مطيافيّة الأشعّة السينيّة الإلكتروضوئيّة (XPS)
مقدمة:
تقنية مطيافيّة الأشعّة السينيّة الإلكتروضوئيّة هي تقنية تحليل سطحي تستخدم لدراسة سطح المواد من حيث التحليل العنصري والتركيب الكيميائي وحالات الترابط، وتحديد نوع الروابط الكيميائية بين العناصر. يُعتبر اختبار XPS اختبارًا غير مخرّب لا يضر العينة ويمكن استخدامه لتحليل مواد مختلفة من البيولوجية إلى المعدنية. في هذه الطريقة، يُقذف سطح العينة بالفوتونات الساقطة من أشعة الأشعة السينية ويراقب طاقة الإلكترونات المصورة التالية من العينة. تشمل تطبيقات هذه التقنية تحديد جميع العناصر باستثناء الهيدروجين والهيليوم، وتحديد تكوين عناصر سطحية، وتحديد الملوثات على سطح المادة، وتحديد تجانس التكوين.
المبدأ
عندما تصطدم الأشعة السينية بسطح العينة، يتم امتصاص الطاقة من الأشعة، مما يؤدي إلى إخراج الإلكترونات من مدارات الطاقة داخل الذرات. تُعرف الإلكترونات الخارجة بفوتوالكترونات، وطاقة الحركة لهذه الإلكترونات تعتمد على كمية الطاقة المكتسبة من الأشعة السينية وكمية الطاقة اللازمة لإخراج الإلكترون من الذرة، والتي تُسمى دالة العمل. البيانات
يتم استخدام كاشف حساس جدًا لقياس عدد وطاقة الإلكترونات الخارجة. من خلال معرفة طاقة الأشعة السينية، يمكن تحديد العناصر الموجودة في العينة بناءً على طاقة الإلكترونات، كما يمكن قياس تركيز كل عنصر من خلال عدد الإلكترونات المرتبطة بكل طاقة.
أحد الخصائص المميزة لتحليل XPS من الخصائص الفريدة عمق النفوذ، حيث تستطيع الفوتوالكترونات الخروج من الطبقات السطحية للعينة حتى عمق حوالي 10 نانومتر. وبالتالي، يتم تحليل طبقة رقيقة جداً مما يجعله مثاليًا لفحص الطلاءات والأغشية الرقيقة التي يبلغ سمكها أقل من 100 نانومتر. ومع ذلك، فإن هذا العمق المنخفض يجعل التحليل حساسًا جدًا للتلوث السطحي، مما يتطلب ظروفًا دقيقة للتحضير.
تحديد نوع الروابط
من الخصائص الأساسية الأخرى لتحليل XPS هو القدرة على تحديد نوع الروابط الكيميائية. على سبيل المثال، يمكن لذرة الكربون أن تتواجد في حالات مختلفة من الروابط (مفردة، مزدوجة، ثلاثية) مما يحدد نوع المدار الجزيئي (sp, sp2, sp3). في وجود عناصر أخرى مثل الأكسجين أو النيتروجين، يمكن تحديد كيفية ارتباط الكربون بها ونوع الرابط الكيميائي.
فوائد الفحص
تحليل XPS له تطبيقات واسعة في مجالات متعددة، بما في ذلك علوم المواد، الكيمياء، والفيزياء. يُستخدم في دراسة الأسطح المعدنية، التحليل الكيميائي للطلاءات، وتحديد التفاعلات السطحية في البيئات المختلفة، مما يجعله أداة حيوية في الأبحاث والتطوير الصناعي.
تشخيص التركيب الكيميائي للسطح
تحديد جميع العناصر باستثناء الهيدروجين والهيليوم: يمكن استخدام تحليل XPS لتحديد مجموعة متنوعة من العناصر الكيميائية في العينة، باستثناء الهيدروجين والهيليوم.
تحديد الحالة الكيميائية للأنواع السطحية: يوفر هذا التحليل معلومات دقيقة حول الحالة الكيميائية للعناصر الموجودة على السطح، مما يساعد في فهم تفاعلاتها.
