Electron spectroscopy A new technique for material and structural analysis and a review of its possible applications to problems in glass research

Abstract

The commercial development of electron spetroscopy over the last few years has provided a valuable technique for structural and material analysis. It is a high resolution spectroscopic technique based on the detection and measurement of photo and Auger electrons by a magnetic or electrostatic energy analysing system. The spectra produced are characteristic of the atomic number of the material being irradiated and the kinetic energy of the emitted photoelectrons are related to the specific binding energies of the electrons in the atom itself. The basic principles of the method are outlined together with a description of the type of instrumentation necessary for recording photoelectron spectra. Examples of the use of electron spectroscopy on problems related to the glass industry are used to illustrate the potentials of the technique for surface and bulk analysis. Excess silica was shown to be present in ream line and sodium migration the cause of micro cracks in a glass surface. The technique was also used for determining the diffusion effects of lead into glass surfaces and information was gained on the properties of lead in silicate and borate glasses which illustrate the possibilities of the method for structural studies of the vitreous state.

Le développement commercial de la spectroscopie électronique au cours des toutes dernières années a permis de disposer d'une technique précieuse pour l'analyse structurale et l'analyse des matériaux. La technique spectroscopique à haute résolution est basée sur la détection et la mesure des photoélectrons et des électrons d'Auger à l'aide d'un système analyseur à énergie magnétique ou électrostatique. Les spectres produits sont caractéristiques du nombre atomique du matériau irradié et l'énergie cinétique des photoélectrons émis est mise en relation avec les énergies de liaison spécifiques des électrons dans l'atome lui-même. Les principes de base de la méthode sont décrits, de même que le type d'instrumentation nécessaire pour enregistrer les spectres des photoélectrons. Des exemples d'application de la spectroscopie électronique à des problèmes intéressant l'industrie du verre illustrent les possibilités de cette technique pour l'analyse en surface et en profondeur. On montre que la sihce en excès est présente dans les cordes et que la migration du sodium est la cause de microfissures à la surface du verre. On utilise également cette technique pour déterminer les effets de la diffusion du plomb dans des surfaces de verre et l'on obtient ainsi des informations sur les propriétés du plomb dans les verres silicates et borates, qui illustrent les possibilités d'utilisation de cette méthode pour des études structurales de l'état vitreux.

Die Voraussetzung für die kommerzielle Entwicklung der Elektronenspektroskopie in den vergangenen Jahren war ein geeignetes Verfahren für die Struktur- und Elementanalyse. Die spektroskopische Methode, die ein großes Auflösungsvermögen kennzeichnet, basiert auf dem Nachweis und der Messung von Foto- und Auger-Elektronen, wobei die magnetische oder elektrostatische Energie gemessen wird. Die erzeugten Spektren sind für die Atomzahl des angeregten Elements charakteristisch, und die kinetische Energie der emittierten Fotoelektronen steht in Beziehung zu den spezifischen Bindungsenergien der Elektronen im entsprechenden Atom. Es werden die Grundlagen der Methode zusammen mit der meßtechnischen Einrichtung, die die Spektren der Fotoelektronen registriert, beschrieben. Beispiele aus der Anwendung der Elektronenspektroskopie in bezug auf Probleme der Glasindustrie demonstrieren die Möglichkeiten einer Analyse der Oberfläche und des kompakten Materials. Es wird gezeigt, daß ein Siliciumdioxid-Überschuß in fadenartigen Schlieren vorhanden ist und die Natriumwanderung die Mikrorisse in der Glasoberfläche verursacht. Diese Methode wurde auch angewandt, um die Diffusion von Blei in Glasoberflächen zu ermitteln. Die festgestellten Eigenschaften des Bleis in Silicat- und Boratgläsern veranschaulichen die Anwendungsmöglichkeiten der Methode in bezug auf Strukturstudien des Glaszustandes.