Đề tài Phương pháp phân tích phổ EDX ( Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ ĐỀ TÀI: Phương pháp phân tích phổ EDS ( Energy-dispersive X-ray spectroscopy) SVTH: Nguyễn Văn Du Lớp: Vật Liệu Điện Tử GV bộ môn: TS. Nguyễn Ngọc Trung Tr•êng ®¹i häc b¸ch khoa hµ néi B¸o c¸o kÜ thuËt ph©n tÝch phæ §Ò tµi: Ph•¬ng ph¸p ph©n tÝch phæ EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) Sinh viªn thùc hiÖn: NguyÔn V¨n Du Líp: VËt LiÖu §iÖn Tö GV bé m«n: TS. NguyÔn Ngäc Trung Hµ Néi, Ngµy 25 th¸ng 05 n¨m 2009 Néi dung b¸o c¸o 1. Kh¸i qu¸t chung vÒ kÜ thuËt ph©n tÝch phæ. 2. Nguyªn lý cña phÐp ph©n tÝch b»ng EDS. 3. KÜ thuËt ghi nhËn vµ ®é chÝnh x¸c cña EDS. 4. Mét vµi øng dông cña phÐp ph©n tÝch . 5. §¸nh gi¸ ph•¬ng ph¸p & KÕt luËn. I. Tæng quan vÒ phÐp ph©n tÝch phæ EDX KÜ thuËt EDX ®•îc ph¸t triÓn tõ ng÷ng n¨m 1960 vµ thiÕt bÞ th•¬ng phÈ xuÊt hiÖn vµo ®Çu nh÷ng n¨m 1970 víi viÖc sö dông Detector dÞch chuyÓn Si, Li hoÆc Ge. Cã nhiÒu thiÕt bÞ ph©n tÝch EDX nh•ng chñ yÕu EDX ®•îc ph¸t triÓn trong c¸c kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö, æ ®ã c¸c phÐp ph©n tÝch ®•îc thùc hiÖn nhê c¸c chïm ®iÖn tö cã n¨ng l•îng cao vµ ®•îc thu hÑp nhê hÖ c¸c thÊu kÝnh ®iÖn tö. Sá ®å cÊu t¹o m¸y ph©n tÝch SEM øng dông cña EDX Phæ tia X ph¸t ra sÏ cã tÇn sè(n¨ng l•îng ph«tn tia X) tr¶i trong mét vïng réng vµ ®•îc ph©n tÝch nhê phæ kÕ t¸n s¾c n¨ng l•îng do ®ã ghi nhËn th«ng tin vÒ c¸c nguyªn tè còng nh• thµnh phÇn. Phæ t¸n s¾c n¨ng l•îng tia X hay phæ t¸n s¾c n¨ng l•îng lµ kÜ thuËt ph©n tÝch thµnh phÇn ho¸ häc cña vËt r¾n dùa vµo viÖc ghi l¹i phæ tia X ph¸t ra tõ vËt r¾n do t•¬ng t¸c víi c¸c bøc x¹ ( chñ yÕu lµ chïm ®iÖn tö cã n¨ng l•îng cao trong c¸c kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö ). Trong c¸c tµi liÖu khoa häc, kÜ thuËt nµy th•êng ®•îc viÕt t¾t lµ EDX hay EDS xuÊt ph¸t tõ tªn gäi tiÕng anh Energy-dispersive X-ray spectroscopy II. Nguyªn lý cña EDS Khi chïm ®iÖn tö cã møc n¨ng l•îng cao ®•îc chiÕu vµo vËt r¾n, nã sÏ ®©m xuyªn s©u vµo nguyªn tö vËt r¾n vµ t•¬ng t¸c víi c¸c líp ®iÖn tö bªn trong cña nguyªn tö T•¬ng t¸c nµy dÉn ®Õn viÖc t¹o ra c¸c tia X cã b•íc sang ®Æc tr•ng tØ lÖ víi nguyªn tö sè (Z) cña nguyªn tö tu©n theo ®Þnh luËt Mosley: TÇn sè cña tia X ph¸t ra lµ ®Æc tr•ng víi nguyªn tö cña mçi chÊt cã mÆt trong chÊt r¾n. ViÖc ghi nhËn phæ tia X ph¸t ra tõ vËt r¾n sÏ cho ta c¸c th«ng tin vow c¸c nguyªn tè ho¸ häc cã mÆt trong mÉu. §ång thêi chow c¸c th«ng tin vow tØ phÇn c¸c nguyªn tè nµy. H×nh ¶nh phæ t¸n s¾c n¨ng l•îng tia X cña mÉu mµng máng ghi nhËn trªn kÝnh hiÓn vi ®iÖn tö truyÒn qua. