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
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
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 1s
2
2s
2
2p
2
C(2s)
C(1s)
C(2p)
Khảo sát nguyên tử Cacbon C (Z = 6)
0
ε
2p
~10eV
2s

2p
1s
ε
2p
~20eV
ε
2p
~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
800

1200
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
800
1200
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
800
1200
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 σ
C1s
lón nhất, σ
C2s
lớn hơn σ
C2p
=>
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
4. Thiết bị xps
Các thành phần chính
Mẫu
Bộ phận phân
tích
Nguồn tia
X
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 xạ Kα. Tùy theo kim
loại mà bức xạ 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 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
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 đập vào
máy
Đo độ lớn của xung đập
vào máy
Ghi nhận số lượng và độ lớn xung đập vào.