Đề tài Phương pháp phân tích phổ EDS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ ĐỀ TÀI: Phương phỏp phõn tớch phổ EDS ( Energy-dispersive X-ray spectroscopy) SVTH: Nguyễn Văn Du Lớp: Vật Liệu Điện Tử GV bộ mụn: TS. Nguyễn Ngọc Trung Tr•ờng đại học bách khoa hà nội Báo cáo kĩ thuật phân tích phổ Đề tài: Ph•ơng pháp phân tích phổ EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Du Lớp: Vật Liệu Điện Tử GV bộ môn: TS. Nguyễn Ngọc Trung Hà Nội, Ngày 25 tháng 05 năm 2009 Nội dung báo cáo 1. Khái quát chung về kĩ thuật phân tích phổ. 2. Nguyên lý của phép phân tích bằng EDS. 3. Kĩ thuật ghi nhận và độ chính xác của EDS. 4. Một vài ứng dụng của phép phân tích . 5. Đánh giá ph•ơng pháp & Kết luận. I. Tổng quan về phép phân tích phổ EDX Kĩ thuật EDX đ•ợc phát triển từ ngững năm 1960 và thiết bị th•ơng phẩ xuất hiện vào đầu những năm 1970 với việc sử dụng Detector dịch chuyển Si, Li hoặc Ge. Có nhiều thiết bị phân tích EDX nh•ng chủ yếu EDX đ•ợc phát triển trong các kính hiển vi điện tử, ổ đó các phép phân tích đ•ợc thực hiện nhờ các chùm điện tử có năng l•ợng cao và đ•ợc thu hẹp nhờ hệ các thấu kính điện tử. Sỏ đồ cấu tạo máy phân tích SEM ứng dụng của EDX Phổ tia X phát ra sẽ có tần số(năng l•ợng phôtn tia X) trải trong một vùng rộng và đ•ợc phân tích nhờ phổ kế tán sắc năng l•ợng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng nh• thành phần. Phổ tán sắc năng l•ợng tia X hay phổ tán sắc năng l•ợng là kĩ thuật phân tích thành phần hoá học của vật rắn dựa vào việc ghi lại phổ tia X phát ra từ vật rắn do t•ơng tác với các bức xạ ( chủ yếu là chùm điện tử có năng l•ợng cao trong các kính hiển vi điện tử ). Trong các tài liệu khoa học, kĩ thuật này th•ờng đ•ợc viết tắt là EDX hay EDS xuất phát từ tên gọi tiếng anh Energy-dispersive X-ray spectroscopy II. Nguyên lý của EDS Khi chùm điện tử có mức năng l•ợng cao đ•ợc chiếu vào vật rắn, nó sẽ đâm xuyên sâu vào nguyên tử vật rắn và t•ơng tác với các lớp điện tử bên trong của nguyên tử T•ơng tác này dẫn đến việc tạo ra các tia X có b•ớc sang đặc tr•ng tỉ lệ với nguyên tử số (Z) của nguyên tử tuân theo định luật Mosley: Tần số của tia X phát ra là đặc tr•ng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho ta các thông tin vow các nguyên tố hoá học có mặt trong mẫu. Đồng thời chow các thông tin vow tỉ phần các nguyên tố này. Hình ảnh phổ tán sắc năng l•ợng tia X của mẫu màng mỏng ghi nhận trên kính hiển vi điện tử truyền qua. Điều đó có nghĩa là tần số tia X phát ra là đặc tr•ng với nguyên tử của mỗi chất có mặt trong chất rắn. Việc ghi nhận phổ tia X phát ra từ vật rắn sẽ cho thông tin về các nguyên tố hoá học có mặt trong mẫu đồng thời cho các thông tin về tỉ phần các nguyên tố này. III.Kĩ thuật ghi nhận và độ chính xác của EDS I.1 Kĩ thuật ghi nhận Tia X phỏt ra từ vật rắn (do tương tỏc với chựm điện tử) sẽ cú năng lượng biến thiờn trong dải rộng, sẽ được đưa đến hệ tỏn sắc và ghi nhận (năng lượng) nhờ detector dịch chuyển (thường là Si, Ge, Li..) được làm lạnh bằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tương tỏc với tia X, rồi được lỏi vào một anốt nhỏ. Cường độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyờn tố cú mặt trong mẫu. Độ phõn giải của phộp phõn tớch phụ thuộc vào kớch cỡ chựm điện tử và độ nhạy của detector (vựng hoạt động tớch cực của detector). I.2 Độ chính xác của EDX Độ chớnh xỏc của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thụng thường ghi nhận được sự cú mặt của cỏc nguyờn tố cú tỉ phần cỡ 3-5% trở lờn). Tuy nhiờn, EDX tỏ ra khụng hiệu quả với cỏc nguyờn tố nhẹ (vớ dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập cỏc đỉnh tia X của cỏc nguyờn tố khỏc nhau (một nguyờn tố thường phỏt ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và cỏc đỉnh của cỏc nguyờn tố khỏc nhau cú thể chồng chập lờn nhau gõy khú khăn cho phõn