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ tÇn sè tia X ph¸t ra lµ ®Æc tr•ng víi nguyªn tö cña mçi chÊt cã mÆt trong chÊt r¾n. ViÖc ghi nhËn phæ tia X ph¸t ra tõ vËt r¾n sÏ cho th«ng tin vÒ c¸c nguyªn tè ho¸ häc cã mÆt trong mÉu ®ång thêi cho c¸c th«ng tin vÒ tØ phÇn c¸c nguyªn tè nµy. III.KÜ thuËt ghi nhËn vµ ®é chÝnh x¸c cña EDS I.1 KÜ thuËt ghi nhËn Tia X phát ra từ vật rắn (do tương tác với chùm điện tử) sẽ có năng lượng biến thiên trong dải rộng, sẽ được đưa đến hệ tán sắc và ghi nhận (năng lượng) nhờ detector dịch chuyển (thường là Si, Ge, Li..) được làm lạnh bằng nitơ lỏng, là một con chip nhỏ tạo ra điện tử thứ cấp do tương tác với tia X, rồi được lái vào một anốt nhỏ. Cường độ tia X tỉ lệ với tỉ phần nguyên tố có mặt trong mẫu. Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector). I.2 §é chÝnh x¸c cña EDX Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên). Tuy nhiên, EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích). IV.Mét vµi øng dông cña phÐp ph©n tÝch 1. Nghiên cứu ăn mòn vỏ lò quay xi măng ¡n mßn vá lß quay Xim¨ng ®•îc chia lµm hai lo¹i: ¨n mßn trong qu¸ tr×nh dõng lß do ng•ng tô hoÆc hÊp thô n•íc vµ ¨n mßn ( nhiÖt ®é cao) trong qu¸ tr×nh lß lµm viÖc. 2. H×nh th¸i vµ thµnh phÇn cña gØ s¾t. C¸c s¶n phÈm ¨n mßn ®Òu gißn, xèp vµ gÇn gièng cèc. GØ ë chç tiÕp xóc víi g¹ch chÞu lña cã mµu n©u nh¹t cßn ë chç tiÕp xóc víi vá thÐp cã mµu n©u bãng hoÆc ®en ãng. Gỉ điển hình. Phía gạch chịu lửa: đen, nâu. Phía vỏ lò - sáng bóng và đen Phân tích tiết diện ngang của gỉ bằng phương pháp SEMIEDX cho thấy gỉ có cấu trúc xốp và đa lớp - gồm nhiều lớp kế tiếp nhau với thành phần chính là oxyt sắt và sunphua sắt. Từ đó có thể phân biệt được ba loại gỉ: - Gỉ không chứa clo và kiềm - Gỉ chứa clo không chứa kiềm - Gỉ chứa cả clo và kiềm Biểu đồ EDX mặt cắt của gỉ, Mỗi biểu đồ lần lượt tương ứng với O, S, Cl, và K. Ký hiệu Ka dưới mỗi ảnh là chỉ tín hiệu phân tích được là tín kiệu Ka Phân tích EDX được thực hiện trên 4 mẫu được lấy xung quanh một vị trí: một mẫu bột gỉ nghiền mịn, một mẫu gỉ phía gạch, một mẫu gỉ phía vỏ thép, và một mẫu ở đáy của gạch chịu lửa . Kết quả được trình bày trên bảng 1. Có thể thấy rằng hàm lượng lưu huỳnh (S), clo (Cl) và kali (K) ở hai mặt gỉ rất giống nhau: S = 3,5%, Cl = 6% và K = 0,5%. Bột ăn mòn có hàm