Máy phân tích XPS (XPS analyzer) và ứng dụng của máy phân tích XPS

Máy phân tích XPS (XPS analyzer) là một thiết bị phân tích hóa học bề mặt tiên tiến, sử dụng kỹ thuật Quang phổ Quang điện tử Tia X (X-ray Photoelectron Spectroscopy - XPS), còn được gọi là ESCA (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis).

Thiết bị này được sử dụng để xác định các đặc tính sau của vật liệu rắn:

• Thành phần nguyên tố: Xác định các nguyên tố có mặt trên bề mặt mẫu (trừ Hydrogen và Helium).

• Trạng thái hóa học: Cung cấp thông tin về trạng thái oxi hóa và các liên kết hóa học của các nguyên tố.

• Thành phần thực nghiệm: Cho phép định lượng các nguyên tố có mặt.

• Trạng thái điện tử của các nguyên tố trong vật liệu.

Nguyên lý hoạt động cơ bản

Máy phân tích XPS hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện:

1. Chiếu xạ tia X: Mẫu được đặt trong môi trường chân không siêu cao và được chiếu xạ bằng tia X (thường là tia X đơn sắc $ ext{Al } Kalpha$).

2. Phát xạ quang điện tử: Khi các photon tia X va chạm vào bề mặt mẫu, chúng truyền năng lượng cho các electron bên trong nguyên tử, khiến các electron này bị bật ra khỏi mẫu (gọi là quang điện tử).

3. Đo năng lượng: Máy phân tích sẽ đo động năng ($E_k$) của các quang điện tử phát ra.

4. Tính toán năng lượng liên kết: Dựa vào năng lượng của tia X (hν) và động năng đo được (Ek​), năng lượng liên kết (Eb​) của electron có thể được tính toán theo công thức:

   $$E_b = h u - E_k - phi$$

   (Trong đó, ϕ là hàm công thoát của máy phân tích).

• Mỗi nguyên tố và trạng thái hóa học của nó sẽ có một giá trị năng lượng liên kết đặc trưng, cho phép nhận dạng nguyên tố và trạng thái liên kết trên bề mặt mẫu.

• Kỹ thuật này rất nhạy với bề mặt, thường chỉ phân tích độ sâu từ vài nanomet ($ ext{<5 nm}$) tính từ bề mặt.

Ứng dụng chính

XPS là một công cụ tiêu chuẩn trong nghiên cứu và công nghiệp, đặc biệt trong Khoa học Vật liệu, Hóa học, Điện tử, và Công nghệ Nano, với các ứng dụng như:

• Phân tích bề mặt và màng mỏng (ví dụ: lớp phủ chống dính, thiết bị điện tử màng mỏng).

• Đặc tính hóa học bề mặt sau các quá trình xử lý (làm sạch, lắng đọng, v.v.).

• Nghiên cứu xúc tác, pin, và vật liệu sinh học.

• Phân tích cấu hình độ sâu (depth profiling) để xem sự thay đổi thành phần hóa học theo độ sâu.