Bài Thuyết Trình Phổ Kế Quang Điện Tử Tia X XPS

GIỚI THIỆU

Trường ĐH KHTN TPHCM, 01/2011

GVHD: TS. Lê Vũ Tuấn Hùng

Lưu Mai Loan

HV: Nguyễn Thị Thúy Hằng

Nguyễn Thị Tố Nhi

KHÁI QUÁT VỀ SỰ RA ĐỜI CỦA PHƯƠNG PHÁP XPS

Albet Einstein

Heinrich Rudolf Hertz

-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

LỊCH SỬ VỀ XPS

- 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).

Kai Siegbahn

- 1967 Siegbahn công bố một nghiên cứu toàn diện về XPS và được công nhận ngay lập tức với các tiện ích của XPS.

- 1981, Siegbahn đã được tặng giải

Nobel.

Máy XPS

GIỚI THIỆU VỀ XPS

• X - ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) - phổ quang điện

tử tia X.

• XPS là kĩ thuật phân tích tính chất trên bề mặt vật liệu

thông qua phổ.

• Được dùng để xác định thành phần cơ bản, trạng thái hóa học, trạng thái điện tử của các nguyên tố trên bề mặt của vật liệu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN

• 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

ĐIỆN TỬ AUGER VÀ ĐIỆN TỬ 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 điện lượng, truyền cho điện tử khác 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.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIA X

• Tia X:

và vùng tử ngoại (10nm

• Tia X là bức xạ điện từ có năng lượng cao. Năng lượng của nó nằm trong khoảng từ 200eV – 1MeV. Bước sóng của nó nằm trong khoảng giữa tia gamma 1pm), tuy nhiên không có ranh giới rõ ràng giữa các vùng khác nhau trong thang sóng điện từ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TIA X

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.

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

CẤU TẠO BUỒNG CHÂN KHÔNG

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)

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

CẤU TẠO NGUỒN TIA X

- 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 – 2 ANODE

- 2 anode làm bằng Cu phủ Mg và Al được làm lạnh bằng nước. - 2 cathode đặt về 2 phía

CẤU TẠO MÁY ĐƠN SẮC

- Dựa trên sự nhiễu xạ trên tinh thể thạch anh. - Anode, mẫu và tinh thể được sắp đặt sao cho các tia X thỏa mãn điều kiện nhiễu xạ Bragg và tiêu tụ đúng trên mẫu.

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.

ƯU ĐIỂM MÁY ĐƠN SẮC

So sánh phổ năng lượng liên kết khi có và không sử dụng 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 )

trống

- 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 cho khoảng electron đi qua.

CẤU TẠO BỘ PHẬN PHÂN TÍCH BÁN CẦU ĐỒNG TÂM (CHA- Concentric Hemispherical analyser )

- Lực điện trường lái các electron đi theo quĩ đạo cong. - Các e có cùng động năng đi theo quĩ đạo có bán kính giống nhau

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

PHÂN BIỆT ĐIỆN TỬ AUGER VÀ ĐIỆN TỬ QUANG

* 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

HIỆN TƯỢNG NÂNG CAO NỀN PHỔ

liệu mà Điện tử rời khỏi vật 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.

HIỆN TƯỢNG NÂNG CAO NỀN PHỔ

Cường độ phổ được ghi nhận từ các điện tử thoát ra khỏi bề mặt vật liệu luật tuân Lambert - Beer

định theo

PHÂN TÍCH ĐỊNH LƯỢNG

HỆ SỐ ASF CỦA MỘT SỐ NGUYÊN TỐ

Name

Level

ASF

Level

ASF

0.25 1s 6 C

0.66

0.025

0.42 1s 7 N

1 1s 9 F 2s 0.04

2.3

0.13

1.5 1s 10 Ne 2s 0.07

3.5 1s 12 Mg 2s 0.2 2p 0.12

0.26

0.27

13 Al 2s 0.23 2p 0.185

15 P 2s 0.29 2p 0.39

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

ỨNG DỤNG

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. ...

ĐÁNH GIÁ

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.