lượng S cao hơn (cỡ 15%) còn Cl thấp hơn (chỉ khoảng 2,5%). Đáy của gạch có thành phần gần giống sản phẩm ăn mòn. Phổ X-ray của bốn sản phẩm đều có oxyt sắt và sunphua sắt với hàm lượng khác nhau Bảng 1. Phân tích vi lượng 4 mẫu lấy xung quanh một vị trí (% khối lượng) Gỉ sắt Sắt Lưu huỳnh Clo Kali Bột gỉ 74 15 2,5 0,5 Gỉ phía gạch, màu tối 85 3,5 6,0 0,5 Gỉ phía vỏ thép, màu sáng 85 3,3 6,5 0,5 Mẫu ở đáy viên gạch chịu lửa 56 13 5,5 1,0 . Bảng 2 là kết quả phân tích ba mẫu: bột ăn mòn, gỉ phía vỏ lò và gỉ phía gạch. Một lần nữa, bột ăn mòn lại chứa nhiều lưu huỳnh hơn hai loại gỉ ăn mòn tương ứng. Tuy nhiên gỉ lại chứa rất nhiều kali mặc dù vẫn chứa một lượng clo dư. Bảng 2. Phân tích vi lượng 3 mẫu lấy xung quanh một vị trí (% khối lượng) Gỉ sắt Sắt Lưu huỳnh Clo Kali Bột gỉ 64 14 12 6,5 Gỉ phía gạch, màu tối 64 1,5 19 7,0 Gỉ phía vỏ thép, màu sáng 81 2,0 11 3,0 . Phân tích định lượng EDX vi cấu trúc của gỉ Trên: phân tích định lượng Dưới: SEM của gỉ Ở biểu đồ trên có các nguyên tố O, S và K Hình ảnh phân tích SEM-EDX trên tiết diện ngang của gỉ chứa kiềm. Lần này cực đại của S không phải lúc nào cũng trùng với cực tiểu của O. Trái lại, ở những vùng được đánh dấu (a) cùng cho các tín hiệu của O, S và K, trong khi đó các lớp thấp oxy, cao lưu huỳnh và phi kiềm chỉ thấy ở những vùng đánh dấu (b). Những ảnh khác của các nguyên tố này cũng có cùng đặc trưng. Tại những vùng mà các hợp chất của O, S và K chiếm ưu thế thì hình ảnh rất rõ nét. Tín hiệu của Cl thường không đi kèm tín hiệu của K và S. V.§¸nh gi¸ ph•¬ng ph¸p & KÕt luËn •u §iÓm: Phổ tia X phát ra sẽ có tần số (năng lượng photon tia X) trải trong một vùng rộng và được phân tich nhờ phổ kế tán sắc năng lượng do đó ghi nhận thông tin về các nguyên tố cũng như thành phần. . Độ phân giải của phép phân tích phụ thuộc vào kích cỡ chùm điện tử và độ nhạy của detector (vùng hoạt động tích cực của detector). Nh•îc §iÓm: Độ chính xác của EDX ở cấp độ một vài phần trăm (thông thường ghi nhận được sự có mặt của các nguyên tố có tỉ phần cỡ 3-5% trở lên) EDX tỏ ra không hiệu quả với các nguyên tố nhẹ (ví dụ B, C...) và thường xuất hiện hiệu ứng trồng chập các đỉnh tia X của các nguyên tố khác nhau (một nguyên tố thường phát ra nhiều đỉnh đặc trưng Kα, Kβ..., và các đỉnh của các nguyên tố khác nhau có thể chồng chập lên nhau gây khó khăn cho phân tích). Khả năng loại nhiễu kÐm hơn WDS. The end! C¶m ¬n thÇy ®· gióp ®ì em hoµn thµnh bµi b¸o c¸o vµ m«n häc!