ĐỀ TÀI PHỔ KẾ QUANG ĐIỆN TỬ TIA X XPS

KHÁI QUÁT VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA PHƯƠNG PHÁP XPS -1887, Heinrich Rudolf Hertz đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện -1907, P.D.Innes đã làm thí nghiệm với một ống Röntgen, cuộn dây Helmholtz và

KHÁI QUÁT VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA PHƯƠNG PHÁP XPS

-1887, Heinrich Rudolf Hertz đã phát hiện ra hiệu ứng quang điện

-1907, P.D.Innes đã làm thí nghiệm với một ống Röntgen, cuộn dây Helmholtz và các tấm ảnh để ghi phổ XPS đầu tiên ra đời dựa trên hiệu ứng quang điện

Heinrich Rudolf Hertz Albet Einstein

Kai Siegbahn

- Sau chiến tranh thế giới thứ 2

nhóm của Kai Siegbahn tiếp tục

nghiên cứu và đã ghi nhận được phổ

phân giải năng lượng cao đầu tiên của

NaCl (1954)

- 1967 Siegbahn công bố một

nghiên cứu toàn diện về XPS và được

công nhận ngay lập tức với các tiện

Trong phân tích phổ XPS, năng lượng liên kết của các electron với nguyên tử trong mẫu vật được phản ánh thông qua các đỉnh phổ năng lượng trong hệ trục tọa độ Oxy

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

• XPS hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng quang điện

• Theo định luật bảo toàn năng lượng:

hv = EB + EK + Wf

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

CƠ SỞ LÝ THUYẾT HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

- Do sự tương tác của điện tử với

chùm photon ( hoặc electron) năng

lượng cao  điện tử phát xạ cấp 1

(điện tử quang điện)

- Một điện tử khác ở mức cao hơn

nhảy vào lỗ trống giải phóng năng

lượng, truyền cho điện tử khác  điện

tử Auger

ĐIỆN TỬ AUGER

VÀ ĐIỆN TỬ QUANG ĐIỆN

• Động năng của quang điện tử là

tùy theo tính chất nguồn

• Động năng của điện tử Auger

độc lập với bản chất nguồn

ĐIỆN TỬ AUGER

VÀ ĐIỆN TỬ QUANG ĐIỆN

Cách tạo tia X:

• Điện cực catot được làm bằng

sợi dây mảnh tungsten, khi đốt

nóng nó sẽ tạo ra các electron

Các electron sẽ được gia tốc

hướng về anot

• Khi các electron với vận tốc rất

cao va chạm với anot và nó sẽ bị

mất năng lượng đồng thời sẽ

sinh ra tia X

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TIA X

SƠ ĐỒ TẠO TIA X

SƠ ĐỒ TẠO TIA X

CẤU TẠO

1) Buồng chân không 2) Nguồn tia X

3) Bộ phận phân tích năng lượng

4) Detector

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Gồm 2 buồng:

1) Buồng nối với bên ngoài và được bơm để tạo chân không thấp

2) Buồng thứ 2 có chân không siêu cao (10 -9 Torr)

CẤU TẠO BUỒNG CHÂN KHÔNG

Chức năng:

-Tránh làm bẩn bề mặt mẫu -Tránh sự va chạm giữa điện tử quang và nguyên tử khí

- Được tạo ra bằng cách sử dụng electron đập vào bản kim loại làm phát ra bức xạ tia X

- Tùy theo kim loại mà bức xạ phát ra mang năng lượng khác nhau

- Nguồn tia X thường sử dụng là nguồn ALKα ( 1486,6 eV ) hoặc MgKα (1253,6 eV)

CẤU TẠO NGUỒN TIA X

CẤU TẠO NGUỒN TIA X – 2 ANODE

- 2 anode làm bằng Cu phủ Mg và Al được làm lạnh bằng nước

- 2 cathode đặt về 2 phía

ƯU ĐIỂM MÁY ĐƠN SẮC

- Loại bỏ các peak phụ không mong muốn trên phổ XPS

- Thu hẹp bề rộng phổ XPS

- Máy đơn sắc có thể tập trung tia X vào một phần nhỏ trên mẫu, vì vậy

* đối với 1 mẫu, có thể phân tích nhiều vị trí khác nhau

* có thể cho nhiều mẫu vào máy mà không bị tia X làm hỏng trong khi chờ phân tích

So sánh phổ năng lượng liên kết

khi có và không sử dụng máy đơn

sắc

ƯU ĐIỂM MÁY ĐƠN SẮC

CẤU TẠO HỆ THẤU KÍNH

- Trước khi tới bộ phân tích các electron sẽ đi qua hệ thấu kính

từ

- Hệ thấu kính này có nhiệm vụ tiêu tụ các electron đến khe vào của bộ phân tích năng lượng

CẤU TẠO

BỘ PHẬN PHÂN TÍCH BÁN CẦU ĐỒNG TÂM

(CHA- Concentric Hemispherical analyser )

