آنالیز XPS

آنالیز XPS

آنالیز XPS طیف سنجی فوتوالکترونی پرتو ایکس

آنالیز طیف سنجی فتوالکتریکی پرتو ایکس یا همان آنالیز XPS یک آنالیز دقیق برای اندازه گیری و تعیین ترکیب شیمیایی و تعیین نوع پیوند در سطح بکار می‌رود. در آنالیز XPS نمونه در یک محفظه با خلاء بسیار بالا قرار می‌گیرد و به سطح آن پرتوهای تک انرژی اشعه ایکس تابیده می‌شود. بر اثر برخورد اشعه ایکس به نمونه، الکترون‌هایی با جذب انرژی اشعه ایکس از مدارهای مختلف انرژی اتم ها خارج می شوند. این الکترون های خارج شده فوتوالکترون پرتو ایکس نامیده می شوند.

در آنالیز XPS بیشتر الکترون‌های خروجی از لایه‌های بیرونی مورد توجه هستند. انرژی جنبشی الکترون های خروجی برابر است با انرژی اشعه ایکس (که وابسته به طول موج آن است) منهای انرژی‌ای که لازم است تا الکترون دریافت کند تا از مدار اتم خارج شود. انرژی که الکترون باید دریافت کند تا از اتم خارج شود را تابع کار می‌نامند. این مقدار برای هر عنصر در هر لایه و تراز انرژی مقداری متفاوت و مشخص است. از این رو الکترون‌های خارج شده از سطح نمونه در آنالیز XPS وارد یک آشکارساز بسیار حساس می‌شوند. این آشکار ساز می‌تواند تعداد و انرژی الکترون‌های ورودی را اندازه گیری کند. با مشخص بودن انرژی اشعه ایکس ورودی، می‌توان مشخص کرد که هر انرژی از الکترون مربوط به چه عنصری است و بر اساس تعداد الکترون‌های خروجی با انرژی‌های مربوط به هر عنصر می‌توان مقدار آن عنصر را در نمونه اندازه‌گیری کرد.

یکی از ویژگی‌های مهم آنالیز XPS نسبت به دیگر روش‌های تعیین عناصر، عمق نفوذ آن است. عمقی که فوتوالکترون‌ها می‌توانند از نمونه خارج شوند در حدود ۱۰ نانومتر است، از این رو بررسی عنصری فقط مربوط به لایه بسیار نازکی (تقریبا ۲۰ لایه اتمی) از سطح است. از این رو، آنالیز XPS برای بررسی پوشش‌هایی با ضخامت کمتر از ۱۰۰ نانومتر بسیار کاربردی است ولی باید توجه داشت که این عمق نفوذ کم موجب می‌شود تا آنالیز XPS حساسیت زیادی به آلودگی‌های سطحی داشته باشد.

یکی از ویژکی‌های مهم آنالیز XPS، توانایی این آنالیز برای مشخص کردن نوع پیوندهای یک عنصر است. به طور مثال اگر در نمونه‌ای کربن وجود داشته باشد اتم کربن می‌تواند با سایر اتم‌های کربن با پیوندهای یگانه، دوگانه و یا سه گانه متصل شود و بر این اساس اتم کربن می‌تواند اوربیتال مولکولی با ساختار sp2، sp یا sp3 داشته باشد و اگر عنصر دیگری در محیط باشد مانند اکسیژن و یا نیتروژن مهم است اتم کربن با چه نوع پیوندی به آن متصل است. یا مثلا در ساختارهای اکسید فلزی، اکسید آهن می‌تواند با ظرفیت ۲ و ۳ با اکسیژن ترکیب شود.

در این حالت‌ها با استفاده از آنالیز XPS می‌توان مشخص کرد که چه مقدار از آهن یا کربن (یا هر عنصر دیگری) در نمونه وجود دارد و با چه عناصر دیگری در نمونه واکنش داده و نوع پیوند چیست. البته برای بدست آوردن این اطلاعات لازم است تحلیل‌گر انسانی با استفاده از نرم افزارهای خاصی به بررسی خروجی‌های دستگاه XPS بپردازد.

کاربردهای آنالیز XPS

• تشخیص ترکیب شیمیایی سطح
• شناسایی کلیه عناصر به جزء هیدروژن و هلیوم
• تعیین حالت شیمیایی گونه های سطح
• قابل استفاده برای انواع نمونه های جامد (عایق، رسانا و نیم رسانا)
• شناسایی نوع کربن سطح به عنوان گرافیت یا کاربید
• آنالیز غیرمخرب برای نمونه های حساس به پرتو الکترونی
• تشخیص حالت های اکسیداسیون اتم های فلزی در سطح
• بررسی ترکیب شیمیایی لایه‌های نازک
• بررسی آلودگی سطحی

شرایط نمونه برای آزمون XPS

برای آزمون XPS لازم است نمونه های جامد بزرگ‌تر از ۵ در ۵ میلیمتر و کوچک‌تر از ۱۵ در ۱۵ میلیمتر باشند و ضخامت نمونه‌ها کمتر از ۵ میلیمتر باشد. در آنالیز XPS در صورتی که نمونه از روی نگهدارنده جدا شود، امکان خارج کردن نمونه از داخل دستگاه وجود ندارد، به همین دلیل متقاضی باید توجه داشته باشد که درصورت سقوط نمونه درون محفظه دستگاه XPS امکان عودت نمونه وجود ندارد. برای بررسی نمونه‌های کلوئیدی، چندین بار نمونه روی یک لام چکانده می‌شود تا فاز مایع بخار شود و دوباره چند قطره از محلول کلوئیدی به لام اضافه می‌شود تا یک لایه قابل مشاهده روی لام ایجاد شود و سپس از این لایه آنالیز XPS گرفته می‌شود.