آموزش پیشرفتهآموزش نانو

اصول و مفاهیم طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس – بخش دوم

طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، روشی به‌منظور بررسی سطح نمونه تا عمق حدود 100 انگستروم از نظر آنالیز عنصری،‌ ترکیب شیمیایی و تعیین حالت پیوندی است. با توجه به این نکته که انرژی جنبشی الکترون‌های گسیل شده بر اثر یونیزاسیون یک ماده با فوتون تکفام پرتو ایکس مورد اندازه‌گیری قرار می‌گیرد، طیف فوتوالکترون‌های آن ماده، بر مبنای تعداد الکترون‌های گسیلی برحسب انرژی ترسیم می‌شود.
انرژی فوتوالکترون‌های هر نمونه آزمون، مشخصه‌ی اتم‌های تشکیل دهنده‌ی آن است، بنابراین اندازه‌گیری انرژی جنبشی این فوتوالکترون‌ها معیاری برای تعیین عناصر موجود در آن نمونه است. شناسایی حالت شیمیایی و الکترونی عناصر ماده مانند تمایز قائل شدن بین اشکال سولفاتی و سولفیدی عنصر گوگرد از انحرافات اندکی در انرژی جنبشی و اندازه‌گیری میزان غلظت نسبی آن عنصر با توجه به شدت فوتوالکترون‌های مربوطه امکان‌پذیر است. از این روش در طیف وسیعی از صنایع چون هوافضا، الکترونیک، ارتباطات و حمل و نقل و غیره می‌توان بهره برد.
در بخش اول اصول و مفاهیم طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس سرفصل‌های مقدمه، اصول فیزیکی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، تئوری فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS)، نمودار طیف‌سنجی XPS، تفسیر زمینه‌ی طیف XPS و اثر جابجایي شیمیایی روی طیف فتوالکترون پرتو ایکس مورد مطالعه گرفتند.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- اجزای تشکیل دهنده‌ی طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس
2- آماده‌سازی نمونه
3- کاربردهای XPS
نتیجه‌گیری

این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2017 شماره 20 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده آنالیز طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) بر روی دکمه زیر  کلیک کنید.

