X射线光电子能谱（XPS）深度分析碱金属和碱土金属—在智能手机屏幕上的应用
传统上钠钙玻璃常被用于汽车和建筑行业，但近来它也被用于智能显示器和光伏发电。由于钠钙玻璃应用领域发生了变化，因此玻璃表面的处理过程变得越来越重要。
钠钙玻璃通常是由Si、O、Na、Mg和Ca元素组成。为了减少冲击下断裂的可能性，K元素也被用于智能手机显示屏中。对于电气设备来说，碱金属和碱土金属的流动性和分布特别重要，因为它们可以对玻璃的电气性能产生影响。在包括离子交换等玻璃表面处理过程中，K+离子取代了玻璃表面中的Na+离子，较大的K+离子占据了玻璃结构中的更多空间（如图1所示）。
图1 离子交换过程
在本文中将利用深度剖析的方法来分析玻璃中元素的分布。由于手机屏幕的面积比较大，利用岛津/Kratos 的AXIS Nova光电子能谱来进行分析，无需对样品进行切割，可以将手机屏幕直接加载到样本条上进行分析测试（图2）。采用VI型气体团簇离子枪进行深度剖析，一种模式为5kV Ar+，另一种模式为20kV Ar 500+，深度剖析面积都为1mm×1mm。
图2 智能手机屏幕安放到样品条上
5kV Ar+模式深度剖析时各元素的浓度变化如图3A所示，样品中主要成分是Si和O元素。低浓度元素的含量在图3B中放大显示，K元素在表面的浓度最高为~2.4%，随着深度变化到5μm浓度降至<0.5%。K含量减少的同时，Na浓度逐渐增加。表面上其他元素的浓度基本保持不变，这体现了Na和K元素是离子交换过程的主要参与者。外层的K层被刻蚀掉后，稳态的Na元素的浓度会达到<4%，这个值明显低于钠钙玻璃中钠元素的化学计量比~9%。
有研究报道了在Ar+单原子的轰击下表面的Na+离子减少[J. Counsell et al. J. Surf. Anal., 20, 2014, 211；L. S.Drake, D. E. King, J. R. Pitts, A. W. Czanderna, Ion Beam Effects – PlenumPress NY.]。近表面的区域积累了正电荷排斥Na+离子，使其流向本体玻璃，从而使Na+离子含量减少。
图3 A 5kV Ar+深度剖析各元素的浓度变化，B低浓度元素的含量放大图
使用20kV Ar 500+团簇枪进行深度剖析时（图4），表面K元素的浓度达到3.6%，比使用Ar+单原子深度剖析时含量多了33%。最重要的是体相中Na的浓度达到了8.8%，这一值与化学计量（9%）接近，表明可以忽略由于离子束流的不同而产生的场诱导发生的迁移。在Ar+单原子模式下，表面的离子束流为几个微安，而团簇模式下，离子束流通常减少100倍。离子束流减小的结果导致电荷积累减少和迁移的减少。两种模式下Na和K含量的变化趋势如图5所示。
图4 20kV Ar 500+深度剖析各元素的浓度变化
图5 单原子模式（红色）和团簇模式（蓝色）深度剖析对比
在这项研究中，利用两种不同的深度剖析方法来分析智能手机屏幕近表面区域的元素浓度分布。重点考察碱金属和碱土金属的分布。在手机屏幕表面存在K元素，但是当深度为5μm时，浓度降至<0.5%，表明在离子交换法中表面K的浓度存在差异。单原子模式时，Na离子发生了迁移使得浓度降低。说明在深度分析无机材料，特别是含有轻金属的材料时，离子枪模式的选择十分重要。