Specific Process Knowledge/Characterization/XPS/XPS elemental composition

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Elemental composition analysis

With a unique set of electronic states, each element has its own "finger-print" in the XPS spectrum. The electronic states in the atoms are occupied by electrons with a specific binding energy. In the spectrum above, the dominant peaks of carbon, oxygen and silicon are labelled. More peaks are seen in this socalled survey spectrum but they are all associated to these three elements. All elements have peaks within the wide energy range (usually 0 - 1350 eV binding energy) of the survey spectrum - hence any element that is present in the sample within its detection limit (roughly 1 % depending on element and acquisition setup) will show up in the survey spectrum as peaks of intensities that are determined by the respective concentrations. As such, survey spectra are used to determined what elements are present in the sample.

For each element identified in the survey spectrum, one typically runs a spectrum at the dominant peak. These spectra have a much narrower energy ranges and therefore much smaller energy steps - this enables us to achieve much better energy resolution and hence to see the finer details of each element. These spectra, called high resolution spectra, contain the chemical information that is the strong selling point of the XPS technique.

Table with approximate binding energies

The table below has been adapted from [1].

Element	K 1s	L1 2s	L2 2p1/2	L3 2p3/2	M1 3s	M2 3p1/2	M3 3p3/2	M4 3d3/2	M5 3d5/2	N1 4s	N2 4p1/2	N3 4p3/2	N5 4d5/2	N6 4f5/2	N7 4f7/2	O1 5s	O2 5p1/2	O3 5p3/2	O4 5d3/2	O5 5d5/2	P1 6s	P2 6p1/2	P3 6p3/2
1 H	13,6
2 He	24,6
3 Li	54,7
4 Be	111,5
5 B	188
6 C	284,2
7 N	409,9	37,3
8 O	543,1	41,6
9 F	696,7
10 Ne	870,2	48,5	21,7	21,6
11 Na	1070,8	63,5	30,65	30,81
12 Mg	1303	88,7	49,78	49,5
13 Al	1559,6	117,8	72,95	72,55
14 Si	1839	149,7	99,82	99,42
15 P	2145,5	189	136	135
16 S	2472	230,9	163,6	162,5
17 Cl	2822,4	270	202	200
18 Ar	3205,9	326,3	250,6	248,4	29,3	15,9	15,7
19 K	3608,4	378,6	297,3	294,6	34,8	18,3	18,3
20 Ca	4038,5	438,4	349,7	346,2	44,3	25,4	25,4
21 Sc	4492	498	403,6	398,7	51,1	28,3	28,3
22 Ti	4966	560,9	460,2	453,8	58,7	32,6	32,6
23 V	5465	626,7	519,8	512,1	66,3	37,2	37,2
24 Cr	5989	696	583,8	574,1	74,1	42,2	42,2
25 Mn	6539	769,1	649,9	638,7	82,3	47,2	47,2
26 Fe	7112	844,6	719,9	706,8	91,3	52,7	52,7
27 Co	7709	925,1	793,2	778,1	101	58,9	59,9
28 Ni	8333	1008,6	870	852,7	110,8	68	66,2
29 Cu	8979	1096,7	952,3	932,7	122,5	77,3	75,1
30 Zn	9659	1196,2	1044,9	1021,8	139,8	91,4	88,6	10,2	10,1
31 Ga	10367	1299	1143,2	1116,4	159,5	103,5	100	18,7	18,7
32 Ge	11103	1414,6	1248,1	1217	180,1	124,9	120,8	29,8	29,2
33 As	11867	1527	1359,1	1323,6	204,7	146,2	141,2	41,7	41,7
34 Se	12658	1652	1474,3	1433,9	229,6	166,5	160,7	55,5	54,6
35 Br	13474	1782	1596	1550	257	189	182	70	69
36 Kr	14326	1921	1730,9	1678,4	292,8	222,2	214,4	95	93,8	27,5	14,1	14,1