- Gồm 2 bán cầu đồng tâm được tích điện trái dấu

- Bán cầu ngoài được áp thế âm và bán cầu trong được áp thế dương

- Giữa 2 bán cầu là khoảng trống cho electron đi qua

CẤU TẠO

BỘ PHẬN PHÂN TÍCH BÁN CẦU ĐỒNG TÂM

(CHA- Concentric Hemispherical analyser )

DETECTOR

Channel electron multiplier

( channeltrons)

- Ống có một đầu hình nón, đầu kia là anode kim loại

- Hiệu điện thế lớn ( 2kV - 4kV) được đặt vào 2 đầu ống

* đầu hình nón mang thế âm

* đầu kia mang thế dương

- Mặt trong ống được phủ lớp vật liệu có thể sản sinh lượng lớn điện tử

khi có một điện tử đập vào

- Hệ thống máy tính thu nhận tín hiệu và cho ra hình ảnh phổ

PHÂN TÍCH HÓA HỌC

Quy ước trong XPS là sử dụng kí hiệu hóa học chỉ mức năng lượng liên kết cho thông tin về đặc trưng nguyên tố

PHÂN TÍCH HÓA HỌC

* Động năng của quang điện tử phụ thuộc vào năng lượng kích thích

* Động năng của điện tử Auger độc lập với năng lượng kích thích

PHÂN BIỆT ĐIỆN TỬ AUGER VÀ ĐIỆN TỬ QUANG

Sử dụng nguồn năng lượng kép giúp phân biệt giữa các peak điện tử quang và peak điện tử Auger Các đỉnh Auger sẽ dịch chuyển một lượng năng lượng đúng bằng chênh lệch giữa hai nguồn trong phép biểu diễn phổ theo năng lượng liên kết, các đỉnh quang điện tử vẫn tại vị trí năng lượng liên kết xác định

PHÂN BIỆT ĐIỆN TỬ AUGER VÀ ĐIỆN TỬ QUANG

PHÂN BIỆT ĐIỆN TỬ AUGER VÀ ĐIỆN TỬ QUANG

HIỆN TƯỢNG NÂNG CAO NỀN PHỔ

Điện tử rời khỏi vật liệu mà không thực hiện va chạm (hoặc

va chạm hoàn toàn đàn hồi) được ghi nhận dưới dạng các đỉnh phổ

Điện tử bị tiêu hao năng lượng trên đường xuyên qua lớp vật

liệu, liên quan tới độ dày lớp vật chất phải vượt qua góp phần

hình thành nền phổ Kết quả là cường độ nền tăng lên ở phía động năng thấp

Cường độ phổ được ghi nhận từ các điện tử thoát

ra khỏi bề mặt vật liệu tuân theo định luật Lambert - Beer

HIỆN TƯỢNG NÂNG CAO NỀN PHỔ

PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG

.100% /ASF

I

/ASF I

atomic%

1 i

i i

A A







HỆ SỐ ASF CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ

Z Name Level ASF Level ASF Level ASF

PROFILE CHIỀU SÂU

Các thông tin nguyên tố theo chiều sâu trên bề mặt mẫu có thể nhận biết được nhờ thiết bị XPS theo cách bắn phá bề mặt bằng chùm ion argon để bóc dần từng lớp nguyên tử và ghi nhận phổ XPS tương ứng

PHƯƠNG PHÁP GÁ MẪU NGHIÊNG

XPS thường xuyên được ứng dụng để xác định:

• các yếu tố và số lượng của những yếu tố đó được thể hiện trên của bề mặt mẫu

• những ô nhiễm, nếu có, tồn tại trên bề mặt mẫu

• tác dụng của môi trường đối với bề mặt kim loại và hợp kim

• trạng thái hóa học của một hoặc một số các yếu tố trong mẫu (ESCA)

• năng lượng liên kết của một hay nhiều điện tử có trong mẫu

• độ dày của một hoặc nhiều lớp mỏng (nm) của các vật liệu khác nhau trên bề mặt mẫu

ỨNG DỤNG

ƯU ĐIỂM

• Có khả năng phân tích các hợp chất vô cơ, các hợp kim kim loại, chất bán dẫn, các polyme (các vật liệu dẫn điện và cách điện)…

• Ít phá hủy mẫu hơn so với AES, SIMS vì bắn phá bề mặt bằng photon

ĐÁNH GIÁ

NHƯỢC ĐIỂM

• Nguồn tia X đơn sắc

• Môi trường chân không siêu cao

• Hóa chất hữu cơ không thường xuyên được phân tích bởi XPS

• Mẫu cần phân tích phải có độ sạch bề mặt cao (vì các liên kết trên bề mặt mẫu cũng cho các đỉnh phổ XPS)

• Không ghi nhận được các nguyên tố có Z = 1 và Z = 2

• Độ phân giải không gian kém

• Tích điện cho mẫu

ĐÁNH GIÁ

CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN

ĐÃ CÙNG THEO DÕI BÀI THUYẾT TRÌNH