1- اجزای تشکیل دهنده‌ی طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس

آنالیز XPS روشی شناخته شده، مؤثر و كاربردي براي بررسي خواص سطح است. این روش همانند دیگر روش‌های دستگاهی، ساختار ویژه‌ای دارد. البته اين روش، جدید و نيازمند تحقيق و توسعه‌ی بيشتر است. در این بخش، قسمت‌های مختلف دستگاه طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس توضیح داده می‌شود که شامل منبع تولید پرتو ایکس، تحلیل‌گر انرژی و آشکارساز است.
به‌صورت كلي قسمت‌هاي اصلي اين سامانه را مي‌توان به موارد ذيل تقسيم‌بندي نمود که در شکل (1) نیز قابل مشاهده است.
شکل 1: اجزای اصلی طیف‌سنج فوتوالکترون پرتو ایکس [13].
  • محفظه‌ی خلاء فوق‌العاده بالا: شرط اصلي براي انجام آناليز XPS، وجود خلاء فوق‌العاده بالا در داخل محفظه‌ی خلاء است. اين نوع آناليزها جزء سامانه‌هاي گران قیمت به شمار مي‌روند، از اين رو تعداد اين سامانه‌ها نسبت به ديگر سامانه‌هاي آناليز،كمتر است. دلیل استفاده از خلاء فوق‌العاده بالا، حذف گازهای جذب شده از نمونه، از بین بردن آلاینده‌های جذب شده بر سطح نمونه، جلوگیری از قوس و فروپاشی ولتاژ بالا و افزایش میانگین مسیر آزاد برای الکترون‌ها، یون‌ها و فوتون‌ها است. نمونه‌ها بعد از آماده‌سازی باید در محفظه‌ی خلاء قرار داده شود و پیش از رسیدن به خلاء در مقیاس میلی بار امکان انجام آزمون نیست. آنالیز کیفی، می‌تواند در عرض ۱۰-۵ دقیقه انجام شود و آنالیز کمی، بسته به اطلاعات مورد نظر، به ۱ ساعت تا چندین ساعت زمان نیاز دارد.
  • منبع تابش: پرتو ایکس با بمباران یک جامد با استفاده از الکترون‌هایی با انرژی حداکثر 5-4 کیلوالکترون ولت تولید می‌شود. تولید پرتو ایکس، براساس ساز و کار تابش ترمزی است که باعث تابش طیف پیوسته‌ای از فوتون‌های پرتو ایکس می‌شود. پرتو ایکس مشخصه نیز در اثر کنده شدن یک الکترون از لایه‌های پایین اتم و پر شدن آن با الکترون‌های لایه‌های بالاتر تولید می‌شود. به‌طور معمول پرتو ایکس مشخصه نسبت به طیف پیوسته شدت بیشتری دارد و تقریبا تکفام است. به‌طور کلی پرتو ایکس پس از خروج از لوله پدید آورنده و پراش از یک بلور، به‌صورت تک طول موج به سطح نمونه می‌تابد و الکترون مدار داخلی اتم‌های نمونه را جدا و به داخل طیف‌سنج الکترونی هدایت می‌کند. شکل (2) نمایی از چگونگی تولید پرتو ایکس که الکترون‌ها (دایره‌های آبی با بار منفی) از منبع تولید الکترون (کاتد) که با حرف (C) نشان داده شده‌است؛ گسیل می‌شوند و به آند (A) که در این نوع طیف‌سنج به‌طور متداول آلومینیوم و منیزیم و گاهی از سدیم و سیلیکون نیز است، برخورد می‌کنند.
شکل 2: نمایی از تولید پرتو ایکس [14].
