هــــــــــــدف

طيف سنجي فوتوالكترون پرتو اکس (XPS)

در اين روش سطح نمونه توسط پرتو X بمباران شده و انرژي الكترون‌ها (يا فوتوالكترون‌هاي) خروجي از نمونه اندازه‌گيري مي‌شود(مطابق شكل زیر).
 

اگر پرتو X ابتدايي كه به سطح نمونه برخورد مي‌كند انرژي كافي داشته باشد سبب خروج الكترون از مدارهاي داخلي (به عنوان مثال مدار K) خواهد شد. اگر انرژي جنبشي الكترون خروجي با EK و انرژي پيوند الكترون در مدار مربوط با Eb نشان داده شود رابطه ساده زير به دست مي‌آيد كه در آن hν انرژي پرتو X ابتدايي است:
Ek=hν-Eb
پرتو X ابتدايي را به طور معمول MgKα و يا AlKα انتخاب مي‌كنند كه در هر حال انرژي مشخصي دارد. آنچه در دستگاه اندازه‌گيري مي‌شود مقدار Ek است و بنابراين طبق رابطه بالا Eb را مي‌توان تعيين كرد. چون Eb براي هر اتم مقدار معيني است با تعيين آن مي‌توان نوع اتم را شناسايي كرد به عبارت ديگر با اندازه‌گيري Eb آناليز عنصري سطح نمونه انجام خواهد شد. با وجود اينكه پرتو X ابتدايي در عمق 5000 آنگسترومي نفوذ مي‌كند ولي فوتوالكترون‌هاي پديد آمده فقط از 50 آنگسترومي سطح نمونه بخت خروج از سطح را پيدا مي‌كنند. همانطور كه پيشتر اشاره شد فوتوالكترون‌هاي پديد آمده در عمق بيشتر به خاطر بر هم كنش با اتم‌هاي نمونه از بين مي‌روند و نمي‌توانند خود را به سطح برسانند در روش XPS تعيين انرژي جنبشي الكترون خروجي (Ek )اصلي‌ترين كميت مورد اندازه‌گيري است. اين اندازه‌گيري در يك دستگاه به نام طيف سنج الكتروني انجام مي‌گيرد.
اساس كار طيف سنجي الكتروني، تفكيك انرژي الكترون‌ها در يك ميدان الكتريكي است.
در شكل زیر شيوه كار و اجزاي اصلي دستگاه طيف سنج الكتروني نمايش داده شده است.
 

در روش XPS پرتو X پس از خروج از لوله پديد آورنده پرتو به كمك يك بلور پراشيده و به صورت تك موج به سطح نمونه مجهول مي‌تابد. در اثر برخورد پرتو X به اتم‌هاي نمونه الكترون مدارهاي داخلي كنده شده و به داخل طيف سنج الكتروني هدايت مي‌شوند. پرتو X به سطحي حدود يك سانتيمتر مربع بر روي نمونه برخورد كرده و با توجه به اينكه فقط برانگيختگي لايه‌هاي اتمي مورد نظر هستند مقدار نمونه لازم در حد mg1/0 خواهد بود. محل قرار گرفتن نمونه مجهول در نزديكي ورودي طيف سنج الكتروني است و الكترون‌هاي خروجي از سطح در ابتداي ورود به طيف سنج در اثر اعمال ميدان الكتريكي به درون نيم كره الكترواستاتيكي جمع مي‌شوند. هدف از اين كار جمع كرن فضايي الكترون‌هاي با انرژي گوناگون در نقاط ورودي بخش نيم كره يا تفكيك كننده انرژي است. الكترون‌هاي خروجي از نمونه و در پي آن الكترون‌هاي جمع شده در قسمت ورودي دستگاه تفكيك كننده داراي انرژي‌هاي جنبشي گوناگون بوده و بايد پيش از آنكه به آشكارساز الكتروني هدايت شوند از نظر مقدار انرژي تفكيك گردند در بخش نيم كره طيف سنج الكتروني با اعمال ميدان الكترواستاتيكي و تغيير شدت آن مي‌توان به الكترون برحسب مقدار انرژي جنبشي ابتدايي كه دارد امكان رسيدن به آشكارساز را فراهم كرد.
به عبارت ساده‌تر، الكترون‌هاي ورودي به نيم كره كه داراي انرژي‌هاي گوناگوني هستند در يك ميدان كه به صورت مثبت در سطح پاييني نيم كره و به صورت منفي در سطح بالايي آن اعمال مي‌شود امكان نجات و رسيدن به آشكارساز را بدون برخورد به ديواره نيم كره پيدا مي‌كنند.
بنابراين مقدار انرژي هر الكترون در طيف سنج الكتروني براساس شدت ميدان الكترواستاتيكي اعمال شده براي گذر از مسير نيم كره محاسبه مي‌شود. آشكارساز در انتهاي نيم كره قرار دارد و شدت يا جمعيت الكترون‌ها را تعيين مي‌كند.
با توجه به توضيحي كه در مورد طيف‌سنج الكتروني داده شد الگو يا طيفي را كه قسمت ثبت كننده دستگاه رسم مي‌كند تغيير شدت برحسب انرژي جنبشي خواهد بود كه در آن پيك‌هاي مربوط به حضور الكترون‌هايي كه انرژي ويژه دارند ديده مي‌شود. نمونه‌اي از اين طيف در مورد سطح تمیز یک قطعه ی مسی در شكل زیر مشاهده می شود.
 

