TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG
GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng HV: Nguyễn Trung Độ
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CẤU TRÚC THIẾT BỊ
NỘI DUNG
PHÂN TÍCH PHỔ
NHẬN XÉT
Giới thiệu XPS
XPS được biết là một kỹ thuật được dùng để khảo sát thành phần hóa học bề mặt vật liệu.
XPS dựa trên hiệu ứng quang điện.
XPS được Kai Siegbahn và nhóm nghiên cứu của ông
phát triển vào giữa thập niên 1960 tại trường Uppsala, Thụy Điển.
Hiệu ứng quang điện:
Eb < hv
=> Các điện tử của phân lớp gần lõi bị kích thích và thoát ra khỏi bề mặt
BE = hν – KE (1)
BE của một số hợp chất
Ví dụ
C(2p)
Khảo sát nguyên tử Cacbon C (Z = 6)
C(1s)
C(2s)
Cacbon có 6 điện tử, trong đó mỗi 2 điện tử sẽ chiếm giữ ở các mức năng lượng 1s, 2s, 2p
=> Cấu hình của nguyên tử Cacbon: C 1s2 2s2 2p2
Quá trình quang điện làm di chuyển 1 điện tử ở lớp 1s
hν =1486.6 eV
K.E 1s
0
2p
ε2p ~10eV
2s
ε2p ~20eV
ε (eV)
1s
ε2p ~290eV
Tuy nhiên, các điện tử ở lớp 2s, 2p, cũng có thể bị di chuyển
có 3 quá trình sẽ xảy ra,
3 nhóm quang điện tử ứng với 3 động năng khác nhau sẽ được phóng ra
phổ ( hình 2)
C(1s)
3 nhóm quang điện tử ứng với 3 động năng khác nhau được phóng ra
C(2s)
C(2p)
0
400
800
1200
KE (eV)
3 đỉnh quang phổ
800
0
1200
400
BE = hυ - KE
Thang KE sẽ tương đương với thang BE. Các đỉnh ứng với giá trị KE cao BE thấp
C(1s)
Vị trí các đỉnh là do các điện tử ở các mức năng lượng khác nhau BE của mỗi điện tử khác nhau.
BE của các điện tử => vị trí của các đỉnh phổ
C(2s)
C(2p)
0
400
800
1200
Chú ý: chỉ cho ra phổ của các lớp có BE < hv
KE (eV)
800
0
1200
400
BE = hυ - KE
Cường độ các đỉnh phổ không đồng nhất. Đỉnh phổ ứng với các điện tử ở mức 1s lớn nhất
Xác suất các điện tử phóng ra phụ thuộc vào:
- Các mức năng lượng của các điện tử ( tiết diện hiệu dụng σ)
- Các nguyên tử khác nhau.
- Năng lượng tia X
C(1s)
Năng lượng X- ray là 1486.6 eV,trong đó σC1s lón nhất, σC2s lớn hơn σC2p => đỉnh phổ C1s lớn nhất.
C(2s)
C(2p)
0
400
800
1200
KE (eV)
=> Tiết diện tán xạ σ xác định đô cao của các đỉnh phổ.
800
0
1200
400
BE = hυ - KE
Tóm lại: Số đỉnh phổ tương ứng với số mức năng lượng bị chiếm đóng BE của các điện tử sẽ xác định vị trí các đỉnh phổ Cường độ các đỉnh phụ thuộc vào các nguyên tử hiện diện và phụ thuộc vào giá trị σ
Cấu tạo của thiết bị XPS
Nguồn tia X
Bơm chân không
Bộ phận phân tích
Buồng chứa mẫu
Nguồn tia X
Nguồn tia X
Có 2 loại: Kα Al mang năng lượng 1486 eV hoặc Kα Mg mang năng lượng 1256 eV.
Bơm chân không
Thiết bị sử dụng những hệ thống bơm khác nhau để đạt được môi trường chân không cao (UHV) Môi trường chân không cao ngăn chặn ô nhiễm trên mẫu và hỗ trợ cho việc phân tích mẫu chính xác.
Loại bỏ khí hấp thụ từ mẫu
Loại bỏ hấp phụ của chất gây ô nhiễm trên mẫu. Ngăn chặn sự tạo hồ quang khi có điện áp cao. Tạo đường đi thông thoáng cho electron, photon.