در همه‌ی این مواد، پیک Kα1 و Kα2 پرتو ایکس، مشخصه ناشی از سقوط الکترون‌ها به لایه‌ی K، بر هم منطبق‌اند و به‌صورت Kα1,2 نمایش داده می‌شوند که انرژی آن‌ها برای Al Kα1,2، Mg Kα1,2، Na Kα1,2، Kα1,2 Si و به ترتیب برابر با 1486/6، 1253/6، 1041/0 و 1739/5 الکترون ولت است. محفظه‌ی پیرامون این مجموعه نیز به‌طور معمول از جنس آلومینیوم است تا مانع از خروج الکترون‌ها شود در حالی که این محفظه، پرتو ایکس را به خوبی از خود عبور می‌دهد.
  • نگهدارنده‌ی نمونه: در ابتدا نمونه از طریق محفظه‌ی نمونه که در بخش بیرونی دستگاه قرار دارد، وارد دستگاه می‌شود. این محفظه بسته شده و از طریق خلاء پایین پمپ می‌شود. پس از محفظه‌ی اول که در خلاء پایین است، نمونه به محفظه‌ی دوم که خلاء فوق‌العاده بالا دارد، وارد می‌شود (شکل (3)).
شکل 3: تصویر واقعی از اجزای دستگاه XPS [10].
نمونه‌ها به‌طور معمول جامد هستند زیرا دستگاه XPS نیاز به خلاء فوق‌العاده بالا کمتر از 9-10 میلی‌بار یا تور (کمتر از 7-10 پاسکال) دارد.
  • تحلیل‌گر انرژی: یک تحلیل‌گر انرژی، الکترون‌ها را براساس انرژی‌شان با قدرت تفکیک مناسب جدا می‌کند؛ یعنی یک تحلیل‌گر انرژی مانند فیلتری عمل می‌کند که فقط الکترون‌ها با انرژی خاص را از خود عبور می‌دهد. با افزایش تعداد الکترون‌های تحلیل شده، میزان حساسیت نیز افزایش می‌یابد. از آن جایی که تفکیک انرژی‌ها در میدان الکتریکی انجام می‌شود، یک تحلیل‌گر خوب تحلیل‌گری است که کم‌ترین حساسیت را به میدان‌های خارجی مانند میدان مغناطیسی زمین و یا دیگر میدان‌های مغناطیسی موجود در آزمایشگاه داشته باشد. به‌طور معمول، تحلیل‌گرهای انرژی مانند تحلیل‌گر نیمکره‌ای هم‌مرکز و تحلیل‌گر آینه استوانه‌ای در XPS به کار می‌رود (شکل‌های (4) و (5)). تحلیل‌گر CHA متشکل از دو نیم‌کره‌ی هم‌مرکز است که با استفاده از لنزهای الکتروستاتیکی باریکه‌ی الکترونی به داخل آن هدایت می‌شود.
با اعمال پتانسیل مثبت و منفی به ترتیب به سطح پایینی و بالایی نیم‌کره‌ها و تولید میدان الکتریکی، الکترون‌ها با انرژی‌های جنبشی متفاوت، مسیرهای حرکت مختلفی خواهند داشت که الکترون‌ها با انرژی کمتر مسیر کوتاه‌تر و الکترون‌ها با انرژی بیشتر مسیر بلندتری طی می‌کنند به‌گونه‌ای که با دیواره‌ی نیم‌کره‌ها برخورد نداشته باشند که به این ترتیب قبل از رسیدن به آشکارساز، مقدار انرژی هر فوتوالکترون براساس شدت میدان الکتروستاتیکی اعمالی برای گذر از مسیر نیم‌کره محاسبه می‌شود و فوتوالکترون‌ها از نظر انرژی تفکیک می‌شوند.
شکل 4: تحلیل‌گر CHA [14].
شکل 5: تحلیل‌گر آینه استوانه‌ای CMA و نمای جانبی دستگاه XPS [14].
  • آشکارساز: الکترون‌هایی که از تحلیل‌گر انرژی عبور کرده باشند در نهایت به آشکارساز برخورد می‌کنند. به علت تعداد کمِ الکترون‌ها، برای تقویت و افزایش تعدادِ آن‌ها، از تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود. یک نوع از تقویت‌کننده‌ها، فوتومولتی‌پلایر معمولی است که به‌صورت صفحه‌های متوالی یا به‌صورت شیپوری ساخته می‌شود. هر الکترون پس از برخورد، چند الکترون تولید می‌کند و هر یک از الکترون‌های تولید شده نیز به نوبه‌ی خود الکترون‌های بیشتری را تولید می‌کنند و به این ترتیب جریان قابل ملاحظه‌ای از الکترون‌ها ایجاد می‌شود. گاهی نیز برای شمارش الکترون‌ها صفحات فلوئورسانت استفاده می‌شود که برخورد الکترون‌ها را به تابش نور تبدیل می‌کند؛ دوربینی در پشت این صفحات، تعداد الکترون‌ها را در هر انرژی ثبت می‌کند. شكل (6) نماي واقعي از سامانه‌ی XPS را نشان مي‌دهد [7 و 10و 15و 16].
