طیف‌بینی فوتوالکترون اشعه ایکس

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
نمونه کار نوع دستگاه طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس

طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (به انگلیسی: X-ray photoelectron spectroscopy) گونه‌ای طیف‌سنجی کمی‌ست که در آن با تاباندن پرتو ایکس و اندازه گیری همزمان تعداد الکترون آزاد شده از در فاصله 1 تا 10 نانو متری سطح، و انرژی جنبشی این الکترونها، طیفهایی بدست می‌آید که بیانگر برخی ویژگی‌های ماده است. این روش نیاز به خلا بسیار بالا (حدود 10-7‎ تا -10‎ بار) دارد.

از آنجا که انرژی پرتو ایکس تابانده شده مشخص است، می‌توان انرژی الکترون گسیل‌شده را بوسیله قانون کار رادرفورد بدست آورد:

E_\text{binding} = E_\text{photon} - \left(E_\text{kinetic} + \phi\right)

که E_\text{binding} انرژی پیوند الکترون، E_\text{photon} انرژی پرتو ایکس تابانده شده، E_\text{kinetic} انرژی جنبشی الکترون (بوسیله دستگاه ویژه ای اندازه‌گیری می‌شود) و \phi تابع کار طیف‌سنج (و نه ماده) است.

اصول فیزیکی[ویرایش]

1- پدیده فوتوالکتریک

زمانی که ماده با یک نور با انرژی لازم برهم کنش داشته باشد، یونیزاسیون رخ خواهد داد. [۱]

از پدیده فوتوالکتریک، جهت آنالیز ساختار الکترونی ماده استفاده میکند. XPS نوعی از طیف سنجی می باشد که جهت وقوع این پدیده، پرتو اشعه ایکس، X، را بر نمومه آزمایش تابانده، و انرژی فوتوالکترون های منتجه را اندازه میگیرد.

2- اساس فیزیکی

انرژی کوانتومی پرتو تابشی (E=hʋ): میزان انرژی کوانتومی یک پرتو الکترومغناطیسی از حاصلضرب فرکانس پرتو (که در اینجا فرکانس اشعه ایکس می باشد) در ثابت پلانک بدست می آید. انرژی پرتو ایکس هر دستگاه XPS به منبع تولیدی پروتو ایکس آن بستگی دارد. بطور مثال: (Al Kα= 1486.6 eV)

انرژی پیوند (Binding Energy;BE): میزان انرژی لازم جهت جدایش یک الکترون از یک اتم. این انرژی، مشخصه هر اربیتال اتمی یک عنصر میباشد. بطوری که الکترون هایی که در لایه های مختلف اربیتال یک اتم قرار گرفته اند، انرژی پیوند متفاوتی دارند.

انرژی جنبشی (Kinetic energy;KE): میزان انرژی که یک ذره به علت حرک دارد

تابع کار (Work Function;Φ): کمترین میزان انرژی لازم جهت جدایش یک الکترون از ماده به خارج با انرژی جنبشی صفر

تراز فرمی (Fermi level): ترازی که در آن میزان انرژی پیوند الکترون ها با هسته اتم، صفر می باشد.

انرژی پرتو ایکس تابیده شده به ماده، صرف غلبه بر انرژی پیوند با رساندن آن به تراز فرمی BE، سپس غلبه بر تابع کار Φ و نهایتاً انرژی جنبشی لازم KE به سرعتی که الکترون کسب کرده است، خواهد شد. بطور ساده: hʋ = KE + BE + Φ

در نتیجه اگر بتوانیم انرژی جنبشی فوتوالکترون های منتجه بر اثر تابش اشعه ایکس را محاسبه کنیم، چون داده های لازم در مورد انرژی اشعه ایکس و تابع کار را از ابتدا می دانیم (تابع کار برای نمونه های رسانا به دلیل همراستا شدن سطوح فرمی نمونه و طیف سنج، تنها برابر با تابع کار طیف سنج می باشد. ولی برای نمونه های غیر رسانا، به علت تجمع الکترون ها در سمت طیف سنج و بالا رفتن سطح فرمی طیف سنج، تغییری خواهد کرد. برای رفع این مشکل، از ماکزیمم مشخصه الکترون های لایه 1s کربن، C1s، جهت کالیبره نموده دیتاها استفاده میشود. انرژی استاندارد C1s برابر با 285eV میباشد. در نتیجه در مورد نیمه های نارسانا یا نیمه رسانا، پس از جمع آوری دیتا، طیف را به اندازه ای شیفت میدهند که ماکزیم مشخصه C1s برابر با 285eV شود و بدین طریق اختلاف سطوح فرمی طیف سنج و نمونه به دلیل تجمع الکترون ها در سمت طیف سنج را از بین میبرند.)، به راحتی میتوانیم، انرژی پیوندی آن الکترون را محاسبه کنیم و بر این اساس مشخص نماییم که جایگاه اولیه الکترون ردیابی شده، کجا بوده است. به طور ساده، انرژی جنبشی اندازه گیری شده برابر با (KE = hʋ - (BE + Φ خواهد بود. در نتیجه: BE = hʋ - (KE + Φ)

