Đề tài : phương pháp phân tích phổ EDX doc

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÁO CÁO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ

ĐỀ TÀI: Phương pháp phân tích phổ EDS

( Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

SVTH: Nguyễn Văn Du Lớp: Vật Liệu Điện Tử

GV bộ môn: 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

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

Tia X phát ra từ vật rắn (do tương tác với chùm điện tử) sẽ có năng lượng biến thiên trong dải rộng, sẽ được đưa đến hệ tán 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 tác với tia X, rồi được lái vào một anốt nhỏ

Cường độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector)

I.2 §é chÝnh x¸c cña EDX

Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên)

Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ

B, C ) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng

Kα, Kβ , và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích)

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 hình Phía gạch chịu lửa: đen, nâu Phía vỏ lò - sáng

bóng và đen

Phân tích tiết diện ngang của gỉ bằng phương pháp SEMIEDX

cho thấy gỉ có cấu trúc xốp và đa lớp - gồm nhiều lớp kế tiếp nhau

với thành phần chính là oxyt sắt và sunphua sắt

Từ đó có thể phân biệt được ba loại gỉ:

- Gỉ không chứa clo và kiềm

- Gỉ chứa clo không 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 tín hiệu phân tích được là tín kiệu Ka

Phân tích EDX được thực hiện trên 4 mẫu được lấy xung quanh một vị trí: một mẫu bột gỉ nghiền mịn, một mẫu gỉ phía gạch, một mẫu gỉ phía vỏ thép, và một mẫu ở đáy của gạch chịu

lửa Kết quả được trình bày trên bảng 1 Có 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 mòn có hàm lượng

S cao hơn (cỡ 15%) còn Cl thấp hơn (chỉ khoảng 2,5%) Đáy của gạch có thành phần gần giống sản phẩm ăn mòn Phổ X-ray của bốn sản phẩm đều có oxyt sắt và sunphua sắt với hàm lượng khác nhau

Bảng 1 Phân tích vi lượng 4 mẫu lấy xung quanh một vị trí (% khối lượng)

Gỉ phía gạch, màu tối 85 3,5 6,0 0,5

Gỉ phía vỏ thép, màu sáng 85 3,3 6,5 0,5 Mẫu ở đáy viên gạch chịu lửa 56 13 5,5 1,0

Bảng 2 là kết quả phân tích ba mẫu: bột ăn mòn, gỉ phía vỏ lò và

gỉ phía gạch Một lần nữa, bột ăn mòn lại chứa nhiều lưu huỳnh hơn hai loại gỉ ăn mòn tương ứng Tuy nhiên gỉ lại chứa rất nhiều kali mặc dù vẫn chứa một lượng clo dư

Bảng 2 Phân tích vi lượng 3 mẫu lấy xung quanh một vị trí (% khối lượng)

Gỉ phía gạch, màu tối 64 1,5 19 7,0

Gỉ phía vỏ thép, màu sáng 81 2,0 11 3,0

Phân tích định lượng EDX vi cấu trúc của gỉ

Trên: phân tích định lượng Dưới: SEM của gỉ

Ở biểu đồ trên có các nguyên tố O, S và K

Hình ảnh phân tích SEM-EDX trên tiết diện ngang của gỉ chứa kiềm Lần này cực đại của S không phải lúc nào cũng trùng với cực tiểu của O Trái lại, ở những vùng được đánh dấu (a) cùng cho các tín hiệu của O, S và K, trong khi đó các lớp thấp oxy, cao lưu huỳnh và phi kiềm chỉ thấy ở những vùng đánh dấu (b) Những ảnh khác của các nguyên tố này cũng có cùng đặc trưng Tại những vùng mà các hợp chất của O, S và K chiếm ưu thế thì hình ảnh rất rõ nét Tín hiệu của Cl thường không đi kèm tín 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!