شكل 6: نماي واقعي از روبرو و نمای جانبی دستگاه XPS [14].
در ادامه الگو یا طیفی که با استفاده از قسمت ثبت کننده‌ی دستگاه رسم می‌شود و تغییر شدت (تعداد فوتوالکترون) برحسب انرژی جنبشی یا انرژی پیوندی را ثبت می‌کند، نشان داده شده‌است که در آن پیک‌های مربوط به حضور فوتوالکترون‌هایی که انرژی ویژه دارند، آورده شده‌است. شکل (7)، طیف فوتوالکترون پرتو ایکس سطح آلومینیوم را نشان می‌دهد که با فوتون‌های 1487 الکترون ولت بمباران شده‌است.
شکل 7: طیف XPS ضبط شده با تابش تکفام Al Kα به فویل آلومینیومی اکسید شده [12].
همان‌طور که مشاهده می‌شود علاوه بر پیک‌های آلومینیوم، پیک‌های متعلق به کربن و اکسیژن نیز دیده می‌شود. از آن جایی که کربن بسیار سطحی است و الکترون‌های آزاد شده از آن به سادگی از سطح جامد فرار می‌کنند؛ پیک کربن ساده و بدون ساختار است.
در آنالیز XPS، پیک‌های اوژه اتمی (که در اثر تابش پرتو ایکس یا تابش الکترون‌های پر انرژی، الکترونِ لایه‌ی داخلی آن از قید هسته جدا شده‌است تمایل دارد تا به حالت پایدارتری برسد بنابراین، الکترون از لایه‌های بالاتر اتم به این لایه‌ی داخلی منتقل شده و همراه با این انتقال، انرژی آزاد می‌شود که می‌تواند الکترون‌های بیرونی را از قید اتم رها کند که این الکترون و پیکی که نماینده‌ی انرژی آن است را اوژه نامند) نیز ظاهر می‌شوند که اگر چه حاوی اطلاعات زیادی‌ هستند اما ممکن است که با پیک‌های XPS، اشتباه گرفته شوند که برای تمایز آن‌ها از یکدیگر می‌توان انرژی فوتون فرودی را تغییر داد که با تغییر انرژی فوتون فرودی، محل پیک اوژه تغییر نمی‌کند اما محل پیک XPS جابه‌جا می‌شود که از نظر عملی این کار میسر نیست بنابراین، مناسب‌ترین کار برای تمایز این دو نوع پیک، مقایسه‌ی موقعیت پیک‌ها با موقعیت استاندارد آن‌ها است.
در طیف نشان داده شده پیک‌های آلومینیوم مربوط به لایه های 2s و 2p نیز دیده می‌شوند. پیک‌های بسیار کوچکی پشت این پیک‌ها در انرژی‌های کمتر وجود دارد که ناشی از جذب انرژی به‌وسیله پلاسمون‌هاست که انرژی آنها حدود چند الکترون ولت است. در کنار پیک‌های (Al 2s) و (Al 2p)، پیک‌های کوچکی وجود دارند که مربوط به آلومینیوم اکسید شده ‌است که موقعیت مربوط به Al0 و Al+3 در داخل شکل (7) مشاهده می‌شود [7 و 10].
با توجه به پیک‌ها، از دست دادن الکترون‌های لایه‌ی ظرفیت (اکسید شدن) باعث افزایش انرژی پیوند و برعکس گرفتن الکترون اضافی در لایه‌ی ظرفیت (احیاء شدن) باعث کاهش انرژی پیوند می‌شود.

