Tiểu luận về các phơng pháp phân tích nguyên tố hoá học: Câu1: Các phơng pháp phổ biến nhất trong trong phân tích các nguyên tố hoá học bằng kỹ thuật dùng chùm điện tử bắn phá mẫu: I Kỹ thuật aes: 1. Gii thiu lch s ra i : Quang ph in t Auger (AES) l mt k thut phõn tớch cỏc b mt vt liu. Da trờn phõn tớch ca cỏc in t nng lng phỏt ra t mt nguyờn t b kớch thớch. Hiu qu ca Auger c phỏt hin ra mt cỏch c lp ca c hai nh khoa hc Lise Meitner v Pierre Auger trong thp niờn 1920. Mc dự phỏt hin ny ó c thc hin bi Meitner v bc u c bỏo cỏo trong cỏc tp chớ Zeitschrift fỹr Physik nm 1922, Auger c cho l cú s phỏt hin hu ht cỏc cng ng khoa hc. T nm 1953, AES ó tr thnh mt k thut c quan trng v n gin cho vic thm dũ cht húa hc v mụi trng b mt sỏng tỏc v c ng dựng trong ngnh luyn kim, trong c ngnh cụng nghip vi in t., bit l cụng ngh nano. 2. Cơ sở vật lý, nguyên lý của ph ơng pháp: - Auger là phơng pháp sử dụng chùm điện tử có năng lợng cỡ 1 đến 10KeV kích thích bề mặt mẫu để phát điện tử Auger. - Tất cả các nguyên tố có Z 3 (Li) đều có thể có phát xạ Auger-e, vì bức xạ phát ra có thể kích thích các điện tử lớp ngoài. - Ghi và đo phân bố năng lợng của các Auger-e phát ra từ mẫu. - Phân tích các Auger-e theo năng lợng sẽ xác định đợc nguyên tố hoá học và trạng thái hoá học. - Quá trình xãy ra nh sau: Khi kích thích nguyên tử bằng e có năng lợng đủ lớn ( 1 10KeV) xãy ra các quá trình sau : Quá trình 1 : Điện tử kích thích ion hoá lớp vỏ bên trong của nguyên tử bật ra một điện tử thứ để lại một chỗ trống. Quá trình 2 : Lỗ trống đợc lấp đầy bằng một điện tử ở lớp vỏ bên ngoài (trên hình đợc biểu diễn bằng mũi tên từ (3) đến (2) ). Quá trình lấp chỗ trống (2) giải phóng năng lợng dới dạng bức xạ điện tử có năng lợng 23 EEh = Quá trình 3 : Tuy nhiên không phải điện tử nào nhảy từ lớp ngoài vào đều phát ra tia X, mà nếu bức xạ này tơng tác với điện tử thứ ba (điện tử ở lớp ngoài) truyền năng lợng cho điện tử ( trên hình mũi tên từ (2) đến (4a) ), nếu năng lợng này lớn hơn công thoát của điện tử bị kích thích thì điện tử này bị bứt ra ngoài ( trên hình mũi tên tợng trơng từ (4a) đến (4b) ), đây chính là điện tử Auger. Nói chung việc phân ra các quá trình chỉ là tợng trng, trong thực thế các quá trình đó diễn ra gần nh đồng thời. Hình 2 là mô hình sơ đồ năng lợng trong quát trình phát điện tử Auger. Năng lợng của cả tia X bức xạ và Auger-e đều đợc xác định bằng các mức l- ợng của nguyên tử. - Sự phát xạ photon tia X và phát xạ Auger là các quá cạnh tranh nhau. Nhng đối với lớp vỏ không sâu thì Auger vẫn có nhiều khả năng hơn. - Động năng của điện tử Auger đợc xác định bởi : SRerLLKk ELLEEEELKLE = )()( 231int231231ln er E int : Năng lợng tơng tác giữa các lỗ trống trong lớp vỏ 1 L và 23 L . R E : tổng cộng các năng lợng phục hồi của nguyên tử. K E : Động năng của điện tử kích thích. 