7. Cấu trúc luận văn
2.2.4. Phổ quang điện tử ti aX (XPS)
- Nguyên tắc:
Phổ quang điện tử tia X (XPS) là kĩ thuật phân tích bán định lượng về tính chất bề mặt vật liệu. Phổ cũng được gọi là phổ electron để phân tích hĩa học (ESCA). Phổ XPS thường được dùng để xác định thành phần cơ bản, trạng thái hĩa học, trạng thái điện tử của các nguyên tố trên bề mặt của vật liệu.
Ở hình 2.3, thiết bị phổ XPS gồm thiết bị tạo tia X đơn sắc, buồng mẫu và máy phân tích năng lượng điện tử, trong đĩ chùm X-ray cĩ năng lượng
khoảng 10 đến 15 kV cĩ thể thu được do sự phát xạ Mg K hoặc Al Kvới năng lượng h tương ứng bằng 1253,6 eV và 1486,6 eV. Đồng thời, kỹ thuật đo XPS địi hỏi điều kiện chân khơng siêu cao (UHV) nhằm tránh sự tán xạ của electron trong chất khí, tránh nhiễm bẩn bề mặt và kéo dài tuổi thọ tia X và electron quang điện.
Hình 2.3. Sơ đồ minh họa các thiết bị để đo phổ XPS.
Phổ XPS được dựa trên lý thuyết hiệu ứng quang điện hay sự phát ra electron sau khi kích thích electron lõi bằng photon và được mơ tả ở hình 2.4.
Hình 2.4. Sơ đồ mức năng lƣợng của mẫu so với phổ kế
Khi chùm tia X chiếu trực tiếp vào bề mặt mẫu, năng lượng photon tia X bị hấp phụ hồn tồn bởi electron lõi của nguyên tử. Nếu năng lượng photon h đủ lớn thì electron lõi sẽ thốt ra khỏi nguyên tử và phát ra ngồi bề mặt.
Các electron phát ra với động năng Ek được gọi là quang điện tử. Năng lượng liên kết của electron lõi được xác định dựa trên hệ thức Einstein:
b k
Trong đĩ, h là năng lượng photon tia X (đối với Al K, h= 1486,6eV); Ek là động năng của quang điện tử, cĩ thể được đo bằng máy phân tích năng lượng và là hàm làm việc do máy phân tích gây ra, khoảng 4 ~ 5 eV.
Tuy nhiên, hàm làm việc cĩ thể bù trừ để được bỏ qua. Do đĩ, năng lượng liên kết cĩ biểu thức như sau:
b k
E h E
Năng lượng liên kết Eb của phổ XPS được tham chiếu đến mức fermi Ef. Vì các mức fermi của mẫu và phổ kế được căn chỉnh như nhau nên chúng ta chỉ cần biết hàm làm việc của máy quang phổ, spđể tính Eb. Do đĩ, phổ XPS cĩ thể thu được bằng cách ghi lại năng lượng liên kết hoặc động năng của các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu sau khi bề mặt mẫu bị chiếu bởi tia X. Mỗi năng lượng liên kết cho phép xác định được trạng thái liên kết của một nguyên tố trong mẫu đo.
- Thực nghiệm: Phổ XPS được ghi trên phổ kế ESCALab 250 (Thermo VG, UK) với một nguồn tia X đơn sắc của Al Kα (1486,6 eV). Năng lượng liên kết được chuẩn bởi sử dụng C 1s (284,8 eV). Độ phân giải năng lượng là 0,48 eV và mỗi bước quét là 0,1 eV. Mẫu được gửi đo tại khoa Hĩa học và Khoa học nano, Trường Đại học Ewha Womans, Hàn Quốc.