โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์ (ESCA)
ส่องโลกไมโคร
X-ray Photoelectron Spectroscopy (ต่อจากนี้ไป: XPS) ถูกใช้เป็นวิธีวิเคราะห์ที่มีความอเนกประสงค์สูงในการวิจัยและพัฒนาวัสดุ และสำหรับการควบคุมคุณภาพ โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์ถูกนำมาใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่มหาวิทยาลัยไปจนถึงโรงงาน โดยเป็นเครื่องมือวิจัยที่ใช้งานง่าย ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์ตามกิจวัตรได้
ประวัติและหลักการ
รูปที่ 1 หลักการสร้างโฟโตอิเล็กตรอน
รูปที่ 2 ความลึกของการหลบหนีของโฟโตอิเล็กตรอน
เฮิรตซ์ค้นพบในปี พ.ศ. 1887 ว่าเมื่อวัสดุถูกฉายรังสีด้วยแสง อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาจากวัสดุ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ และอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมานั้นเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนเหล่านี้ถูกกระตุ้นด้วยแสง ไอน์สไตน์ได้พัฒนาสมมติฐานของควอนตาแสงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้ ต่อมา กลศาสตร์ควอนตัมต้องวิวัฒนาการจากสมมติฐานควอนตัมแสงนี้
ในปี 1950 ซิกบาห์นในสวีเดนประสบความสำเร็จในการทำ energy spectroscopy ของ photoelectrons ที่ปล่อยออกมาจากวัสดุ นับเป็นการเริ่มต้นของ energy spectroscopy เป็นวิธีที่มีประโยชน์สำหรับการวิเคราะห์พื้นผิวและการวิเคราะห์สถานะพันธะเคมี
ปัจจุบันเป็นเครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิวที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การวิจัยในด้านต่างๆ เช่น โลหะ เซมิคอนดักเตอร์ สารประกอบโพลีเมอร์ และวัสดุที่มีเทคโนโลยีชั้นสูง ไปจนถึงการควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์
การสังเกตสถานะพันธะของอะตอมและโมเลกุล
XPS เป็นวิธีการสังเกตโลกที่เล็กกว่าที่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน คุณอาจสงสัยว่า “เป็นไปได้อย่างไร? เราจะเห็นสิ่งที่เล็กกว่าอะตอมหรือโมเลกุลได้อย่างไร” แน่นอนว่าไม่เหมือนการดูภาพ อย่างไรก็ตาม โดยการวัดความเร็วของอิเล็กตรอนที่มาจากภายในวัสดุเมื่อมีการฉายรังสีเอกซ์บนวัสดุ (เรียกว่า photoelectrons เนื่องจากถูกปล่อยออกมาเมื่อวัสดุสัมผัสกับแสง) จึงสามารถสังเกตโลกเล็ก ๆ ภายในอะตอมได้ หรือโมเลกุล
การวัดความเร็วของโฟโตอิเล็กตรอนเหล่านี้เรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปี และการกำหนดสถานะพันธะของอะตอมและโมเลกุลโดยการวิเคราะห์สเปกตรัมที่ได้รับนั้นเรียกว่าการวิเคราะห์สถานะทางเคมี
เนื่องจากสามารถรับข้อมูลการวิเคราะห์สถานะทางเคมีได้ โดยทั่วไปเรียกว่า ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)
ในแง่หนึ่ง คุณอาจคิดว่าโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปีเป็นฮาร์ดแวร์ ในขณะที่การวิเคราะห์สถานะคือซอฟต์แวร์
การวิเคราะห์สถานะทางเคมี
เดาคู่เดทจากเสื้อผ้า
อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอน แผนภาพของอิเล็กตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเหมือนดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดวงอาทิตย์ (รูปที่ 3(a)) มักพบเห็นได้บ่อย แต่ในความเป็นจริง อิเล็กตรอนล้อมรอบนิวเคลียสเหมือนเมฆ แทนที่จะหมุนเป็นวงโคจร (รูปที่ 3(b)) ดังนั้น โปรดจินตนาการว่าอะตอมมีอิเล็กตรอนปกคลุมอยู่
รูปที่ 3 แบบจำลองของอะตอมไฮโดรเจน
ทีนี้ลองนึกถึงชีวิตประจำวันของเรา เมื่อคุณไปทำงานคุณอาจสวมชุดทำงาน ในการไปพบลูกค้า พนักงานขายสวมสูท แต่ในวันหยุด เขา/เธออาจออกไปโดยสวมเสื้อยืด เราสวมเสื้อผ้าที่เหมาะสมกับสถานการณ์และสถานการณ์ แท้ที่จริงแล้ว อะตอมก็มีพฤติกรรมที่คล้ายคลึงกัน อะตอมพันธะ (วันที่) กับอะตอมอื่นเพื่อสร้างโมเลกุล อะตอมจะเปลี่ยนรูปอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดเพื่อสร้างพันธะทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคู่เดท พูดอีกอย่างหนึ่งคือถ้าคู่เดทเปลี่ยน เสื้อผ้าก็เปลี่ยนด้วย
แม้ว่าจะไม่ยากที่จะแยกแยะเสื้อผ้าที่เราสวมใส่ แต่ความแตกต่างในเมฆอิเล็กตรอนนั้นไม่สามารถมองเห็นได้ชัดเจน จำเป็นต้องลอกอิเล็กตรอนออกเท่านั้น เราต้องถอดเสื้อผ้าออกด้วยแรง วิธีการถอดเสื้อผ้าโดยไม่ทำให้เสียหายคือวิธีที่เรียกว่าการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอน ความแตกต่างในรูปแบบเมฆอิเล็กตรอนสามารถสังเกตได้จากความแตกต่างของความเร็วของอิเล็กตรอนที่พุ่งออกจากอะตอมโดยการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอน นี่เรียกว่าสเปกตรัมโฟโตอิเล็กตรอน (รูปที่ 4)
รูปที่ 4 สเปกตรัมการปล่อยแสงจากอะตอมของคาร์บอนพอลิเอทิลีนเทเรพทาเลต
XPS เพื่อวัดความเร็วของอิเล็กตรอน
รูปที่ 5 แผนภาพโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรสโคปี
ฟังก์ชันทั้งหมดของโฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์ (รูปที่ 5) อยู่ในภาชนะสูญญากาศสูงพิเศษ และระบบประกอบด้วยเครื่องกำเนิดรังสีเอกซ์ (X-ray tube) เพื่อปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์เพื่อวัดความเร็วของอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์ประกอบด้วยชุดเลนส์ไฟฟ้าสถิตและเครื่องวิเคราะห์เซกเตอร์ครึ่งซีก เช่นเดียวกับเครื่องตรวจจับ อย่างแรก เลนส์ไฟฟ้าสถิตจะชะลอความเร็วของอิเล็กตรอนเพื่อปรับปรุงความละเอียด ถัดไป เครื่องวิเคราะห์จะเลือกอิเล็กตรอนที่ความเร็วที่แน่นอนเท่านั้น
อิเล็กตรอนที่เลือกจะถูกส่งไปยังเครื่องตรวจจับและนับจำนวนอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมา จำนวนอิเล็กตรอนที่ตรวจพบจะสัมพันธ์กับจำนวนอะตอมที่ประกอบเป็นวัสดุหรือสสาร เพื่อป้องกันไม่ให้พื้นผิววัสดุปนเปื้อนและป้องกันการรบกวนกับการปล่อยอิเล็กตรอนจากชิ้นงานทดสอบ โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์จะถูกเก็บไว้ในสุญญากาศสูงพิเศษ
โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมที่ได้รับด้วยวิธีนี้ สามารถกำหนดสถานะพันธะของอะตอมได้