1L E , 23L E tơng ứng là năng lợng liên kết điện tử của các lớp L 1 , L 23 : là công thoát. Hình 1 (1) (3) (2) Điện tử kích tích (4a) Tia X (1) (3) (2) (4b) Điện tử kích tích Điện tử Auger (4a) Trên hình 2 chỉ mô hình hóa sự tạo thành phổ điện tử AES ở lớp L do sự tương tác của năng lượng khi điện tử chuyển từ L xuống K. Tuy nhiên trong thực tế điển tử Auger có thể sinh ra ở bắt kỳ lớp nào trong mô hình nguyên tử khi năng lưởng kích lớn hơn công thoát. Các mức khác nhau sẽ có công thoát khác nhau, các nguyên tử khác nhau sẽ có công thoát ở cùng một mực là khác nhau, ví dụ trên hình là nguyên tử Al, năng lương ở lớp K là 1556eV, ở lớp L 1 là 122eV, lớp M 1 là 15eV. Các thông tin này sẽ giúp ta biết được thành cấu tạo ủa mẫu thông qua phổ. 3- ThiÕt bÞ aes: 3.1. S¬ ®å cÊu t¹o vµ nguyªn lý chung: (2) (2) §iÖn tö kÝch thÝch (3… 10keV) 1s k (3) (3 ) 2s L1 2p L2 2p L3 3s M1 3p M2 1566 eV 122 eV 77,2 eV 76,8 eV 15 eV 4 eV 0 eV (3) (4b) §iÖn tö Auger H×nh 2 Hình 3 Như ở trên đã trình bày AES được tạo ra khi bắn chùm điện tử vào mẫu, vì vậy thiết bị cấu tạo của AES cũng có nhiều đặc điểm giống kính hiện vi TEM và SEM. Vì thế một số thiết bị Cấu tạo của máy AES giống kiến hiển vị TEM và SEM như: Bộ phận phát dòng electron, bộ phận gia tốc electron, thấu kính từ, detector, máy, tinh xử lý mẫu. Điện tử đươc tạo ra sẽ được gia tốc và được điều khiển thông qua hệ thống thấu kính từ, chùm điển tử sẽ bắn vào mẫu. khi chùm điện tử vào mẫu sẽ sinh ra các,hiện tượng như sinh ra chùm điện tử thứ cấp, chùm điện tử truyền qua, chùm điện t phn x ngc li, hoc sinh ra tia X v xut hin chựm in t Auger nh trờn hỡnh 5. Tuy nhiờn chựm in t Auger c sinh ra nhng lp u ti ờn b mt vỡ th vic nghin cu b mt khi d ựng Auger rt nhy Cấu tạo gồm 2 bộ phận chính : Súng điện tử và bộ phận phân tích gơng trụ (CMA) \ s Hình 4 :sơ đồ bộ phân tích phổ Auger gơng trụ Trên sơ đồ súng điện tử đợc đặt ở giữa 2 trụ đồng trục cung cấp điện tử bắn thẳng góc với bề mặt mẫu. + Cấu tạo của súng điện tử gồm: Nguồn điện tử và các thấu kính từ. Nguồn điện tử: Gồm bộ phận phát dòng điện tử, bộ phận gia tốc điện tử. (Hình 5). in t c to ra t ngun phỏt in t l cỏc sỳng phỏt x in t.: Hai kiu sỳng phỏt x c s dng l sỳng phỏt x nhit v sỳng phỏt x Mẫu Bộ thu nhận điện tử Chùm điện tử Hình 5 trng. Sỳng phỏt x nhit hot ng nh vic t núng mt dõy túc in t, cung cp nng lng nhit cho in t thoỏt ra khi b mt kim loi. Sỳng phỏt x trng hot ng nh vic t mt hiu in th (c vi kV) giỳp cỏc in t bt ra khi b mt kim loi. Khi in t c to ra, nú s bay n cathode rng (c gi l in cc Wehnet) v c tng tc nh mt th cao ỏp mt chiu (ti c vi trm kV). Các thấu kính từ có tác dụng điều khiển dòng điện tử bắn thẳng góc vào bề mặt mẫu. p E + Bộ phận phân tích gơng trụ (Hình 4): Gồm tấm chắn từ ; gơng trụ có các khe trụ để điện tử có thể đi qua và lới điện trờng cung cấp từ nguồn nuôi quét có điện thế thay đổi; bộ nhân điện tử. Nguyên tắc: Điện tử Auger