หลักการทดลอง

          Photoelectron Emission Spectroscopy (PES) เป็นกลุ่มเทคนิคการทดลองเพื่อใช้วิเคราะห์และศึกษาคุณสมบัติบริเวณพื้นผิวของวัสดุโดยอาศัยหลักการจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก (Photoelectric effect) (สามารถอ่านเพิ่มเติมได้จาก บทความ) 

         เทคนิคการทดลองสามารถทำได้โดยฉายแสงที่มีค่าพลังงานหรือความยาวคลื่นค่าเดียว (mono-energetic) ที่โดยทั่วไปอยู่ในย่านของ UV ถึง X-ray ลงบนพื้นผิวของวัสดุหรือตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์ หากแสงที่ฉายมีค่าพลังงานสูงกว่าค่าพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy: BE) ของอิเล็กตรอนในอะตอมที่เป็นองค์ประกอบของตัวอย่าง อิเล็กตรอนจะถูกกระตุ้นให้หลุดออกจากอะตอมและพื้นผิวของวัสดุจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกตรวจวัดค่าพลังงานจลน์ (kinetic energy:KE) ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า electron energy analyser โดยค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัดได้มีความสัมพันธ์กับค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอน ดังสมการ

 

KE= hν - BE – eΦ

ในที่นี้ hν คือค่าพลังงานของแสงที่ใช้และ eΦ คือค่า work function ของ electron energy analyser

 

 

 

          เทคนิคในกลุ่ม PES อาจสามารถแบ่งย่อยออกได้ตามค่าพลังงานของแสงที่ใช้กระตุ้นและการวิเคราะห์พลังงานของโฟโต้อิเล็กตรอน เช่น เทคนิค X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) และเทคนิค Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES)

 

 เทคนิค X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)

          เทคนิค XPS หรือที่รู้จักกันในชื่อ Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (ESCA) ใช้แสงในย่านของ soft X-ray เพื่อการกระตุ้นให้เกิดโฟโต้อิเล็กตรอนและเน้นที่การวิเคราะห์ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนชั้นในสุด (core electron) เนื่องจากค่าพลังงานดังกล่าวเป็นค่าเฉพาะของอะตอมในแต่ละธาตุและขึ้นอยู่กับสถานะทางเคมีของอะตอมนั้น การวิเคราะห์ดังกล่าวจึงสามารถระบุชนิดและสถานะทางเคมีของธาตุที่เป็นองค์ประกอบบริเวณพื้นผิวของสารที่ต้องการวิเคราะห์ได้

         เทคนิค XPS สามารถประยุกต์ใช้กับพื้นผิววัสดุหลากหลายชนิด เช่น โลหะ สารกึ่งตัวนำ เซรามิกส์ แก้ว ฟัน กระดูก ผ้า ฯลฯ

 

ข้อมูลและลักษณะเฉพาะของเทคนิค XPS

• สามารถระบุชนิดของธาตุ (ตั้งแต่ Li ถึง U) ที่เป็นองค์ประกอบบนพื้นผิวของวัสดุ
• สามารถระบุสถานะทางเคมี (chemical state) เช่น สถานะทางออกซิเดชั่น (oxidation state) หรือ พันธะทางเคมีระหว่างอะตอม ของธาตุที่เป็นองค์ประกอบได้ ตัวอย่างเช่น สามารถระบุหรือแยก Al-metal  ออกจาก Al-oxide ได้
• สามารถระบุร้อยละที่มีอยู่ของธาตุที่สนใจเทียบกับธาตุอื่นที่เป็นองค์ประกอบ
• เป็นเทคนิคที่วัดคุณสมบัติของสารในระดับพื้นผิว (surface sensitive) ที่ระดับ 5 – 100 อังสตรอม (Angstroms) เหมาะสำหรับสารตัวอย่างทีมีลักษณะเป็นฟิล์มบาง
• ไม่ทำลายคุณสมบัติของสารในการวัด
• สามารถตรวจวิเคราะห์สารที่มีปริมาณน้อยๆ หรือความเข้มข้นต่ำในระดับร้อยละ 0.1 (parts per thousand range)
• การทดลองทำในระบบสุญญากาศความดันต่ำกว่า 10-9 mbar
• สามารระบุการกระจายตัวของธาตุที่เป็นองค์ประกอบบนพื้นผิว การกระจายตัวของธาตุตัวด้านข้างจากการปรับตำแหน่งของการวัดและการกระจายตัวของธาตุตัวในแนวลึกจากการใช้เทคนิค depth profile

ตัวอย่างสเปกตรัมของทอง (Au) จากการวัดโดยเทคนิค XPS

 

ตัวอย่างการวิเคราะห์และแยกแยะคาร์บอน (C) ที่เป็นองค์ประกอบของฟิล์มบาง Copper Phtalocyanine (CuPc) บนทองแดง (Cu) ด้วยเทคนิค XPS

 

ข้อดีของการนำแสงซินโครตรอนมาใช้ในเทคนิค PES 

•  สามารถปรับค่าพลังงานของแสงให้เหมาะสมกับการทดลองได้ แหล่งกำเนิดแสง X-ray ปกติไม่สามารถเปลี่ยนค่าพลังงานได้
• แสงซินโครตรอนมีความเข้มสูงมากกว่าแหล่งกำเนิดแสงปกติทำให้ได้สัญญาณจากการวัดสูง
• แสงมีค่าพลังงานเดียวที่แน่นอน ทำให้สามารถระบุค่าพลังงานยึดเหนี่ยวได้อย่างแม่นยำ
• ลำแสงมีขนาดเล็กและสามารถระบุตำแหน่งได้ ทำให้สามารถระบุตำแหน่งของการวัดบนพื้นผิววัสดุได้