موضوع مقاله: طیف‌شناسی فوتوالکترونی پرتو ایکس | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # طیف‌شناسی فوتوالکترونی پرتو ایکس | مقدمه: از آنجا که انرژی پرتو ایکس تابانده شده مشخص است، می‌توان انرژی الکترون گسیل‌شده را به وسیلهٔ قانون کار رادرفورد بدست آورد: که انرژی پیوند الکترون، انرژی پرتو ایکس تابانده شده، انرژی جنبشی الکترون (بوسیله دستگاه ویژه‌ای اندازه‌گیری می‌شود) و تابع کار طیف‌سنج (و نه ماده) است. | ## بخش 1: طیف‌شناسی فوتوالکترونی پرتو ایکس | XPS نوعی از طیف‌سنجی می‌باشد که جهت وقوع این پدیده، پرتو اشعه ایکس، X، را بر نمومه آزمایش تابانده، و انرژی فوتوالکترون‌های منتجه را اندازه می‌گیرد. انرژی پرتو ایکس تابیده شده به ماده، صرف غلبه بر انرژی پیوند با رساندن آن به تراز فرمی BE، سپس غلبه بر تابع کار Φ و نهایتاً انرژی جنبشی لازم KE به سرعتی که الکترون کسب کرده‌است، خواهد شد. به‌طور ساده: hʋ = KE + BE + Φ در نتیجه اگر بتوانیم انرژی جنبشی فوتوالکترون‌های منتجه بر اثر تابش اشعه ایکس را محاسبه کنیم، چون داده‌های لازم در مورد انرژی اشعه ایکس و تابع کار را از ابتدا می‌دانیم (تابع کار برای نمونه‌های رسانا به دلیل همراستا شدن سطوح فرمی نمونه و طیف‌سنج، تنها برابر با تابع کار طیف‌سنج می‌باشد؛ ولی برای نمونه‌های غیر رسانا، به علت تجمع الکترون‌ها در سمت طیف‌سنج و بالا رفتن سطح فرمی طیف‌سنج، تغییری خواهد کرد. برای رفع این مشکل، از ماکزیمم مشخصه الکترون‌های لایه 1s کربن، C1s، جهت کالیبره نموده دیتاها استفاده می‌شود. در نتیجه در مورد نیمه‌های نارسانا یا نیمه رسانا، پس از جمع‌آوری دیتا، طیف را به اندازه‌ای شیفت می‌دهند که ماکزیم مشخصه C1s برابر با 285eV شود و بدین طریق اختلاف سطوح فرمی طیف‌سنج و نمونه به دلیل تجمع الکترون‌ها در سمت طیف‌سنج را از بین می‌برند)، به راحتی می‌توانیم، انرژی پیوندی آن الکترون را محاسبه کنیم و بر این اساس مشخص نماییم که جایگاه اولیه الکترون ردیابی شده، کجا بوده‌است. هر عنصری در این نمودار، چند ماکزیمم منحصر به فرد به خود را دارد، که مشخصه آن عنصر می‌باشد. | ## بخش 2: طیف‌شناسی فوتوالکترونی پرتو ایکس | وجود ماکزیمم متعلق به هر عنصر در طیف بدست آمده از آنالیز یک ماده، گویای وجود آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش می‌باشد. ماکزیمم‌های مشخصه هر عنصر، با نحوه آرایش الکترون‌ها در اتم آن عنصر، مرتبط می‌باشد و می‌توان اطلاعاتی از موضع الکترون‌های ردیابی شده در لایه‌های الکترونی (به‌طور مثال … 1s,2s,2p,3s,3p,4s,3d) بدست آورد. هر چه میزان انرژی جنبشی اندازه‌گیری شده یک الکترون بیشتر باشد، گویا این واقعیت خواهد بود که انرژی پیوند آن کمتر بوده، لذا به لایه‌های اربیتالی بیرونی تر تعلق داشته‌است؛ بنابراین، الکترون‌های لایه‌های داخلی، با انرژی جنبشی کمتری ردیابی خواهند شد و ماکزیمم مشخصه آن‌ها در نمودار طیف‌سنجی، در سمت انرژی‌های بالای انرژی پیوندی خواهند بود. تعداد الکترون‌های ردیابی شده در هر ماکزیمم مشخصه یک عنصر، با میزان آن عنصر در سطح ماده مورد آزمایش در ارتباط مستقیم است. برای بدست آوردن مقادیر درصدی، هر سیگنال خام XPS باید با تقسیم تعداد الکترون‌های شدت سیگنال (تعداد الکترون‌های ردیابی شده) بر فاکتور حساسیست نسبی RSF'' و نرمال نمودن مقادیر با توجه به تمامی عناصر ردیابی شده صورت گیرد. کاربردهای عمومی 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 شناسایی ناخالصی‌های روی سطح پروفایل‌های ترکیبی توزیع عنصری در فیلم‌های (لایه‌های) نازک آنالیز ترکیب نمونه‌ها، هنگامی که باید از تأثیرات مخرب تکنیکهای اشعه الکترونی، پرهیز شود. | ## بخش 3: طیف‌شناسی فوتوالکترونی پرتو ایکس | نمونه کاربردها تعیین حالتهای اکسیداسیون اتمهای فلزی در لایه‌های سطحی اکسیدفلزی شناسایی کربن سطحی به صورت گرافیتی یا کربایدی داده‌ها محور عمودی نمودار طیف این روش شمار الکترونهای شناسایی شده (گاهی شمار الکترون بر یکای زمان) و محور افقی انرژی پیوند این الکترون‌ها است. هر عنصر باشنده روی سطح در نمودار قله‌های (پیک) ویژه‌ای در نمودار پدیدار می‌کند که نشانگر پیکربندی الکترونی آن عنصر است (1s, 2s, 2p, 3sو …). نمونه‌ها شکل – جامدات (فلزات، شیشه‌ها، نیمه هادی‌ها، سرامیکهای با فشار بخار کم) اندازه: تهیه: باید بدون اثر انگشت، چربی یا آلوده کننده‌های سطحی دیگر باشد. محدودیت مجموعه اطلاعات به آرامی با تکنیکهای دیگر آنالیز سطحی مقایسه می‌شود ولی زمان آنالیز را می‌توان هنگامی که رزولیشن بالا یا شناسایی حالت شیمیایی، مورد نیاز نباشد، کاهش داد. تفکیک جانبی ضعیف حساسیت سطحی قابل مقایسه با تکنیکهای آنالیز سطحی دیگر تأثیرات شارژ، ممکن است با نمونه‌های عایق، مشکل باشد. تطابق نمونه با محیطuhv زمان تخمینی آنالیز نیاز به پمپ خلاء در طول شب پیش از آنالیز دارد. | ## جمع‌بندی | آنالیز کمی، نیاز به ۱ ساعت تا چندین ساعت، زمان دارد که بستگی به اطلاعات مورد نیاز دارد.