sau khi đợc phát ra từ mẫu, đi qua lới thứ nhất ( l- ới này có chức năng chắn trờng thế cao cho mẫu), lới thứ hai và lới thứ ba đ- ợc đặt thế biến thiên lớn và chậm. Chỉ những điện tử có năng lợng lớn hơn năng lợng đặt vào lới mới có thể đi qua nó, sau đó điện tử qua lới thứ t ( lới này có tác dụng giống nh lới thứ nhất) và thu nhận trên màn phát quang của bộ phận thu. Thế đặt vào đợc quét từ 0 đến năng lợng điện tử tới p E , những điện tử có năng lợng đủ để đến màn hình phát quang và thu nhận trên màn hình sẽ cho các peak Auger. Thờng thì phổ AES đợc trình bày dới dạng phân bố năng lợng vi phân dN(E)/d(E). Trên Hình 4 các điện tử thứ cấp đợc phát ra đi qua khe trụ trong đợc thu bởi thế âm đặt vào trụ ngoài và đi qua khe ra tới bộ thu nhận điện tử. Đối với thế đã cho đặt vào trụ ngoài thì chỉ các điện tử có năng lợng riêng sẽ qua khe ra. Phổ đợc thiết lập băng cách quét thế trụ ngoài. II. Phổ tổn hao năng l ợng điện tử (EELS): 1. Cơ sở vật lý, nguyên lý: Các điện tử có năng lợng cao (HEE) truyền qua mẫu mỏng sẽ xảy ra hiện t- ợng tán xạ đàn hồi (không tổn hao năng lợng) và tán xạ không đàn hồi (có tỗn hao năng lợng) dới các góc khác nhau. Hình 6: Mô hình tán xạ Đo năng tổn hao của e tán xạ trong một góc riêng đa ra phổ tổn hao năng l- ợng điện tử (EELS). Nh vậy kỹ EELS là kỹ thuật dựa trên phân tích sự mất mát năng lợng của chính các e bị tán xạ do tơng tác với mẫu và thu đợc thông tin về bản chất các kích thích cơ bản của tinh thể ở vùng gần bề mặt. Cú 3 nguyờn nhõn dn ns tnhaonng lng ca : -S kớch thớch ca cỏc dao ng mng ca cỏc nguyờn t b mt (cỏc phonon quang v õm) v/hoccỏc ỏm nguyờn t, phõn t b hpth b mt. - Cỏc kớch thớch ca cỏc chuyn di liờn quan n vựng húa tr (cỏc kớch thớch int giacỏc di v trong bn thõn di, cỏc trng thỏi b mt v trong khi, cỏc plasmon b mt v cỏc mt phõn cỏch). - Cỏc kớch thớch mc lừi (t ú cú th phõn tớch thnh phn húa hctong t nh k thut XPS, hoc cú th phõn tớch cu trỳc thụng qua cu trỳc tn hao nng lng tinh t (phõn tớch ph hp)). - Cỏc kớch thớch trờn õy bao trựm m tkhong ph rng t vi chc MeV ca tn hao nng lng /v phonon, hay cỏc dao ng hp th lờn n vi trm eV ion húa cỏc mc lừi. Sau đây là sơ đồ biểu diễn quá trình trong không gian mặng đảo: -Mu tinh th rt mng (hay ch mt s lp nguyờn t b mt CR - c coi l mng 2D) Nỳt mng nghch cú dng thanh kộo di theo chiu mng ca mu. Cu Ewaldcho thy hỡnh hc tỏn x n hi ca cỏc e b mt (hay mng mng 2D) vi cỏ tia tỏn x tho nóm iu kin nhiu x Bragg. - Tuy nhiờn, xung quang mi tia Bragg, trong mt khong gúc cụn cú m s cú nhng tia tng ng vicỏc e thc hin s tỏn x khụng n hi, tng ng vi vect q. - Theo /l bo ton nng lng v bo ton vect súng k: EEE is = ////// qgkk is =+= Hình 7 Trong đó: g : vect mng nghch b mt 2D. q // : vect xung lng c truyn bi e ti, tng ng vi vect sóng k i// . K s// : xung lng tng ng vi tn hao nng lng E ca e tán x. + Cơ chế của quá trình tơng tác dẫn