tớch). IV.Một vài ứng dụng của phép phân tích 1. Nghiờn cứu ăn mũn vỏ lũ quay xi măng Ăn mòn vỏ lò quay Ximăng đ•ợc chia làm hai loại: ăn mòn trong quá trình dừng lò do ng•ng tụ hoặc hấp thụ n•ớc và ăn mòn ( nhiệt độ cao) trong quá trình lò làm việc. 2. Hình thái và thành phần của gỉ sắt. Các sản phẩm ăn mòn đều giòn, xốp và gần giống cốc. Gỉ ở chỗ tiếp xúc với gạch chịu lủa có màu nâu nhạt còn ở chỗ tiếp xúc với vỏ thép có màu nâu bóng hoặc đen óng. Gỉ điển hỡnh. Phớa gạch chịu lửa: đen, nõu. Phớa vỏ lũ - sỏng búng và đen Phõn tớch tiết diện ngang của gỉ bằng phương phỏp SEMIEDX cho thấy gỉ cú cấu trỳc xốp và đa lớp - gồm nhiều lớp kế tiếp nhau với thành phần chớnh là oxyt sắt và sunphua sắt. Từ đú cú thể phõn biệt được ba loại gỉ: - Gỉ khụng chứa clo và kiềm - Gỉ chứa clo khụng chứa kiềm - Gỉ chứa cả clo và kiềm Biểu đồ EDX mặt cắt của gỉ, Mỗi biểu đồ lần lượt tương ứng với O, S, Cl, và K. Ký hiệu Ka dưới mỗi ảnh là chỉ tớn hiệu phõn tớch được là tớn kiệu Ka Phõn tớch EDX được thực hiện trờn 4 mẫu được lấy xung quanh một vị trớ: một mẫu bột gỉ nghiền mịn, một mẫu gỉ phớa gạch, một mẫu gỉ phớa vỏ thộp, và một mẫu ở đỏy của gạch chịu lửa . Kết quả được trỡnh bày trờn bảng 1. Cú thể thấy rằng hàm lượng lưu huỳnh (S), clo (Cl) và kali (K) ở hai mặt gỉ rất giống nhau: S = 3,5%, Cl = 6% và K = 0,5%. Bột ăn mũn cú hàm lượng S cao hơn (cỡ 15%) cũn Cl thấp hơn (chỉ khoảng 2,5%). Đỏy của gạch cú thành phần gần giống sản phẩm ăn mũn. Phổ X-ray của bốn sản phẩm đều cú oxyt sắt và sunphua sắt với hàm lượng khỏc nhau Bảng 1. Phõn tớch vi lượng 4 mẫu lấy xung quanh một vị trớ (% khối lượng) Gỉ sắt Sắt Lưu huỳnh Clo Kali Bột gỉ 74 15 2,5 0,5 Gỉ phớa gạch, màu tối 85 3,5 6,0 0,5 Gỉ phớa vỏ thộp, màu sỏng 85 3,3 6,5 0,5 Mẫu ở đỏy viờn gạch chịu lửa 56 13 5,5 1,0 . Bảng 2 là kết quả phõn tớch ba mẫu: bột ăn mũn, gỉ phớa vỏ lũ và gỉ phớa gạch. Một lần nữa, bột ăn mũn lại chứa nhiều lưu huỳnh hơn hai loại gỉ ăn mũn tương ứng. Tuy nhiờn gỉ lại chứa rất nhiều kali mặc dự vẫn chứa một lượng clo dư. Bảng 2. Phõn tớch vi lượng 3 mẫu lấy xung quanh một vị trớ (% khối lượng) Gỉ sắt Sắt Lưu huỳnh Clo Kali Bột gỉ 64 14 12 6,5 Gỉ phớa gạch, màu tối 64 1,5 19 7,0 Gỉ phớa vỏ thộp, màu sỏng 81 2,0 11 3,0 . Phõn tớch định lượng EDX vi cấu trỳc của gỉ Trờn: phõn tớch định lượng Dưới: SEM của gỉ Ở biểu đồ trờn cú cỏc nguyờn tố O, S và K Hỡnh ảnh phõn tớch SEM-EDX trờn tiết diện ngang của gỉ chứa kiềm. Lần này cực đại của S khụng phải lỳc nào cũng trựng với cực tiểu của O. Trỏi lại, ở những vựng được đỏnh dấu (a) cựng cho cỏc tớn hiệu của O, S và K, trong khi đú cỏc lớp thấp oxy, cao lưu huỳnh và phi kiềm chỉ thấy ở những vựng đỏnh dấu (b). Những ảnh khỏc của cỏc nguyờn tố này cũng cú cựng đặc trưng. Tại những vựng mà cỏc hợp chất của O, S và K chiếm ưu thế thỡ hỡnh ảnh rất rừ nột. Tớn hiệu của Cl thường khụng đi kốm tớn hiệu của K và S. V.Đánh giá ph•ơng pháp & Kết luận •u Điểm: Phổ tia X phỏt ra sẽ cú tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vựng rộng và được phõn tich nhờ phổ kế tỏn sắc năng lượng do đú ghi nhận thụng tin về cỏc nguyờn tố cũng như thành phần. . Độ phõn giải của phộp phõn tớch phụ thuộc vào kớch cỡ chựm điện tử và độ nhạy của detector (vựng hoạt động tớch cực của detector). Nh•ợc Điểm: Độ chớnh xỏc của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thụng thường ghi nhận được sự cú mặt của cỏc nguyờn tố cú tỉ phần cỡ 3-5% trở lờn) EDX tỏ ra khụng hiệu quả với cỏc nguyờn tố nhẹ (vớ dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập cỏc đỉnh tia X của cỏc nguyờn tố khỏc nhau (một nguyờn tố thường phỏt ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và cỏc đỉnh của cỏc nguyờn tố khỏc nhau cú thể chồng chập lờn nhau gõy khú khăn cho phõn tớch). Khả năng loại nhiễu kém hơn WDS. The end! Cảm ơn thầy đã giúp đỡ em hoàn thành bài báo cáo và môn học!