Phổ Quang Điện Tử Là Gì? – H2TECH

Phổ quang điện tử liên quan đến việc phát hiện động năng của các quang điện tử phát ra sau một sự kiện ion hóa. Nếu giả định rằng các quang điện tử phát ra không trải qua bất kỳ sự kiện va chạm nào sau khi ion hóa, động năng của electron được phát hiện phải bằng với năng lượng liên kết của quỹ đạo mà nó bị đẩy ra.

Thông tin về năng lượng liên kết cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc điện tử của một nguyên tử, phân tử hoặc vật liệu và có thể được sử dụng để hiểu cách các loài có khả năng tương tác với ánh sáng hoặc các loài hóa học khác. Phổ quang điện tử đã trở thành một công cụ thường xuyên trong các ứng dụng công nghiệp và có thể thúc đẩy các lĩnh vực nghiên cứu, bao gồm cả việc lập hồ sơ vật liệu và máy móc 2D.

1. Cấu tạo

Một máy quang phổ điện tử quang điển hình sẽ bao gồm một nguồn ion hóa, một hệ thống phân phối mẫu và một máy dò. Nhìn chung, máy quang phổ điện tử quang sử dụng điều kiện chân không cao để đảm bảo rằng điện tử quang phát ra không bị mất năng lượng do va chạm với các thành phần trong khí quyển. Một số phương pháp sử dụng hệ thống bơm vi sai để thực hiện các phép đo trên mẫu trong điều kiện môi trường tương tự như điều kiện tại chỗ, được gọi là quang phổ điện tử quang tia X áp suất môi trường.

2. Nguồn ion hóa

Các đặc điểm của nguồn ion hóa trong quang phổ quang điện tử cực kỳ quan trọng và quyết định loại thông tin hóa học nào có thể được thăm dò. Đầu tiên, nguồn phải có năng lượng đủ cao để có thể đẩy một quang điện tử ra khỏi mẫu. Nhiều khí hiếm có năng lượng ion hóa trên 10 eV và các phân tử thơm nhỏ có năng lượng khoảng 9 eV. Có thể rất khó để tạo ra các photon có đủ năng lượng để ion hóa mục tiêu chỉ trong một bước.

Đèn Heli (I), phát ra ở mức 21,2 eV, là nguồn ion hóa phổ biến cho các thí nghiệm quang điện tử nhưng các phương pháp ion hóa đa photon cũng đã chứng minh được tính thành công. Ion hóa đa photon dựa trên sự hấp thụ nhiều photon để gây ra ion hóa và đạt được tốt nhất bằng các nguồn sáng mạnh như hệ thống laser.

Một nguồn ion hóa thay thế khác là các nguồn sáng tiên tiến như máy gia tốc synchrotron. Đối với các phép đo quang điện tử tĩnh, máy gia tốc synchrotron là nguồn sáng lý tưởng vì chúng có liều lượng photon cao, khả năng điều chỉnh năng lượng cao và các nguồn có sẵn để tạo ra năng lượng photon từ tia cực tím đến chế độ tia X cứng.

Thay đổi năng lượng photon tới trong một thí nghiệm quang phổ điện tử quang sẽ thay đổi loại thông tin hóa học có sẵn. Trong khi thông tin dải hóa trị thu được với photon khả kiến ​​hoặc UV năng lượng thấp hơn đặc biệt hữu ích để xác định các tính chất quang học của phân tử hoặc vật liệu, quang phổ điện tử để phân tích hóa học (ESCA) dựa vào quá trình ion hóa các electron lõi liên kết chặt chẽ đòi hỏi bức xạ tia X.

Phổ quang điện tử quang điện tử tia X và ESCA xác định thành phần hóa học của vật liệu nhưng cũng cung cấp thông tin về môi trường liên kết cục bộ của các nguyên tố. Năng lượng liên kết của các electron lõi rất đặc trưng cho từng nguyên tố. Mặc dù có những thay đổi nhỏ về năng lượng chính xác tùy thuộc vào môi trường cục bộ, nhưng các năng lượng này thường đủ đặc trưng để thực hiện phân tích nguyên tố. Đây là lý do tại sao ESCA hiện là phương pháp được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học, bao gồm bảo tồn nghệ thuật và nghiên cứu lịch sử.

3. Máy dò

Sơ đồ phát hiện được sử dụng trong thí nghiệm quang điện tử rất quan trọng để đạt được độ phân giải năng lượng động và xác định hiệu quả mà các sự kiện ion hóa có thể được phát hiện. Nhiều thiết bị quang điện tử sử dụng các sơ đồ phát hiện thời gian bay, trong đó thời gian bay của electron được sử dụng để xác định động năng của nó. Một số sơ đồ sử dụng hình ảnh electron để xem xét các thông tin quan sát được như phân bố góc của quang điện tử có thể cung cấp thông tin bổ sung về bản chất của quỹ đạo mà quang điện tử bị đẩy ra.

Các loại máy dò điển hình được sử dụng bao gồm chai từ, máy phân tích bán cầu, ảnh, máy ảnh được ghép nối với các tấm chụp ảnh. Mỗi loại đều có ưu điểm và nhược điểm riêng và lựa chọn máy dò tối ưu phụ thuộc vào loại mẫu được sử dụng, phạm vi năng lượng photon và độ phân giải mong muốn. Ví dụ, chai từ cung cấp hiệu suất thu thập vượt trội và máy phân tích bán cầu có thể được sử dụng cho cả phương pháp quang phổ và chụp ảnh, thường có độ phân giải năng lượng tuyệt vời.

4. Triển vọng tới tương lai

Trong khi cả quang phổ điện tử quang học trong phòng thí nghiệm và tại cơ sở hiện nay là một thí nghiệm thường quy, vẫn còn nhiều phát triển tích cực trong lĩnh vực này. Với sự gia tăng tính khả dụng của các hệ thống laser xung ngắn và các cơ sở laser electron tự do, có thể tạo ra các xung bức xạ tia X rất sáng, các phép đo quang điện tử phân giải theo thời gian đang trở nên ngày càng phổ biến. Các phép đo như vậy giúp có thể hình dung theo thời gian thực các quá trình xảy ra khi mẫu tương tác với bức xạ điện từ.

Chất lỏng dễ bay hơi trong lịch sử đã gây ra vấn đề cho các phép đo quang điện tử, vì chúng không tương thích với các yêu cầu chân không cao để phát hiện các electron không bị nhiễu loạn. Tuy nhiên, hiện nay đã có các giải pháp thương mại để tạo ra các tia chất lỏng trong chân không để thực hiện các nghiên cứu quang điện tử trên bề mặt và vật liệu khối.

Các công nghệ như tạo sóng cao giúp đạt được các photon năng lượng cao hơn trong môi trường phòng thí nghiệm, thường vẫn có độ phân giải thời gian tuyệt vời. Chúng cũng cho phép thực hiện các loại thí nghiệm quang điện tử phân giải thời gian mới.