Phổ kế quang điện tử tia X
Phổ kế quang điện tử tia X GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Khái quát • XPS là kĩ thuật phân tích tính chất trên bề mặt vật liệu thông qua phổ. Nó thường được dùng để xác định thành phần cơ bản, trạng thái hóa học, trang thái điện tử của các nguyên tố trên bề mặt của vật liệu. • XPS được dựa trên lý thuyết về hiệu ứng quang điện. BỐ CỤC LƯỢC SỬ NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CẤU TRÚC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH PHỔ ỨNG DỤNG ĐÁNH GIÁ LƯỢC SỬ - 1887, Heinrich Rudolf Hertz khám phá ra HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN và hiệu ứng này được giải thích bởi Albet Einstein 1905 (Nobel Prize 1921) - 1967, P.D Inner thí nghiệm với ống Rontgen, cuộn Helmholtz, 1 bán cầu từ trường và các tấm kính ảnh. Ông ghi nhận được 1 dải rộng của các điện tử phát xạ -> ghi lại QUANG PHỔ XPS ĐẦU TIÊN. Albet Einstein Hiệu ứng quang điện Kai Siegbahn Máy XPS Sau Thế chiến 2, nhóm của Kai Siegbahn tiếp tục nghiên cứu và đã ghi nhận được PHỔ PHÂN GIẢI ẢNH NĂNG LƯỢNG CAO đầu tiên của NaCl (1954). Nhờ đóng góp ở lĩnh vực này, Siegbahn đã được trao tặng giải Nobel vào năm 1981. XPS là gì • XPS còn được biết là Electron Spectroscopy for chemical Analaysis (ESCA) là một kĩ thuật được sử dụng rộng rãi để xác định những thông tin hóa học một cách chính xác của những bề mặt mẫu khác nhau. Bằng cách ghi lại năng lượng liên kết của các điện tử phóng ra từ một bề mặt mẫu, sau khi bề mặt mẫu bị chiếu bởi một tia X. XPS đòi hỏi điều kiện chân không siêu cao (UHV). 2. cơ sở lý thuyết BE = hν – KE (1) BE: năng lượng liên kết của mỗi điện tử KE: động năng của các phân tử phát xạ hν: năng lượng photon chiếu vào Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện: Khi bề mặt của một tấm kim loại bị chiếu bởi bức xạ điện từ có tần số lớn hơn tần số ngưỡng, các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng quang điện. Các điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ gọi là quang điện tử Abert Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử để giải thích hiện tượng quang điện. - Mỗi photon có tần số ν sẽ tương ứng với một lượng tử có năng lượng ε= hυ, h là hằng số Plank - Năng lượng mà điện tử hấp thụ sẽ được dùng trong 2 việc: • Thoát ra khỏi liên kết với bề mặt kim loại (vượt ra năng lượng liên kết BE) • Cung cấp cho điện tử 1 động năng ban đầu KE= ½ mv 2 Như vậy, theo định luật bảo toàn năng lượng: hν = BE+KE BE = hν – KE (1) BE của một số hợp chất [...]... điện tử ở các Vị mức năng lượng khác nhau BE của mỗi C(1s) điện tử khác nhau ⇒ của các điện tử => vị trí của các BE đỉnh phổ C(2s) 0 400 800 C(2p) Chú ý: chỉ cho ra phổ của các lớp có BE < hv 1200 KE (eV) 1200 BE = hυ - KE 800 400 0 Cường độ các đỉnh phổ không đồng nhất Đỉnh phổ ứng với các điện tử ở mức 1s lớn nhất X c suất các điện tử phóng ra phụ thuộc vào: - Các mức năng lượng của các điện tử. . .Phổ XPS của các nguyên tố Phổ XPS của một nguyên tử: Các đặc điểm của phổ: Phổ có những đỉnh cao Các đỉnh phân bố không đều nhau Độ cao của các đỉnh không đồng nhất 3 Nguyên lý Khảo sát nguyên tử Cacbon C (Z = 6) C(2p) 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: 2 2 2 C 1s 2s 2p C(1s) C(2s) Quá trình quang điện. .. 