Nguyên lý và ứng dụng của máy quang phổ năng lượng tia X

Trong nghiên cứu và ứng dụng nhiều vật liệu, cần có các dụng cụ đặc biệt để phân tích các vật liệu khác nhau từ các khía cạnh của thành phần và cấu trúc. Trong số đó, máy quang phổ năng lượng tia X (XPS) là một trong những dụng cụ được sử dụng phổ biến. Nguyên lý cơ bản, cấu tạo, ưu nhược điểm và ứng dụng của máy quang phổ năng lượng tia X được mô tả chi tiết dưới đây.

Giới thiệu về máy quang phổ năng lượng tia X

Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) còn được gọi là quang phổ điện tử để phân tích hóa học (ESCA). Phương pháp này được phát triển vào những năm 1960 bởi nhà khoa học người Thụy Điển Kai Siegbahn. Năm 1981, Kai Siegbahn đoạt giải Nobel Vật lý nhờ đóng góp đáng kể vào lý thuyết và công nghệ quang phổ quang điện tử. Trong hơn 30 năm, quang phổ quang điện tử tia X đã có những bước phát triển vượt bậc cả về lý thuyết và công nghệ thực nghiệm. XPS đã được sử dụng chủ yếu để phân tích định tính các nguyên tố hóa học ngay từ đầu, và đã phát triển thành một phương tiện quan trọng để phân tích định tính, bán định lượng và phân tích hóa trị nguyên tố của các nguyên tố bề mặt. Lĩnh vực nghiên cứu XPS không còn giới hạn trong phân tích hóa học truyền thống, mà mở rộng sang lĩnh vực vật liệu phát triển nhanh chóng của thời hiện đại.

Nguyên tắc cơ bản của hoạt động của máy quang phổ năng lượng tia X

Máy quang phổ năng lượng tia X là một phụ kiện của kính hiển vi điện tử quét. Nguyên tắc là các điện tử năng lượng cao phát ra từ súng điện tử được thấu kính điện từ hai giai đoạn trong hệ thống quang học điện tử hội tụ thành chùm điện tử rất mịn để kích thích mẫu trong buồng mẫu, do đó tạo ra các điện tử tán xạ ngược. Các điện tử phụ, điện tử Auger, sự hấp thụ điện tử, điện tử truyền tải, tia X và huỳnh quang catốt. Nếu photon tia X được nhận bởi máy dò Si (Li), tín hiệu xung điện sẽ được đưa ra. Vì năng lượng của photon tia X là khác nhau (năng lượng của một phần tử là bất biến), nó được khuếch đại và định hình để tạo ra một máy phân tích xung đa kênh. Hình ảnh có thể được quan sát phù hợp với năng lượng tia X đặc trưng. Một bản đồ năng lượng nhất định đại diện cho một yếu tố nhất định, và mức đỉnh trên phổ phản ánh hàm lượng của nguyên tố trong mẫu (số lượng tử). Đây là nguyên lý cơ bản của máy quang phổ năng lượng tia X.

Cấu tạo của máy quang phổ năng lượng tia X

Máy quang phổ bao gồm một bộ tách sóng bán dẫn, một bộ tiền khuếch đại và một bộ phân tích xung đa kênh. Nó sử dụng năng lượng của các photon tia X để phân tích nguyên tố. Các photon tia X được nhận bởi một máy dò silicon Si (Li) trôi nổi liti và một tín hiệu xung điện được đưa ra. Biên độ của tín hiệu thay đổi theo năng lượng của các photon tia X. Sau khi tín hiệu xung được khuếch đại và định hình bởi bộ khuếch đại, nó được gửi đến máy phân tích chiều cao xung đa kênh, sau đó loại và chiều cao của mẫu được phân biệt theo năng lượng và cường độ của các photon tia X.

Ưu nhược điểm của máy quang phổ năng lượng tia X

1. Ưu điểm của máy quang phổ năng lượng tia X

(1) Có thể thực hiện phân tích định tính và định lượng tất cả các nguyên tố ngoại trừ H và He một cách nhanh chóng và đồng thời, có thể hoàn thành trong vài phút; Sự phân bố năng lượng từ các electron phát xạ quang mức đơn của mẫu có thể được đo trực tiếp và có thể thu được trực tiếp năng lượng của electron. Thông tin cấu trúc mức độ.

(2) Yêu cầu thấp về vị trí hình học của mẫu và máy dò: Các yêu cầu đối với WD không quá nghiêm ngặt; Có thể thu được kết quả quét tia X và phân bố bề mặt ở độ phóng đại thấp.

(3) Dòng điện thăm dò cần thiết cho phổ năng lượng là nhỏ, đây là một phép phân tích không phá hủy. Đối với các mẫu dễ bị hư hỏng sau khi chiếu tia điện tử, chẳng hạn như mẫu sinh học, mẫu ion nhanh, thủy tinh, mức độ hư hỏng là nhỏ.