đến EESD e sơ cấp có năng l ợng E 0 e tán xạ không đàn hồi năng l ợng E Hinh: 8 Sau khi tán xạ không đàn hồi điện tử tổn hao một năng lợng: EEE o = , đối với mỗi nguyên tố, và với mỗi mức năng lợng đợc điện tử sơ cấp tơng tác sẽ cho các E khác nhau. Vì vậy đo và phân tích năng lợng tổn hao và sự phân bố góc của các tia tán xạ truyền qua không đàn hôi sẽ biết đợc thành phần các nguyên tố hoá học và trật tự sắp xếp trên bề mặt mẫu. 2. Thiết bị: -B phn ph k EELS thng c cy vo cỏc thit b TEM v STEM vi cỏc b phn ch yu, gm: B lc trong ct (in-column filter) gm b phõn tớch nng lng l thu kớnh t v khe chn lc nng lng. B lc hỡnh nh Gatan (gng e). Ghi/hin th (CCD detector). - B lc thu kớnh t kiu cong l b phõn tớch nng lng ph bin, va cú th hi t, va cú th phõn tỏn ("tỏn sc") c mt chựm tia e, do khi bay trong trng e chu tỏc dng ca lc Lorenx, lc ny úng vai trũ l lc hng tõm, v do ú ta cú th tớnh c bỏn kớnh ca qu o bay ca e theo cụng thc eB mv R = , in t cú ng nng khỏc nhau dn n cú vn tc khỏc nhau nờn bỏn kớnh qu o R ca nú khỏc nhau. Nờn cỏc cú nng lng khỏc nhau s hi t ti cỏc im khỏc nhau to nờn dói ph. S dng CCD camera ghi ng thi (song song) ton b di ph. S : Hỡnh 9. Hình 9 -Bộ lọc thấu kính từ kiểu Ω: Gồm 4 thấu kính từ hình quạt để tạo ra từ trường dạng dẻ quạt bẻ cong quỹ đạo điện tử tương tự như thấu kính tròn trong quang học, tăng khả năng phân ly chùm tia e theo năng lượng (bước sóng) dẫn đến tăng độ "tán sắc", vì vậy dễ dàng chọn lọc tia e có năng lượng thích hợp. Độ tách phổ biến trong khoảng một vài μm/eV đối với năng lượng chùm e sơ cấp khoảng 80 - 100 ekV. Sơ đồ thiết bị hình 10. [...]... tớch ph tn hao nng lng da trờn in t tỏn x khụng n hi c truyn qua mu Avndkgjdhfgkdfhgidfhgfdlbhnckbhn.bfnhb Pho tổn hao nang luong dua trn hien tuong tan xa ko dan hoi + Bộ phận phân tích gơng trụ: Gồm tấm chắn từ ; gơng trụ có các khe trụ để điện tử có thể đi qua và lới điện trờng cung cấp từ nguồn nuôi quét có điện thế thay đổi; bộ nhân điện tử Điện tử thứ cấp sau khi đợc phát ra từ bề mặt mẫu bị uốn...Hỡnh 10 + S nguyờn lý ca b lc Omega ( hỡnh 110 Hỡnh 11 III - Đánh giá so sánh phơng pháp trên: 1 Thông tin thu đợc từ phổ Auger: - Phõn tớch thnh phn nh tớnh: Cho bit thnh phn cu to, AES cú nhy rt cao (tiờu biu ~ 1% n lp b mt) i vi tt c cỏc nguyờn t, ngoi tr i vi H v He Mi nguyờn t trong . Tiểu luận về các phơng pháp phân tích nguyên tố hoá học: Câu1: Các phơng pháp phổ biến nhất trong trong phân tích các nguyên tố hoá học bằng kỹ thuật dùng. phương pháp phân tích phổ Auger là việc phân tích các vật liệu các điện. b.2: Nhược điểm: * Sự khác biệt rõ ràng của hai phương pháp là về mặt cơ chế: - Phương pháp phân tích phổ Auger dựa. học • Sự phân bố các nguyên tố và hợp chất • Các hàm chức năng về điện môi (các vùng năng lượng, độ dẫn, hóa trị ) • Độ dày của mẫu. 3. ưu điểm nhược điểm của các phương pháp: a. Phương pháp phổ