nyetg

Element	K 1s	L1 2s	L2 2p1/2	L3 2p3/2	M1 3s	M2 3p1/2	M3 3p3/2	M4 3d3/2	M5 3d5/2	N1 4s	N2 4p1/2	N3 4p3/2	N5 4d5/2	N6 4f5/2	N7 4f7/2	O1 5s	O2 5p1/2	O3 5p3/2	O4 5d3/2	O5 5d5/2	P1 6s	P2 6p1/2	P3 6p3/2
37 Rb	15200	2065	1864	1804	326,7	248,7	239,1	113	112	30,5	16,3	15,3
38 Sr	16105	2216	2007	1940	358,7	280,3	270	136	134,2	38,9	21,3	20,1
39 Y	17038	2373	2156	2080	392	310,6	298,8	157,7	155,8	43,8	24,4	23,1
40 Zr	17998	2532	2307	2223	430,3	343,5	329,8	181,1	178,8	50,6	28,5	27,1
41 Nb	18986	2698	2465	2371	466,6	376,1	360,6	205	202,3	56,4	32,6	30,8
42 Mo	20000	2866	2625	2520	506,3	411,6	394	231,1	227,9	63,2	37,6	35,5
43 Tc	21044	3043	2793	2677	544	447,6	417,7	257,6	253,9	69,5	42,3	39,9
44 Ru	22117	3224	2967	2838	586,1	483,5	461,4	284,2	280	75	46,3	43,2
45 Rh	23220	3412	3146	3004	628,1	521,3	496,5	311,9	307,2	81,4	50,5	47,3
46 Pd	24350	3604	3330	3173	671,6	559,9	532,3	340,5	335,2	87,1	55,7	50,9
47 Ag	25514	3806	3524	3351	719	603,8	573	374	368,3	97	63,7	58,3
48 Cd	26711	4018	3727	3538	772	652,6	618,4	411,9	405,2	109,8	63,9	63,9	11,7	10,7
49 In	27940	4238	3938	3730	827,2	703,2	665,3	451,4	443,9	122,9	73,5	73,5	17,7	16,9
50 Sn	29200	4465	4156	3929	884,7	756,5	714,6	493,2	484,9	137,1	83,6	83,6	24,9	23,9
51 Sb	30491	4698	4380	4132	946	812,7	766,4	537,5	528,2	153,2	95,6	95,6	33,3	32,1
52 Te	31814	4939	4612	4341	1006	870,8	820	583,4	573	169,4	103,3	103,3	41,9	40,4
53 I	33169	5188	4852	4557	1072	931	875	630,8	619,3	186	123	123	50,6	48,9
54 Xe	34561	5453	5107	4786	1148,7	1002,1	940,6	689	676,4	213,2	146,7	145,5	69,5	67,5	—	—	23,3	13,4	12,1
55 Cs	35985	5714	5359	5012	1211	1071	1003	740,5	726,6	232,3	172,4	161,3	79,8	77,5	—	—	22,7	14,2	12,1
56 Ba	37441	5989	5624	5247	1293	1137	1063	795,7	780,5	253,5	192	178,6	92,6	89,9	—	—	30,3	17	14,8
57 La	38925	6266	5891	5483	1362	1209	1128	853	836	274,7	205,8	196	105,3	102,5	—	—	34,3	19,3	16,8
58 Ce	40443	6549	6164	5723	1436	1274	1187	902,4	883,8	291	223,2	206,5	109	—	0,1	0,1	37,8	19,8	17
59 Pr	41991	6835	6440	5964	1511	1337	1242	948,3	928,8	304,5	236,3	217,6	115,1	115,1	2	2	37,4	22,3	22,3
60 Nd	43569	7126	6722	6208	1575	1403	1297	1003,3	980,4	319,2	243,3	224,6	120,5	120,5	1,5	1,5	37,5	21,1	21,1
61 Pm	45184	7428	7013	6459		1471	1357	1052	1027		242	242	120	120	—	—	—	—	—
62 Sm	46834	7737	7312	6716	1723	1541	1420	1110,9	1083,4	347,2	265,6	247,4	129	129	5,2	5,2	37,4	21,3	21,3
63 Eu	48519	8052	7617	6977	1800	1614	1481	1158,6	1127,5	360	284	257	133	127,7	0	0	32	22	22
64 Gd	50239	8376	7930	7243	1881	1688	1544	1221,9	1189,6	378,6	286	271	—	142,6	8,6	8,6	36	28	21
65 Tb	51996	8708	8252	7514	1968	1768	1611	1276,9	1241,1	396	322,4	284,1	150,5	150,5	7,7	2,4	45,6	28,7	22,6
66 Dy	53789	9046	8581	7790	2047	1842	1676	1333	1292,6	414,2	333,5	293,2	153,6	153,6	8	4,3	49,9	26,3	26,3
67 Ho	55618	9394	8918	8071	2128	1923	1741	1392	1351	432,4	343,5	308,2	160	160	8,6	5,2	49,3	30,8	24,1
