Электронды спектроскопия: Химиялық талдау әдістері

Кіріспе

Химиядағы аналитикалық техника. Электрондық спектроскопия – фотоэлектрон және Аугер электрондары сияқты шығарылған электрондардың энергиясын талдау негізінде құрылған техникалар тобы. Бұл топқа рентгендік фотоэлектрондық спектроскопия (XPS), сонымен қатар химиялық талдау үшін электрондық спектроскопия (ESCA) деп те аталатын, электронды энергия жоғалту спектроскопиясы (EELS), ультракүлгін фотоэлектрондық спектроскопиясы (UPS) және Аугер электрондық спектроскопиясы (AES) кіреді. Бұл аналитикалық техникалар сынаманың бетінен элементтерді және олардың электрондық құрылымдарын анықтау үшін қолданылады. Сынамалар қатты, газ немесе сұйық күйде болуы мүмкін. Химиялық ақпарат тек сынамадағы ең жоғарғы атомдық қабаттардан (тереңдігі 10 нм немесе одан аз) алынады, себебі Аугер электрондары мен фотоэлектрондардың энергиясы өте төмен, әдетте 20–2000 эВ құрайды. Осы себепті электрондық спектроскопия техникалары беткі химиялық заттарды талдау үшін қолданылады. Көптеген жетілдірулер мен Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін, Каи Зигбан (1981 жылы Нобель сыйлығы) Швецияның Уппсала қаласындағы зерттеу тобымен бірге 1954 жылы жоғары энергиялық ажыратымдылыққа ие XPS спектрін тудыратын алғашқы XPS құрылғысын тіркеді. 1967 жылы Зигбан XPS және оның қолданылуы туралы толық зерттеу жариялады, оны химиялық талдау үшін электрондық спектроскопия (ESCA) деп атады. Зигбанның жұмысымен бірге 1962 жылы Лондон Императорлық колледжінде (кейін Оксфорд университетінде) Дэвид В. Тернер гелий лампаларын пайдаланып молекулалық түрлер үшін ультракүлгін фотоэлектрондық спектроскопияны (UPS) жасады.

Негізгі теория

Электрондық спектроскопияда, техникаға байланысты, рентген фотондары, электрондық сәуле электрондары немесе ультракүлгін сәуле фотондары сияқты жоғары энергиялы бөлшектермен үлгіні сәулелендіру нәтижесінде Аугер электрондары мен фотоэлектрондар эмиссияланады. 1-суретте бұл бір бөлшектің негізінде көрсетілген, мысалы, белгілі бір энергия диапазонынан (E=hν) келетін рентген фотоны атомның ішкі қабығындағы электронға өзінің энергиясын береді. Фотонды сіңіру нәтижесінде туындаған электрон эмиссиясы атомдық қабықта бос орын қалдырады (1 (а) суретін қараңыз). Бұл бос орын екі жолмен толтырылуы мүмкін, соның нәтижесінде әр элементке тән ерекше сәулелер пайда болады. Жоғары энергия деңгейіндегі қабықтағы электрон бос орынды толтырғанда, флуоресценттік фотон эмиссияланады (1 (b) суреті). Аугер құбылысында жоғары энергия деңгейіндегі қабықтағы электрон бос орынды толтырады, бұл жақын орналасқан электронды эмиссиялауға себеп болады, нәтижесінде Аугер электроны пайда болады (1 (с) суреті). Жоғарыда айтылғандардан және 1-суреттен көрініп тұрғанындай, Аугер электрондары мен фотоэлектрондар физикалық жағынан өзгеше, бірақ екі түрлі электрон да материалдың бетіндегі химиялық элементтер туралы ұқсас ақпаратты береді. Әр элементтің өзіне тән Аугер электроны немесе фотоэлектронының энергиясы болады, олардың көмегімен оларды анықтауға болады. Фотоэлектронның байланыс энергиясын төмендегі формула арқылы есептеуге болады: мұндағы Ebinding – фотоэлектронның байланыс энергиясы, hν – келіп түсетін сәулелену бөлшегінің энергиясы, Ekinetic – құрылғымен өлшенген фотоэлектронның кинетикалық энергиясы және – жұмыс функциясы. Аугер электронының кинетикалық энергиясы Аугер процесіне қатысатын электрон қабықтарының байланыс энергиясы арасындағы айырмаға шамамен тең. Оны былай есептеуге болады: мұндағы Ekinetic – Аугер электронының кинетикалық энергиясы, hν – келіп түсетін сәулелену бөлшегінің энергиясы, EB – бірінші сыртқы қабықтың байланыс энергиясы және EC – екінші сыртқы қабықтың байланыс энергиясы.

In electron spectroscopy, depending on the technique, irradiating the sample with high energy particles such as X ray photons, electron beam electrons, or ultraviolet radiation photons, causes Auger electrons and photoelectrons to be emitted. Figure 1 illustrates this on the basis of a single particle in which, for example, the incoming X ray photon from a particular energy range (E=hν) transfers its energy to an electron in the inner shell of an atom. Photon absorption caused electron emission leaves a hole in the atomic shell (see figure 1 (a)). The hole can be filled in two ways, forming different characteristic rays that are specific to each element. As the electron in the shell of a higher energy level fills the hole, a fluorescent photon is emitted (figure 1 (b)). In the Auger phenomenon, the electron in the shell of the higher energy level fills the hole that causes the adjacent or nearby electron to emit, forming the Auger electron (figure 1 (c)). As can be seen from discussed above and figure 1, Auger electrons and photoelectrons are different in their physical origin, however, both types of electrons carry similar information about the chemical elements in material surfaces. Each element has its own special Auger electron or photon electron energy from which these can be identified. The binding energy of a photoelectron can be calculated by the formula below. where Ebinding is the binding energy of the photoelectron, hν is the energy of the incoming radiation particle, Ekinetic is the kinetic energy of the photoelectron measured by the device and is the work function. The kinetic energy of the Auger electron is approximately equal to the energy difference between the binding energies of the electron shells involved in the Auger process. This can be calculated as follows:

where Ekinetic is the kinetic energy of the Auger electron, hν is the energy of the incoming radiation particle and EB is first outer shell binding energy and EC is second outer shell binding energies.