2- آماده‌سازی نمونه

نمونه‌ها می‌توانند جامد، مایع و گاز باشند که در تمامی آن‌ها مشکل باردار شدن نمونه بر اثر خروج فوتوالکترون وجود دارد. در بعضی موارد می‌توان با پرتاب الکترون، بار مثبت نمونه را جبران کرد. اما این کار می‌تواند منجر به باردار شدن نمونه به‌صورت منفی نیز شود. در مواد جامد با اتصال مناسب نمونه به زمین می‌توان بر مشکل باردار شدن نمونه فائق آمد. روش دیگر نیز بمباران یونی سطح نمونه است. در مواد گازی شکل و مایعات، گاز و مایع در یک محفظه قرار دارد و پرتو ایکس از یک پنجره‌ی شفاف در برابر پرتو ایکس، به آن می‌تابد. برای خروج الکترون، روزنه‌ی بسیار کوچکی تعبیه شده‌است و فشار داخل محفظه برای گازها بین 1 تا 2-10 تور است. مشکلی که در آنالیز مواد مایع وجود دارد آن است که به سبب فشار بخار نسبتا بالای مایعات، نیاز به پمپ کردن چند مرحله‌ای است. اما در عمل، بیشتر نمونه‌ها جامداند (مثل فلزات، شیشه‌ها، نیمه هادی‌ها، سرامیک‌های با فشار بخار کم) که می‌توانند به‌صورت پودر یا غیر پودری باشند. در مورد نمونه‌های پودری، می‌توان آن‌ها را تحت فشار به‌صورت قرص آماده‌سازی کرد (پودر باید به میزانی باشد که یک سطح 1/5 ×1/5 سانتیمتر را پوشش دهد) و یا روی یک سطح آغشته به یک ماده چسبنده (مانند چسب کربن) ثابت نگه داشت. نمونه لایه‌ای باید دارای ابعاد حداقل 0/5×0/5 سانتی‌متر مربع و حداکثر 1/5 ×1/5 سانتی‌متر مربع و ضخامت حداکثر 5 میلیمتر (پشت نمونه باید مشخص شود) باشد. نمونه‌های مایع باید روی یک لام 1×1 سانتی‌متر مربع در چندین مرحله چکانده شود به صورتی که زیر لایه کاملاً پوشانده شود (این عمل در آزمایشگاه انجام می‌شود؛ در این حالت ،یکنواختی مایع حائز اهمیت است). همچنین آماده‌سازی نمونه‌ها باید بدون اثر انگشت، چربی یا آلوده کننده‌های سطحی دیگر باشد. از آن جا که روش XPS جزء روش‌های غیرمخرب محسوب می‌شود و آسیبی به نمونه وارد نمی‌کند، از این رو برای آنالیز مواد مختلف از مواد بیولوژیکی تا متالورژیکی قابل استفاده است. مقدار نمونه‌ی مورد نیاز در حدود 1 میلی‌گرم است و موقعیت قرار گرفتن نمونه در نزدیکی ورودی تحلیل‌گر انرژی است تا الکترون‌های خروجی از سطح در ابتدای ورود به تحلیل‌گر، در اثر اعمال میدان الکتریکی به درون نیم‌کره‌ی الکتروستاتیکی جمع شده و پیش از رسیدن به آشکارساز از نظر مقدار انرژی تفکیک شوند. کمترین فشار مورد نیاز برای آنالیز XPS 4-10 تور است که در این فشار پویش آزاد میانگین برای الکترون‌ها حدود 1 متر است و الکترون‌ها تقریبا بدون برخورد با یکدیگر آنالیز می‌شوند اما در این فشار سطح به سرعت با لایه‌ای از مولکول‌های آب و مولکول‌های دیگر پوشانده می‌شود و این آنالیز سطح را مشکل می‌سازد [10].

3- کاربردهای XPS

از کاربردهای عمومی این روش می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
– شناسایی عناصر روی سطح (فاصله ۱۰ نانومتر) و مقدار آنها برای تمامی سطوح بجز هیدروژن و هلیم؛
– شناسایی فرمول تجربی؛
– شناسایی حالت شیمیایی و الکترونی هر عنصر روی سطح؛
– تعیین حالت‌های اکسیداسیون اتم‌های فلزی در لایه‌های سطحی اکسیدفلزی؛
– شناسایی ناخالصی‌های روی سطح؛
– پروفایل‌های ترکیبی توزیع عنصری در فیلم‌های (لایه‌های) نازک؛
– آنالیز سطح مواد آلی و غیر آلی، رنگ‌ها و پسماندها [10].