68 Er	57486	9751	9264	8358	2207	2006	1812	1453	1409	449,8	366,2	320,2	167,6	167,6	—	4,7	50,6	31,4	24,7
69 Tm	59390	10116	9617	8648	2307	2090	1885	1515	1468	470,9	385,9	332,6	175,5	175,5	—	4,6	54,7	31,8	25
70 Yb	61332	10486	9978	8944	2398	2173	1950	1576	1528	480,5	388,7	339,7	191,2	182,4	2,5	1,3	52	30,3	24,1
71 Lu	63314	10870	10349	9244	2491	2264	2024	1639	1589	506,8	412,4	359,2	206,1	196,3	8,9	7,5	57,3	33,6	26,7
72 Hf	65351	11271	10739	9561	2601	2365	2108	1716	1662	538	438,2	380,7	220	211,5	15,9	14,2	64,2	38	29,9
73 Ta	67416	11682	11136	9881	2708	2469	2194	1793	1735	563,4	463,4	400,9	237,9	226,4	23,5	21,6	69,7	42,2	32,7
74 W	69525	12100	11544	10207	2820	2575	2281	1872	1809	594,1	490,4	423,6	255,9	243,5	33,6	31,4	75,6	45,3	36,8
75 Re	71676	12527	11959	10535	2932	2682	2367	1949	1883	625,4	518,7	446,8	273,9	260,5	42,9	40,5	83	45,6	34,6
76 Os	73871	12968	12385	10871	3049	2792	2457	2031	1960	658,2	549,1	470,7	293,1	278,5	53,4	50,7	84	58	44,5
77 Ir	76111	13419	12824	11215	3174	2909	2551	2116	2040	691,1	577,8	495,8	311,9	296,3	63,8	60,8	95,2	63	48
78 Pt	78395	13880	13273	11564	3296	3027	2645	2202	2122	725,4	609,1	519,4	331,6	314,6	74,5	71,2	101,7	65,3	51,7
79 Au	80725	14353	13734	11919	3425	3148	2743	2291	2206	762,1	642,7	546,3	353,2	335,1	87,6	84	107,2	74,2	57,2
80 Hg	83102	14839	14209	12284	3562	3279	2847	2385	2295	802,2	680,2	576,6	378,2	358,8	104	99,9	127	83,1	64,5	9,6	7,8
81 Tl	85530	15347	14698	12658	3704	3416	2957	2485	2389	846,2	720,5	609,5	405,7	385	122,2	117,8	136	94,6	73,5	14,7	12,5
82 Pb	88005	15861	15200	13035	3851	3554	3066	2586	2484	891,8	761,9	643,5	434,3	412,2	141,7	136,9	147	106,4	83,3	20,7	18,1
83 Bi	90524	16388	15711	13419	3999	3696	3177	2688	2580	939	805,2	678,8	464	440,1	162,3	157	159,3	119	92,6	26,9	23,8
84 Po	93105	16939	16244	13814	4149	3854	3302	2798	2683	995	851	705	500	473	184	184	177	132	104	31	31
85 At	95730	17493	16785	14214	4317	4008	3426	2909	2787	1042	886	740	533	507	210	210	195	148	115	40	40
86 Rn	98404	18049	17337	14619	4482	4159	3538	3022	2892	1097	929	768	567	541	238	238	214	164	127	48	48	26
87 Fr	101137	18639	17907	15031	4652	4327	3663	3136	3000	1153	980	810	603	577	268	268	234	182	140	58	58	34	15
88 Ra	103922	19237	18484	15444	4822	4490	3792	3248	3105	1208	1058	879	636	603	299	299	254	200	153	68	68	44	19
89 Ac	106755	19840	19083	15871	5002	4656	3909	3370	3219	1269	1080	890	675	639	319	319	272	215	167	80	80	—	—
90 Th	109651	20472	19693	16300	5182	4830	4046	3491	3332	1330	1168	966,4	712,1	675,2	342,4	333,1	290	229	182	92,5	85,4	41,4	24,5
91 Pa	112601	21105	20314	16733	5367	5001	4174	3611	3442	1387	1224	1007	743	708	371	360	310	232	232	94	94	—	—
92 U	115606	21757	20948	17166	5548	5182	4303	3728	3552	1439	1271	1043	778,3	736,2	388,2	377,4	321	257	192	102,8	94,2	43,9	26,8