ลักษณะ
(1) เป็นเครื่องมือวิเคราะห์พื้นผิวเพื่อวิเคราะห์ความลึกหลายนาโนเมตรใต้พื้นผิวชิ้นงานทดสอบ
(2) สามารถให้การวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณจาก Li ถึง U การวิเคราะห์สถานะพันธะเคมี ตลอดจนการวัดภาพโฟโตอิเล็กตรอน
ตัวอย่างการใช้งาน Photoelectron Image
ภาพโฟโตอิเล็กตรอนของโครงสร้างหลายชั้นใน DVD-RW
แผ่น DVD-RW ที่มีจำหน่ายทั่วไปโดยทั่วไปมีโครงสร้างเหมือนกับที่แสดงในรูปด้านขวา เมื่อพื้นผิวของแผ่น DVD ถูกลอกออก เลเยอร์การบันทึกและชั้นอิเล็กทริกจะถูกเปิดเผย จากการรับภาพโฟโตอิเล็กตรอนในขณะที่เปิดเลเยอร์ 3 แบบ ได้ข้อมูลที่แสดงในรูปต่อไปนี้
ภาพโฟโตอิเล็กตรอน Sb
ภาพโฟโตอิเล็กตรอน C
ภาพโฟโตอิเล็กตรอน Zn
การซ้อนทับ Sb, C, Zn
(3) สำหรับวัสดุที่สามารถตรวจสอบได้ การวิเคราะห์เป็นไปได้แม้กระทั่งวัสดุฉนวนและวัสดุนำไฟฟ้า เช่น ฟิล์มโพลีเมอร์ เซมิคอนดักเตอร์ เซรามิก และโลหะ
(4) โดยใช้ลำไอออนของก๊าซเฉื่อยเช่น Ar ion การวิเคราะห์การกระจายองค์ประกอบจากพื้นผิวไปยังภายในของวัสดุ (การวิเคราะห์โปรไฟล์เชิงลึก) เป็นไปได้
ตัวอย่างการใช้งานของตัวอย่างการวิเคราะห์โปรไฟล์ความลึก: (SiO2/TiO2) ฟิล์ม/แก้วหลายชั้น
（สเปกตรัมโฟโตอิเล็กตรอนในทิศทางความลึก）
（โปรไฟล์องค์ประกอบในทิศทางความลึก）
(5) เป็นวิธีการเพื่อให้ได้องค์ประกอบและสถานะพันธะเคมีเปลี่ยนจากพื้นผิวด้านบนเป็นหลายนาโนเมตรใต้พื้นผิว มีวิธีเอียงของชิ้นงานทดสอบ (Angle แก้ไข XPS, ARXPS) วิธีการนี้เป็นลักษณะเฉพาะของ XPS และสามารถใช้วัดองค์ประกอบและการเปลี่ยนแปลงสถานะพันธะเคมีของพื้นผิวที่ลำดับนาโนได้
(6) ขีด จำกัด การตรวจจับอยู่ที่ประมาณ 0.1 Atomic% หรือมากกว่านั้นโดยเฉลี่ย
ความจำเป็นสำหรับการปฏิรูปทางเทคนิค
แอปพลิเคชันของ XPS สามารถจำแนกได้เป็น 3 ประเภท
ประการแรกคือการใช้งานทางวิชาการ ใช้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่การวิจัยพื้นผิว การวิจัยโครงสร้างอิเล็กตรอนในอะตอม เช่น โครงสร้างแถบของเซมิคอนดักเตอร์ ไปจนถึงการวิจัยสารเคมีเกลือที่ซับซ้อน และแม้กระทั่งเพื่อศึกษาการป้องกันฟันผุ
ประการที่สอง ใช้สำหรับการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่และปรับปรุงเทคโนโลยีการผลิต ใช้ไม่เพียงในอุตสาหกรรมโลหะและเซมิคอนดักเตอร์ แต่ยังใช้ในการวิเคราะห์อนุภาคและวัสดุฉนวน เช่น สำหรับอุตสาหกรรมตัวเร่งปฏิกิริยาและแก้ว และสำหรับวัสดุอินทรีย์ เช่น ฟิล์มโพลีเมอร์ เป็นต้น
ประการที่สาม ใช้สำหรับควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์ของการผลิตจำนวนมากในโรงงาน เช่น การควบคุมกระบวนการผลิตสำหรับความหนาของฟิล์มน้ำมันหล่อลื่นแบบฮาร์ดดิสก์ การปนเปื้อนที่พื้นผิวของสารกึ่งตัวนำ เป็นต้น รวมถึงการวิเคราะห์ความล้มเหลว เช่น การวิเคราะห์สาเหตุของการกัดกร่อน การเปลี่ยนสี , การเกิดออกซิเดชัน และอื่นๆ
โฟโตอิเล็กตรอนสเปกโตรมิเตอร์มีบทบาทอย่างแข็งขันในฐานะเครื่องมือในอุดมคติเพื่อตอบสนองความต้องการในด้านต่างๆ เมื่อติดตั้งฟังก์ชันเพิ่มเติมมากมาย