 نتیجه‌گیری

XPS یک روش آنالیز عنصری بوده که در تهیه‌ی اطلاعات حالت شیمیایی عناصر مشخص شده مانند تمایز قائل شدن بین اشکال یونی یک عنصر، منحصر به فرد است. این فرآیند از طریق تابش پرتوهای تک انرژی ایکس که منجر به انتشار فوتوالکترون‌هایی که انرژی آن‌ها مشخصه‌ی عناصر موجود در حجم نمونه‌برداری شده‌است، انجام می‌گیرد. در این روش، سطح نمونه با پرتو ایکس تک انرژی بمباران می‌شود و فوتوالکترون‌های پر انرژی‌ترِ تولید شده موفق به فرار از ماده می‌شوند. این فوتوالکترون‌ها پس از ارسال به تحلیل‌گر انرژی و تعیین انرژی جنبشی آن‌ها، به آشکارساز هدایت می‌شوند تا تعداد فوتوالکترون‌های تولیدی با انرژی جنبشی مشخص شمارش شوند. به علت تکفام بودن پرتو ایکس و قرار داشتن الکترون‌ها در سطوح گسسته انرژی، انرژی الکترون‌های جدا شده نیز مقادیر گسسته‌ای دارند. الکترون‌هایی که از سطح ماده خارج می‌شوند، در برخوردهای متوالی، بخشی از انرژی خود را از دست می‌دهند و طیف کلی این آنالیز، مجموعه‌ای از پیک‌هاست که روی یک زمینه قرارگرفته‌اند. در نهایت این اطلاعات به‌صورت تعداد فوتوالکترون‌ها بر حسب انرژی پیوندی رسم می‌شوند. شرط اصلي براي انجام آناليز XPS، وجود خلاء بسیار زياد در داخل محفظه‌ی خلاء است. اين نوع آناليزها جزء سامانه‌هاي گران قیمت به شمار مي‌روند؛ از اين رو، تعداد اين سامانه‌ها نسبت به ديگر سامانه‌هاي آناليز، كمتر است.

منابـــع و مراجــــع


۱ – Einstein, A. Ann. Phys. Leipzig (1905), 17, 132-148.
۲ – Siegbahn, K.; Edvarson, K. I. Al (1956). “β-Ray spectroscopy in the precision range of 1 : 1e6”. Nuclear Physics.
۳ – C. Nordling E. SokolowskiK. Siegbahn, Phys. Rev. (1957), 105, 1676.
۴ – D.W. TurnerM.I. Al Jobory, “Determination of Ionization Potentials by Photoelectron Energy Measurement”. J. Chem. Phys. (1962), 37, 3007.
۵ – S. Hagström, C. NordlingK. Siegbahn, Phys. Lett. (1964), 9, 235.
۶ – J.F. Moulder, W.F. Stickle, P.E. Sobol, K.D. Bomben (1992), Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, Perkin-Elmer Corp, Eden Prairie, MN.
۷ – D. R. Vij, Handbook of Applied Solid State Spectroscopy, Springer, New York, (2006).
۸ – University of Illinois at Urbana-Champaign [groups.mrl.illinois.edu/nuzzo/0-ppt/XPS Class 99.pps].
۹ – A. T. Hubbard, The Handbook of Surface ImagingVisualization, CRC Press, Boca Raton, Florida, (1995).
۱۰ – Watts, J. F., Wolstenholme, J. (2003), “An Introduction to Surface Analysis by XPSAES”, 2nd Edition, New York, Wiley.
۱۱ – X-ray Photoelectron Spectroscopy, D. Torres, University of Texas at El Paso [nanohub.org/resources/2011/download/x-ray photoelectron spectroscopy (xps).ppt].
۱۲ – XPS Spectra, CasaXPS www.casaxps.com/help_manual/manual_updates/xps_spectra.pdf
۱۳ – https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_photoelectron_spectroscopy.
۱۴ – Crist, B.V. (2004), “Handbooks of Monochromatic XPS Spectra”, USA, published by XPS International LLC
۱۵ – University of Western Ontario [mmrc.caltech.edu/SS_XPS/XPS_PPT/XPS_Slides.pdf].
۱۶ – D. Briggs (2003), XPS: Basic Principles, Spectral FeaturesQualitative Analysis, in: D. Briggs, J.T. Grant (Eds.), Surface Analysis by AugerX-ray Photoelectron Spectroscopy, IM Publications, Chichester, 31-56.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا