspektrum untersucht. Die Ergebnisse zeigen u.a., daß verschiedene funktionelle Schwefelgruppen anhand von Schwefel K-Kante XANES "fingerprinting" identifiziert werden können. Die quantitative Analyse der Schwefel K-Kante XANES Spektren zeigt, daß die strahlungsinduzierte Produktion von funktionellen Schwefelgruppen durch die Wahl des Belichtungsspektrums gesteuert werden kann. Zusätzlich wurde eine Oxidation der Polymeroberfläche beobachtet, die aus der strahlungsinduzierten Entstehung von hoch-oxidiertem Schwefel in Poly(hexadiene-1,3 sulfone) resultiert. Dieser Effekt konnte mittels Schwefel K-Kante micro-XANES Spektroskopie beobachtet werden und demonstriert somit den Nutzen von Schwefel K-Kante micro-XANES Spektroskopie.