BEAMLINE 5.3 : XPS X-Ray Photoemission spectroscopy

เครื่องมือวิเคราะห์วัสดุนาโนโดยเทคนิคสเปกโตรสโกปีโฟโมสอิเล็กตรอนด้วยรังสีเอกซ์ (X-ray Photoelectron spectroscopy, XPS) เป็นเทคนิคที่วิเคราะห์ธาตุและองค์ประกอบทางเคมีบริเวณพื้นผิวของวัสดุซึ่งสามารถประยุกต์ใช้ได้กับวัสดุหลากหลายชนิด อาทิเช่น โลหะ แก้ว เซรามิกส์ พลาสติก และ สารกึ่งตัวนำ เป็นต้น

หลักการของเครื่องXPS

อัตรกิริยาของอะตอมกับโฟตอน

         เมื่อลำแสงโฟตอน (Photon, hv) เข้าไปในอะตอม อะตอมจะดูดกลืนพลังงานจนทำให้ อิเล็กตรอนในอะตอมหลุดออกมaาเรียกว่า Photoelectric absorptionซึ่งอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะมีพลังงานจลล์โดยเทคนิค XPS นี้จะวัดจากพลังงานจลล์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นเอง

รูปที่ 1อันตรกิริยาของอะตอมเมื่อไดรับพลังงาน Photon

         เมื่ออิเล็กตรอนหลุดออกมาจะมีอิเล็กตรอนวงนอกเข้ามาแทนที่ เรียกว่า Relaxationอิเล็กตรอนที่มาแทนที่นั้นจะคายพลังงานออกมาในรูปของ X-ray Fluorescence ถ้าพลังงานที่ถูกปลดปล่อยออกมานี้ไปชนกับอิเล็กตรอนวงนอกจนทำให้อิเล็กตรอนนั้นหลุดออกมา จะเรียกว่า Auger electron

         จากที่กล่าวข้างต้นว่าเทคนิคนี้เป็นเทคนิคที่วัดสเปกตรัมจากพลังงานจลล์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาซึ่งจะเปรียบเทียบกับค่า Binding energy ของธาตุที่เราวัด โดยทั่วไปแล้วพีคของสเปกตรัมที่เกิดขึนจะเกิดจากอิเล็กตรอนในชั้นต่างๆซึ่งการจัดเรียงอิเล็กตรอนของแต่ละธาตุจะไม่เหมือนกันทำให้สามารถแยกธาตุแต่ละชนิดได้

         เทคนิคนี้สามารถทำได้โดยฉายแสงที่มีค่าพลังงานหรือความยาวคลื่นค่าเดียวในย่านของรังสีเอกซ์ (X-ray) จากปืนรังสีเอกซ์ (ในค่าพลังงานของ AlKaหรือ MgKa) หรือแสงซินโครตรอนลงบนพื้นผิวของวัสดุหรือตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์ภายในระบบสุญญากาศ แล้วทำการตรวจจับและวัดค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นให้หลุดออกมาเนื่องจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (Photoelectric Effect) ค่าพลังงานจลน์ที่วัดได้นี้สามารถนำมาคำนวณกลับหาค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน (Binding Energy) ซึ่งเป็นค่าเฉพาะเจาะจง ทำให้สามารถระบุธาตุองค์ประกอบและสถานะทางเคมีบริเวณพื้นผิวของวัสดุได้

รูปที่ 2 หลักการของเครื่อง XPS

         จากรูปที่ 2 แสดงหลักการของเทคนิค XPS อิเล็กตรอนในอะตอมถูกกระตุ้นโดยรังสีเอกซ์ให้หลุดออกมาด้วยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริกก่อนถูกตรวจจับและวัดค่าพลังงานจลน์ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า electron energy analyzer และแสดงผลในรูปของเส้นสเปกตรัม (spectrum) ก่อนการวิเคราะห์ 

ส่วนประกอบของเครื่อง XPS

รูปที่ 3 เครื่อเครื่องมือวิเคราะห์วัสดุนาโนโดยเทคนิคอิเล็กโตรสโคปีโฟโตอิเล็กตรอนด้วยรังสีเอ๊กซ์  (X-ray Photoelectron spectroscopy , XPS) ณ สถานร่วมวิจัย มทส-นาโนเทค-สซ