Dụng cụ quang phổ và phương pháp quang phổ phổ kế quang điện tử tia x (XPS)

XPS
X-ray Photoelectron Spectroscopy
Phổ kế quang điện tử tia X
GVHD: TS Lê Vũ Tuấn Hùng
Học viên thực hiện:
- Lý Ngọc Thủy Tiên
- Lê Thị Lụa
- Tô Lâm Viễn Khoa
Địa chỉ bạn đã tải:
/>Địa chỉ bạn đã tải:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Nơi bạn có thể thảo luận:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Dự án dịch học liệu mở:
/>Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
Liên hệ với người quản lí trang web:
Yahoo:
Gmail:
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
Nguồ
n 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