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 Tuy nhiên, các điện tử ở lớp 2s, 2p, cũng có thể bị di chuyển ⇒ 3 quá trình sẽ x y ra, có ⇒ nhóm quang điện tử ứng với 3 động năng khác nhau sẽ được phóng ra 3 ⇒ ( hình 2) phổ ε2p ~290eV C(1s) 3 nhóm quang điện tử ứng với 3 động năng khác nhau được phóng ra 3 đỉnh quang phổ C(2s) 0 400 800 C(2p) 1200... nguyên tử hiện diện và phụ thuộc vào giá trị σ 4 Thiết bị xps Các thành phần chính Bộ phận phân tích Nguồn tia X Mẫu Buồng chân không nguồn tia X •Nguồn tia X thường sử dụng là nguồn Al Kα hoặc Mg Kα •Sử dụng electron đập vào bản kim loại làm phát ra bức x Kα Tùy theo kim loại mà bức x phát ra mang năng lượng khác nhau Bộ phận phân tích Đầu nhận điện tử Bộ phân tích năng lượng Đầu nhận xung Đầu nhận điện. .. - Các nguyên tử khác nhau - Năng lượng tia X Năng lượng X- ray là 1486.6 eV,trong C(1s) đó σC1s lón nhất, σC2s lớn hơn σC2p => đỉnh phổ C1s lớn nhất C(2s) 0 400 800 C(2p) 1200 => Tiết diện tán x σ x c định đô cao của các đỉnh phổ KE (eV) 1200 BE = hυ - KE 800 400 0 Tóm lại: Số đỉnh phổ tương ứng với số mức năng lượng bị chiếm đóng BE của các điện tử sẽ x c định vị trí các đỉnh phổ Cường độ... điện tử Cấu tạo: là một lớp kính nhỏ, được đặt gần sát với bề mặt mẫu Chức năng: Làm chậm electron X c định diện tích mẫu đang đo 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 Đầu nhận xung Cấu tạo: gồm một máy đếm xung được nối với máy tính Chức năng: Đếm số xung... Cấu tạo: gồm một máy đếm xung được nối với máy tính Chức năng: Đếm số xung đập vào Đo độ lớn của xung đập máy vào máy Ghi nhận số lượng và độ lớn xung đập vào Sự biến đổi Hiệu điện thế Động năng electron PHỔ Số lượng và độ lớn xung Số lượng electron 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... ng c a tia X, gây ra s kém chính x c v N ng l ho c ph khi o Có th kh c ph c b ng cách dùng thêm súng electron b n vào - M t s m u c n ph i c o, c t l p b m t nó có th bi u l trung hòa m u c các tính ch t hóa h c ng liên k t 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 Buồng chân không Cấu tạo: là một buồng kín, áp suất thấp, x p x 10 -9... năng lượng BE: 0 - 8 eV (4d, 5s); 54 eV (4p); 88 eV (4s); 335 eV (3d); 534/561 eV (3p); 673 eV (3s) 6 Ứng dụng XPS được dùng để x c định: - Độ dày của 1 hay nhiều lớp mỏng của những vật liệu khác nhau - Tạp chất gì có trên bề mặt hoặc bên trong khối mẫu - Năng lượng kiên kết của trạng thái điện tử - Trạng thái hóa học của nguyên tố trong mẫu - Những nguyên tố nào và hàm lượng của những nguyên tố đó trong... t nào - Từ vị trí các đỉnh, giá trị σ (x c suất electron thoát ra) và các điều kiện khác của máy, người ta có thể x c định là có bao nhiên nguyên t (electron) trong m u Nh ó, ta có th bi t c dày m ng c a m u PHÂN TÍCH TR NG THÁI HÓA H C C s - a s các elctron tuy cùng l p nh ng l i các trang thái liên k t hóa h c khác nhau nên - N u n m rõ i u này, k t h p v i quang ph thu nh BE c a chúng khác nhau . điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng quang điện. Các điện tử phát x ra dưới tác dụng của bức x điện từ gọi là quang điện tử Abert Einstein đã sử dụng thuyết lượng tử. liên kết của mỗi điện tử KE: động năng của các phân tử phát x hν: năng lượng photon chiếu vào Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện: Khi bề mặt của một tấm kim loại bị chiếu bởi bức x điện. Phổ kế quang điện tử tia X GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng Khái quát • XPS là kĩ thuật phân tích tính chất trên bề mặt vật liệu thông qua phổ. Nó thường được dùng để x c định thành phần