Buồng chứa mẫu
Mẫu được đặt ở buồng có thể tiếp xúc với môi trường bên ngoài.
Nó sẽ được đóng lại và bơm chân
không thấp.
Sau đó mẫu sẽ được đưa vào
buồng có UHV
First Chamber
Second Chamber UHV
Bộ phận phân tích
Đầu nhận điện tử
Bộ phân tích năng lượng
Đầu nhận xung
Đầu nhận điện tử
Xác định diện tích mẫu đang đo
Cấu tạo: là một lớp kính nhỏ, được đặt gần sát với bề mặt mẫu. Chức năng:
Làm chậm electron
Đầu nhận xung
Cấu tạo: gồm một máy đếm xung được nối với máy tính
Đếm số xung đập vào máy
Đo độ lớn của xung đập vào máy
Ghi nhận số lượng và độ lớn xung đập vào.
Chức năng:
Bộ phận phân tích năng lượng
Cấu tạo: 2 bán cầu đồng tâm được tích điện trái dấu
Thay đổi Hiệu điện thế để dẫn electron đi theo quỹ đạo
Ghi nhận sự biến đổi hiệu điện thế
Chức năng:
Mẫu
Mẫu được đặt trên một bệ có thể quay được nhằm hướng tia electron đi đúng vào đầu nhận do ảnh hưởng của hiệu ứng nhạy bề mặt.
Yêu cầu của mẫu: - Kích thước mẫu có thể nhỏ hoặc lớn (có thể cỡ cái đĩa mềm 8 inch). - Bề mặt mẫu cần phải nhẵn, sạch để cho tín hiệu tốt nhất. - Một số mẫu cách điện có khả năng bị tích điện dưới tác dụng của tia X, gây ra sự kém chính xác về Năng lượng liên kết hoặc phổ khi đo. Có thể khắc phục bằng cách dùng thêm súng electron bắn vào để trung hòa mẫu. - Một số mẫu cần phải cạo, cắt lớp bề mặt để nó có thể biểu lộ được các tính chất hóa học.
Mẫu
θ
d
Các electron ở lớp sâu phía trong khi di chuyển ra ngoài sẽ bị các nguyên tử cản lại làm lệch hướng
5. Phân tích phổ
PHÂN TÍCH NGUYÊN TỐ - Chỉ cần so sánh năng lượng liên kết của electron lớp lõi với các giá trị có sẵn, ta có thể xác định electron đó là của nguyên tố nào. - Từ vị trí các đỉnh, giá trị σ (xác suất electron thoát ra) và các điều kiện khác của máy, người ta có thể xác định là có bao nhiên nguyên tử (electron) trong mẫu. Nhờ đó, ta có thể biết được độ dày mỏng của mẫu.
PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI HÓA HỌC Cơ sở - Đa số các elctron tuy ở cùng lớp nhưng lại ở các trang thái liên kết hóa học khác nhau nên đỉnh BE của chúng khác nhau. - Nếu nắm rõ điều này, kết hợp với quang phổ thu được, ta còn có thể biết là nguyên tố này có mặt và đóng vai trò gì.
6. Nhận xét
Ưu điểm
- Phân tích được nhiều vật liệu: các hợp chất vô cơ, hợp
kim, chất bán dẫn, polime, chất xúc tác, thủy tinh,
ceramic, …. Bao gồm những vật liệu dẫn điện và những
vật liệu không dẫn điện
- Có khả năng phân tích trạng thái hóa học cao hơn, phân
tích nguyên tố chính xác hơn
Nhược điểm
- XPS ghi nhận được tất cả các nguyên tố với Z từ 3 ->
103. Giới hạn này có nghĩa là XPS không thực hiện được
với H và He.
- Gây ra phá hủy mẫu
- Tích điện cho chất cách điện
-Thiết diện phân tích nhỏ nhất chỉ là 10µm
-Thời gian phân tích lâu
Các pic Auger
Hiện tượng tăng nền phổ
Phân tích định tính
Quá trình “shake up”
Cách đọc phổ XPS
Sự nở rộng của các pic
Profile chiều sâu
Phân tích định lượng
4 nhóm Auger : KLL (Na , Mg, O, C, F); LMM(Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se); MNN(Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Xe, Cs, Ba); NOO(Au, Hg, Tl, Pb, Bi)
Phổ XPS của các nguyên tố