در روش XPS همانطور كه اشاره شد آناليز شيميايي به كمك طيف‌سنجي الكتروني انجام مي‌گيرد و به همين دليل اين روش به نام طيف سنجي الكتروني براي آناليز شيميايي ESCA نيز شناخته شده است.

اثر جابجايي شيميايي
اثر جابجايي شيميايي نخستين بار توسط سيگبال در اوايل دهه 60 ميلادي كشف شد.
طبق اين پديده انرژي پيوند الكترون مدارهاي داخلي يك اتم بستگي به محيط شيميايي اطراف آن يا به عبارت ديگر بستگي به پيوند اتمي آن دارد. براي درك بهتر اين پديده به طيف XPS تركيب پلي متيل متا كريلات كه در شكل 4-8 نشان داده شده است توجه كنيد.

اثر جابجايي شيميايي اطلاعاتي را از محيط شيميايي اطراف اتم آشكار مي‌كند كه بسيار مفيد است. در واقع توانايي اصلي روش ESCA يا XPS بيشتر از آنكه در آناليز سطح باشد در تعيين محيط شيميايي عنصرهاي موجود در نمونه است. مقدار جابجايي شيميايي در مواد گوناگون متفاوت است و مي‌تواند از 15-5/0 الكترون ولت تغيير كند. در دستگاه XPS امكان بمباران سطح نمونه و لايه‌برداري به كمك تاباندن پرتوي از يون‌هاي يك گاز مثل آرگون وجود دارد. در اين حالت با لايه‌برداري از سطح آناليز در عمق نمونه انجام‌پذير خواهد شد و تغيير تركيب شيميايي از سطح به عمق را مي‌توان بررسي كرد. تشكيل تركيب‌هاي گوناگون بر سطح مواد به صورت يك لايه نازك به كمك روش XPS به آساني قابل بررسي مي‌باشد در حالي كه با روش‌هاي ديگر اين كار امكان‌پذير نيست.

در ادامه به صورتی مختصر پارامترهای اصلی XPS اشاره می شود.
در طیف نگاری فوتوالکترون ها بوسیله ی اشعه ی ایکس (XPS) ، اشعه ی ایکس تک انرژی و نرم نمونه ی مورد نظر را بمباران کرده و منجر می شود الکترون ها از ماده فرار کنند. تعیین عناصر حاضر در نمونه مستقیما از انرژی های سینتیک این فوتوالکترون های به خارج پریده ، امکان پذیر است. در مقیاسی کوچک تر همچنین می توان حالت شیمیایی عناصر حاضر را از انحرافات مختصر در انرژی های سینتیکی تعیین شده ، مشخص کرد. غلظت های نسبی عناصر از روی شدت های فوتوالکترون های جذب شده مشخص می گردد. برای یک جامد ، و بسته به ماده ، انرژی فوتوالکترون و زاویه ی اندازه گیری(نسبت به سطح) ، XPS از 2 تا 20 لایه ی اتمی را به عمق رفته و پویش می کند. توانایی های ویژه ی XPS در آنالیزهای عنصری نیمه کمی روی سطح بدون استانداردها و آنالیز حالت های شیمیایی ، برای مواد مختلف از مواد بیولوژیکی تا متالورژیکی ، بیان می شود. XPS همچنین تحت عنوان طیف نگاری الکترونی برای آنالیز های شیمیایی (ESCA) نیز شناخته می شود.
محدوده ی عناصری که آنالیز می شوند : تمام عناصر بجز هیدروژن و هلیم
مخرب بودن آزمون : خیر ، بعضی تابش ها مواد حساس به اشعه ی ایکس را تخریب می کنند
آنالیز عنصری : بله ، نیمه کمی بدون استاندارد ها – کمی با استاندارد ها – روشی برای آنالیز عناصر جزئی در نمونه نیست
اطلاعات راجع به حالت شیمیایی : بله
عمقی که آنالیز می شود : 5 تا 50 آنگستروم
پروفایل برداری از عمق نمونه : بله ، تا 50 آنگستروم ، عمق های بیشتر نیاز به فرآیند پروفایل برداری کندوپاشی دارد
قدرت تفکیک عمقی : از چند تا چندین ده آنگستروم ، بسته به شرایط
قدرت تفکیک عرضی : 5 میلی متر تا 75 میکرومتر ، کمتر از 5 میکرومتر در بعضی دستگاه ها
لازمه های نمونه : تمام مواد سازگار با خلا ، نمونه های تخت بهترین هستند ، اندازه بسته به دستگاه مورد استفاده مشخص می شود
استفاده های اصلی : تعیین عناصر و حالات شیمیایی ترکیبات در بالای 30 آنگسترومی نمونه