(4) là một công nghệ phân tích bề mặt siêu vi mô có độ nhạy cao. Phân tích mẫu cần khoảng 8-10g, độ nhạy lên đến 10-18g, và độ sâu phân tích mẫu khoảng 2nm.

2. những thiếu sót của máy quang phổ năng lượng tia X

(1) Độ phân giải thấp, thấp hơn mười lần so với độ phân giải của máy quang phổ tán sắc bước sóng tia X (~ 10 điện tử vôn);

(2) Tỷ lệ đỉnh trên lưng thấp (khoảng 100), thấp hơn 10 lần so với tỷ lệ của máy quang phổ tán sắc bước sóng tia X. Vẫn còn một số khó khăn trong phân tích định lượng;

(3) Máy dò Si (Li) phải được bảo quản và sử dụng ở nhiệt độ nitơ lỏng, do đó đảm bảo cung cấp nitơ lỏng.

(4) Không thể phân tích các nguyên tố có Z nhỏ hơn 11 và độ phân giải, giới hạn phát hiện và độ chính xác của phép phân tích không tốt bằng của máy quang phổ. Do đó, nó thường được sử dụng chung với máy quang phổ.

Ứng dụng của máy quang phổ năng lượng tia X

1. Phân tích định tính các nguyên tố

Bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn đều có cấu tạo nguyên tử riêng. Không giống như các nguyên tố khác, chính sự khác biệt về cấu tạo này đã làm cho mỗi nguyên tố có phổ năng lượng đặc trưng riêng nên người ta đo được một hoặc một số vạch electron. Vị trí trong bản đồ giúp bạn dễ dàng xác định đường được hiển thị bởi mẫu thuộc về yếu tố nào. Vì mỗi nguyên tố có một vạch electron cụ thể của riêng nó, ngay cả các nguyên tố lân cận cũng không có khả năng bị đánh giá sai, do đó phân tích định tính bằng phương pháp này rất chính xác. Bằng cách quét toàn bộ mẫu, tất cả hoặc hầu hết các phần tử có thể được phát hiện trong một lần đo.

2. phân chia định lượng các nguyên tố

Cơ sở để phân tích định lượng của quang phổ quang điện tử tia X là cường độ của vạch quang điện tử (diện tích của ong quang điện) phản ánh hàm lượng ban đầu hoặc nồng độ tương đối. Vì cường độ của tín hiệu đo được trong quá trình quét điện tử nguyên tố là một hàm của hàm lượng vật liệu mẫu, nên nội dung của nguyên tố được đo có thể thu được bán định lượng hoặc định lượng tùy thuộc vào cường độ của chùm điện tử thu được. Lý do tại sao có khái niệm bán định lượng là các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ tín hiệu liên quan đến nồng độ của các nguyên tố trong mẫu, cũng như đường đi tự do trung bình của các điện tử và hệ số hấp thụ của vật liệu mẫu đối với tia X kích thích. Trong phân tích thực tế,

3. phân tích bề mặt rắn Bề mặt

rắn đề cập đến lớp ngoài cùng của 1 đến 10 nguyên tử, và độ dày của nó xấp xỉ (0,1 ~ 1) n nm. Từ lâu, người ta đã nhận ra rằng có một pha trên bề mặt rắn khác với thành phần và tính chất của phần bên trong của nhóm. Nghiên cứu bề mặt bao gồm phân tích thành phần nguyên tố bề mặt và thành phần hóa học, trạng thái hóa trị nguyên tử và phân bố trạng thái năng lượng bề mặt. Phân bố đám mây electron và cấu trúc mức năng lượng của các nguyên tử bề mặt được đo.

4. Nhận dạng cấu trúc phức hợp

Quang phổ quang điện tử tia X cung cấp phép đo chính xác về sự chuyển dịch hóa học của năng lượng liên kết điện tử của lớp vỏ bên trong và cung cấp thông tin về liên kết hóa học và sự phân bố điện tích. Những thay đổi trong cấu trúc hóa học và những thay đổi trong trạng thái oxy hóa của hợp chất có thể gây ra sự chuyển động đều đặn của vị trí đỉnh của chùm điện tử. Theo đó, cấu trúc và thành phần hóa học của chất hữu cơ và chất vô cơ có thể được phân tích.

Phổ năng lượng tia X là công cụ phân tích được sử dụng phổ biến nhất. Nó có các ứng dụng trong hấp phụ bề mặt, xúc tác, oxy hóa và ăn mòn kim loại, chất bán dẫn, thụ động điện cực và vật liệu màng mỏng. Hiện nay, máy quang phổ năng lượng tia X đã trở thành một công cụ được sử dụng phổ biến trong công nghệ nghiên cứu và phân tích thực nghiệm, việc đo lường nó có ý nghĩa rất lớn. Trong tương lai, máy quang phổ tia X cần được cải tiến và nâng cao hơn nữa về độ phân giải, tỷ lệ đỉnh trên mặt sau, phạm vi sử dụng và độ chính xác của phát hiện. Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ, những máy quang phổ năng lượng tia X ưu việt hơn sẽ được ứng dụng vào nhiều phòng ban, lĩnh vực hơn.