قابلية الاستخدام لمختلف أنواع العينات: يمكن تطبيق تحليل XPS على أنواع متعددة من العينات الصلبة، بما في ذلك العوازل، والموصلات، والمواد شبه الموصلة.
تمييز نوع الكربون السطحي: يُمكن تحليل XPS من تحديد نوع الكربون على السطح، سواء كان غرافيت أو كربيد، مما يساعد في فهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية.
تحليل غير مدمر للعينات الحساسة للأشعة الإلكترونية: تعتبر هذه التقنية غير مدمرة، مما يجعلها مناسبة لفحص العينات الحساسة التي قد تتأثر بالأشعة الإلكترونية.
تشخيص حالات أكسدة الذرات المعدنية: يمكن استخدام تحليل XPS لتحديد حالات الأكسدة المختلفة للمعادن الموجودة على السطح، مما يساعد في فهم التفاعلات الكيميائية.
دراسة التركيب الكيميائي للطبقات الرقيقة: يُستخدم لتحليل التركيب الكيميائي للطبقات الرقيقة، مما يزيد من الفهم في تطبيقات الطلاء والمواد النانوية.
فحص التلوث السطحي: يسمح تحليل XPS بالكشف عن الملوثات السطحية، مما يعزز من ضمان جودة المواد المستخدمة في التطبيقات المختلفة.
العينات التي يمكن قياسها
جميع أنواع العينات الصلبة والسائلة والباودر
تحليل النتائج
تفسير نتائج تحليل XPS يتطلب فهمًا دقيقًا للبيانات المستخلصة من التحليل، وكذلك المعرفة بكيفية قراءة الطيف الناتج. إليك الخطوات الأساسية لتفسير نتائج XPS:
فهم الطيف الناتج:
يظهر الطيف الناتج من XPS كقائمة من القمم ( peaks) التي تمثل العناصر المختلفة الموجودة على السطح. كل قمة تعكس طاقة الإلكترون الناتج عن عنصر معين.
تحديد العناصر:
يجب مقارنة مواقع القمم في الطيف مع القيم المرجعية المعروفة لطاقة الربط (Binding Energy) لكل عنصر. يمكن استخدام قواعد البيانات أو الأدبيات العلمية لتحديد العناصر.
تقييم شدة القمم:
شدة كل قمة تتناسب مع تركيز العنصر في العينة. يمكن حساب النسبة المئوية لكل عنصر في العينة بناءً على شدة القمم.
تحديد الحالة الكيميائية:
يمكن تحليل موضع القمم لتحديد الحالة الكيميائية للعنصر. على سبيل المثال، قد تختلف طاقة الربط للعنصر بناءً على حالة الأكسدة أو نوع الروابط الكيميائية.
تحليل الكربون:
عند تحليل الكربون، يمكن استخدام تقنيات متقدمة مثل تحليل القمم الفرعية (Peak Fitting) لتحديد أنواع الروابط (مثل sp² وsp³) بين ذرات الكربون.
تقييم التلوث السطحي:
يمكن أن تكشف القمم غير المتوقعة أو القمم التي تظهر عند طاقات ربط معينة عن تلوث سطحي أو وجود مواد غير مرغوب فيها.
تفسير العمق:
نظرًا لأن تحليل XPS يركز على السطح، يُفضل تفسير النتائج في سياق العمق. يجب أن تكون النتائج مرتبطة بسمك الطبقات أو التعديلات السطحية.
استخدام برامج التحليل:
توجد برامج متخصصة لتحليل بيانات XPS، مثل CasaXPS وXPSPeak، التي تساعد في تحديد القمم وتحليلها بدقة أكبر.
التحليل المقارن:
قد يكون من المفيد مقارنة النتائج مع عينات مرجعية أو دراسات سابقة لفهم التغيرات أو الخصائص الفريدة للعينة المدروسة.
تفسير نتائج XPS يتطلب دمج المعلومات من الطيف الناتج مع المعرفة الكيميائية للمواد. من المهم أن تكون لديك خلفية قوية في الكيمياء السطحية والمواد لتحليل البيانات بشكل فعّال.