اصول و مفاهیم طیف سنج فوتوالکترون پرتو ایکس
اصول و مفاهیم طیف سنج فوتوالکترون پرتو ایکس
طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، روشی به منظور 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 الکترون های گسیل شده بر اثر یونیزاسیون یک ماده با فوتون تکفام پرتو ایکس مورد اندازه گیری قرار می گیرد، طیف فوتوالکترون های آن ماده، بر مبنای تعداد الکترون های گسیلی برحسب انرژی ترسیم می شود. انرژی فوتوالکترون های هر نمونه آزمون، مشخصه ی اتم های تشکیل دهنده ی آن است، بنابراین اندازه گیری انرژی جنبشی این فوتوالکترون ها 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 اندازه گیری میزان غلظت نسبی آن عنصر با توجه به شدت فوتوالکترون های مربوطه امکان پذیر است. از این روش در طیف وسیعی از صنایع چون هوافضا، الکترونیک، ارتباطات و حمل و نقل و غیره میتوان بهره برد.
امروزه روش های آنالیز و شناسایی مواد، بسیار حائز اهمیت است. خواص فیزیکی و شیمیایی یک محصول به نوع مواد اولیه و ریزساختار آن بستگی دارد. بنابراین، به منظور شناسایی ویژگی های یک ماده برای انجام پژوهش و نیز کنترل کیفیت محصولات صنعتی، نیاز به روش ها و تجهیزات شناسایی است. روش های آنالیز را می توان به سه دسته ی کلی تقسیم بندی نمود:
– آنالیز عنصری: در این روش تنها نوع عنصر و یا مقدار آن مشخص شده ولی ساختار بلوری عنصر یا ماده تعیین نمیشود. نام دیگر این روش آنالیز شیمیایی است.
– آنالیز فازی: در این نوع آنالیز، ساختار بلوری یا کانی های موجود در ماده مشخص می شود.
– آنالیز ریزساختاری: در این روش شکل، اندازه و توزیع فازها مورد بررسی قرار می گیرد. این ویژگی ها اثر مهمی بر خواص نهایی ماده دارند.
علاوه بر سه دسته ی فوق، دو روش دیگر، آنالیز سطح و آنالیز حرارتی نیز وجود دارند که به علت اهمیت کاربردی به صورت جداگانه و مستقل بررسی می شوند. یکی از آنالیزهایی که براساس برهم کنش بین پرتوی ایکس و نمونه شکل گرفته است، آنالیز طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس است. XPS یک آنالیز قدرتمند برای ارزیابی سطح نمونه به شمار می رود که اولین بار در سال 1887 توسط هاینریش رودولف هرتز بر مبنای اثر فوتوالکتریک بنا شد.
در سال 1905 ،آلبرت اینشتین اثر فوتوالکتریک را با توصیف ساده ی ریاضی توضیح داد که منجر به جایزه ی نوبل در فیزیک شد. روش XPS بر طبق نظر انیشتین در مورد اثر فوتوالکتریک توسعه پیدا کرد که در آن از مفهوم فوتون برای توصیف خروج الکترون از سطح در اثر تابش بهره برد و در سال 1907، اینز اولین طیف XPS را رسم کرد. در اواسط دهه ی 1960 پروفسور سیگبان و گروه تحقیقاتی اش طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس را با عنوان روش XPS، به عنوان روش تحلیلی شناخته شده، توسعه دادند؛ او اصطالح طیف سنجی الکترونی را برای تجزیه و تحلیل شیمیایی ابداع کرد و در سال 1981، جایزهی نوبل در فیزیک به پروفسور سیگبان برای توسعه ی روش XPS اهدا شد.
آنالیز XPS، در حقیقت یک روش شیمیایی کمی و کیفی است که در آن سطح نمونه ی جامد و قسمتی از عمق نمونه تحت تاثیر بمباران یونی قرار گرفته و نوع و ترکیب شیمیایی عناصر موجود در سطح نمونه قابل استخراج است. همچنین شناسایی حالت شیمیایی گونه های سطحی (از جمله حالت اکسایش عنصر) نیز از قابلیت های این آنالیز است.
این دستگاه در مراکز تحقیقاتی و واحدهای آزمایشگاهی صنایع مورد استفاده قرار می گیرد.