Đề tài Phổ quang điện tử Tiax XPS

GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng HV: Nguyễn Trung Độ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG NỘI DUNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT NHẬN XÉT CẤU TRÚC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH PHỔ 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 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 C(2s)C(1s) C(2p)Khảo sát nguyên tử Cacbon C (Z = 6) 0ε2p ~10eV 2s 2p 1s ε2p ~20eV ε2p ~290eV K.E 1s hν =1486.6 eV ε (eV) Quá trình quang điện làm di chuyển 1 điện tử ở lớp 1s 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) 400 0 800 1200 C(1s) C(2p)C(2s) KE (eV) 400 8001200 0 BE = hυ - KE 3 nhóm quang điện tử ứng với 3 động năng khác nhau được phóng ra 3 đỉnh quang phổ 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 400 0 800 1200 C(1s) C(2p)C(2s) KE (eV) 400 8001200 0 BE = hυ - KE Thang KE sẽ tương đương với thang BE. Các đỉnh ứng với giá trị KE cao  BE thấp Chú ý: chỉ cho ra phổ của các lớp có BE < hv 400 0 800 1200 C(1s) C(2p)C(2s) KE (eV) 400 8001200 0 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  Năng lượng X- ray là 1486.6 eV,trong đó σC1s lón nhất, σC2s lớn hơn σC2p => đỉnh phổ C1s lớn nhất. => Tiết diện tán xạ σ xác định đô cao của các đỉnh phổ. 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 Nguồn tia X Bơm chân không Bộ phận phân tích Buồng chứa mẫu Cấu tạo của thiết bị XPS Nguồn tia X Nguồn tia X Có 2 loại: Kα Al mang năng lượng 1486 eV hoặc Kα Mg mang năng lượng 1256 eV.  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. Bơm chân không  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 Buồng chứa mẫu Bộ phận phân tích Đầu nhận điện tử Bộ phân tích năng lượng Đầu nhận xung Đầu nhận điện tử Cấu tạo: là một lớp kính nhỏ, được đặt gần sát với bề mặt mẫu. Chức năng: Làm chậm electron Xác định diện tích mẫu đang đo Đầu nhận xung Cấu tạo: gồm một máy đếm xung được nối với máy tính Chức năng: Đếm số xung đập vào máy Đo độ lớn của xung đập vào máy Ghi nhận số lượng và độ lớn xung đập vào. Bộ phận phân tích năng lượng Cấu tạo: 2 bán cầu đồng tâm được tích điện trái dấu Chức năng: Thay đổi Hiệu điện thế để dẫn electron đi theo quỹ đạo Ghi nhận sự biến đổi hiệu điện thế 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 - 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 Nhược điểm Cách đọc phổ XPS Phân tích định tính Hiện tượng tăng nền phổ Phân tích định lượng Quá trình “shake up” Các pic Auger Sự nở rộng của các pic Profile chiều sâu Phổ XPS của các nguyên tố 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)