3- نمودار طیف سنجی XPS

یک طیف سنجی XPS، نموداری از تعداد الکترون های ردیابی شده بر واحد زمان(محور عرضی نمودار)بر حسب انرژی پیوندی الکترون ها (محور افقی) در ماده مورد آزمایش می باشد. هر عنصری در این نمودار، چند ماکزیمم منحصر به فرد به خود را دارد، که مشخصه آن عنصر میباشد. وجود ماکزیمم متعلق به هر عنصر در طیف بدست آمده از آنالیز یک ماده، گویای وجود آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش می باشد. ماکزیمم های مشخصه هر عنصر، با نحوه آرایش الکترون ها در اتم آن عنصر، مرتبط می باشد و می توان اطلاعاتی از موضع الکترون های ردیابی شده در لایه های الکترونی (بطور مثال ... 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d) بدست آورد. هر چه میزان انرژی جنبشی اندازه گیری شده یک الکترون بیشتر باشد، گویا این واقعیت خواهد بود که انرژی پیوند آن کمتر بوده، لذا به لایه های اربیتالی بیرونی تر تعلق داشته است. بنابراین، الکترون های لایه های داخلی، با انرژی جنبشی کمتری ردیابی خواهند شد و ماکزیمم مشخصه آن ها در نمودار طیف سنجی، در سمت انرژی های بالای انرژی پیوندی خواهند بود. هر عنصر، دسته ای از ترازهای داخلی منحصر به فرد خود را دارد و انرژی پیوند این ترازها میتواند مثل اثر انگشتی برای شناسایی آن عنصر بکار رود

انرژی یک زیرلایه الکترونی، با افزایش عدد اتمی.Z، افزایش میابد. این امر در شکل زیر نشان داده شده است.

تعداد الکترون های ردیابی شده در هر ماکزیمم مشخصه یک عنصر، با میزان آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش در ارتباط مستقیم است. برای بدست آوردن مقادیر درصدی، هر سیگنال خام XPS باید با تقسیم تعداد الکترون های شدت سیگنال (تعداد الکترون های ردیابی شده) بر فاکتور حساسیست نسبی RSF و نرمال نمودن مقادیر با توجه به تمامی عناصر ردیابی شده صورت گیرد. نتایجی درصدی منتجه، مقادیر مربوط به عصنر هیدروژن را شامل نمی‌شود.

کاربردهای عمومی[ویرایش]

  • شناسایی عناصر روی سطح (فاصله 10 نانومتر) و مقدار آنها برای تمامی سطوح بجز هیدروژن و هلیم
  • شناسایی فرمول تجربی
  • شناسایی حالت شیمیایی و الکترونی هر عنصر روی سطح
  • شناسایی ناخالصی‌های روی سطح
  • پروفایل‌های ترکیبی توزیع عنصری در فیلم‌های (لایه‌های) نازک
  • آنالیز ترکیب نمونه‌ها، هنگامی که باید از تأثیرات مخرب تکنیکهای اشعه الکترونی، پرهیز شود.

نمونه کاربردها[ویرایش]

  • تعیین حالتهای اکسیداسیون اتمهای فلزی در لایه‌های سطحی اکسیدفلزی
  • شناسایی کربن سطحی به صورت گرافیتی یا کربایدی

داده‌ها[ویرایش]

محور عمودی نمودار طیف این روش شمار الکترونهای شناسایی شده (گاهی شمار الکترون بر یکای زمان) و محور افقی انرژی پیوند این الکترون‌ها است. هر عنصر باشنده روی سطح در نمودار قله‌های (پیک) ویژه‌ای در نمودار پدیدار می‌کند که نشانگر پیکربندی الکترونی آن عنصر است (1s, 2s, 2p, 3sو ...). شمار الکترون شناسایی شده نیز بیانگر مقدار آن عنصر در سطح است.

نمونه‌ها[ویرایش]

  • شکل – جامدات (فلزات، شیشه‌ها، نیمه هادی‌ها، سرامیکهای با فشار بخار کم )
  • اندازه:
  • تهیه : باید بدون اثر انگشت، چربی یا آلوده کننده‌های سطحی دیگر باشد.

محدودیت[ویرایش]

  • مجموعه اطلاعات به آرامی با تکنیکهای دیگر آنالیز سطحی مقایسه می‌شود ولی زمان آنالیز را می‌توان هنگامی که رزویشن بالا یا شناسایی حالت شیمیایی، مورد نیاز نباشد، کاهش داد.
  • تفکیک جانبی ضعیف
  • حساسیت سطحی قابل مقایسه با تکنیکهای آنالیز سطحی دیگر
  • تأثیرات شارژ، ممکن است با نمونه‌های عایق، مشکل باشد. بعضی از دستگاهها، با ابزارهای موازنه کننده بار مجهز می‌شوند.
  • دقت آنالیز کمی، محدود است.

زمان تخمینی آنالیز[ویرایش]

  • نیاز به پمپ خلاء در طول شب پیش از آنالیز دارد.
  • آنالیز کیفی، می‌تواند در عرض ۱۰-۵ دقیقه انجام شود.
  • آنالیز کمی، نیاز به ۱ ساعت تا چندین ساعت، زمان دارد که بستگی به اطلاعات مورد نیاز دارد.

جستارهای وابسته[ویرایش]

فهرست روش‌های آنالیز مواد

منابع[ویرایش]

  1. Einstein, A. Ann. Phys. Leipzig 1905, 17, 132-148.