Your SlideShare is downloading. ×
X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×

Saving this for later?

Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime - even offline.

Text the download link to your phone

Standard text messaging rates apply

X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi

1,289
views

Published on


0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
1,289
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
38
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. X-Işını Fotoelektron SpektrometresiProf.Dr. İbrahim USLUBu Sunumda çok sayıda animasyon vardır. Bu yüzdenwww.gazi.academia.edu/ibrahimuslu sitesinden indiriniz.http://gazi.academia.edu/ibrahimUSLU Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 2. X-Işını Fotoelektron Spektrometresi (SPECS)•  X-Ray fotoelektron Spektroskopisi  veya Kimyasal analiz için  elektron spektroskopisi (ESCA) katı materyallerin yüzeyleri  hakkında kimyasal bilgi elde etmek için yaygın olarak kullanılan  gelişmiş bir yüzey analiz tekniğidir.  Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 3. XPS cihazı Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 4. XPS yada ESCA• Yüzey karakterizasyonlarında kullanılan X-ışını Fotoelektron  Spektroskopisi (XPS), Kimyasal Analiz için Elektron  Spektroskopisi (ESCA) olarak da adlandırılır. – XPS ile katı yüzeylerdeki birkaç nanometre kalınlığındaki filmlerin, – Yüzeydeki atomik bileşimin % dağılımı, – Yüzeydeki Atomik bileşimin stokiyometrik oranları, – Yüzeyin atomik bileşimindeki değişim miktarı ve, – Kaplama kalınlığı• hakkında bilgi alınabilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 5. XPS, AES ve UPS (Mor Ötesi Elektron Spektroskopisi) Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 6. FotoElektron ve Auger Elektron Spektroskopisi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 7. Auger Etkisi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 8. Auger etkisi• Auger etkisi, Bir ya da birkaç elektronun yada dış kaynaktan  gelen fotonun saçılması sonucu bir atomun iç kabuğunda  bulunan elektronların yaptığı geçiş sonucu başka bir elektron  yayınlanmasına sebep olması olayıdır. Dış kaynaktan gelen elektronun Dış kaynaktan gelen fotonunsebep olduğu Auger etkisi sebep olduğu Auger etkisi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 9. ve Auger Elektronu• Auger etki sonucu yayınlanan elektronlardır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 10. Auger Elektronu• Bir atomun çekirdek enerji düzeyinden koparılan bir  elektronun ardında bıraktığı boşluğu, daha üst enerji  seviyelerinden bir elektron doldurabilir. Bu geçiş işlemi  sonucunda bir enerji salınımı oluşur.• Her ne kadar bazen bu enerji atomdan doğrudan bir foton  olarak yayınlansa da, bazen atomda bulunan başka bir  elektrona aktarılıp onu sökerek atomdan ayrılmasına  sebebiyet verir. İşte yayınlanan bu ikincil elektrona Auger  elektronu denir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 11. Tüm katı yüzeyler• XPS tüm katı yüzeylerin elementel ve kimyasal hal bilgisinin  analizi için kullanılabilir. • XPS sistemleri ile iyonik sıvılar da analiz edilebilmektedir.• 10 nm’lik yüzey kalınlığında elementel ve kimyasal hal analizi  yapabilirsiniz. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 12. XPS Cihazının ana bileşenleri Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 13. XPS ile Yüzey Analizi• Bu teknikte ölçülecek numuneye, vakum ortamında monoenerjili X-ışınları gönderilerek uyarılması sağlanır. • Bunun sonucunda örneğin yüzeyinden saçılan elektronların  kinetik enerjileri bir elektron spektrometresi yardımıyla ölçülerek  örnek hakkında nitel ve nicel analizler yapılır.  Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 14. XPS ile nitel analiz Yüzeyden Sadece birkaç nm derinliğin bilgisi• XPS ile nitel analizde, ölçülen bağlanma enerji değerleri ve  kimyasal kayma değerleri kullanılır. Bu yöntem ile H ve He  dışındaki tüm elementlerin nitel analizi yapılabilir.• Örneğe gönderilen x-ışınları birkaç 100 nm derinliğe  ulaşabilmesine rağmen, örnekten fırlatılan elektronlar sadece 5 nm kadar yol alabildiklerinden, yüzeye sadece  birkaç nm kadar yakın olan tabakaların nitel analizi mümkün  olmaktadır. • XPS yöntemi katı hal fiziği, metalürji, malzeme bilimi ve  jeokimya alanında geniş uygulama alanına sahiptir.  Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 15. XPS Sistemleri Uygulama Örnekleri• Polimerler yüzeylerin Kimyasal Yapı taramaları ve polimerler• üzerinde yapılan işlemler öncesi ve sonrası, yüzey değisimlerini  tanımlayarak ve değer vererek polimer fonksiyonlulugunu test edebilme•  Elementlerin kimyasal durumlarının belirlenmesi•  Derinlik profili• Toz maddelerin bileşenlerinin analizi• Yüzeydeki hataların tespit edilmesi• Düşük enerjili cam kaplamaların yüksek kalitede derinlik profillemesi• Metal kaplamaların arastırılması• Yarı iletken maddelerin arastırılması• Mikroelektronik madde arastırılması• Nano mühendislik• İnce film oksit kalınlığı ölçümü ( SiO2, Al2O3) Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 16. XPS Tekniğinin Kullanım Alanları• XPS tekniği ile yüzey ve modifiye yüzey karakterizasyonları,  katalitik yüzeyler üzerindeki aktif uçların belirlenmesi, yarı iletken yüzeyler üzerindeki bileşenlerin tayini, insan derisi  bileşiminin tayini ve metal ve alaşımlarda yüzey oksit  tabakalarının belirlenmesi gibi pek çok çalışmalar  gerçekleştirilebilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 17. XPS Analizi için İlgili Endüstriler• Havacılık ve Uzay• Otomotiv• Biyomedikal / biyoteknoloji• Yarı iletken, Polimer• Telekomünikasyon• Veri depolama• Savunma• Elektronik• Endüstriyel ürünler• Işıklandırma• Eczacılık• Fotonik, Ekran Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 18. XPS Nasıl Çalışır• Karakterize yapacağımız örnek üzerine, hızlandırılmıs bir x-ışını çarptığında çekirdeğe yakın olan tabakadan elektron fırlar.• Bu fırlayan fotoelektronun enerjisi kendisini olusturan hızlı elektronun veya x-ışını fotonunun enerjisine bağlıdır.• Netice itibariyle her atomun fotoelektronları kendine özgüdür.• Bu fotoelektronların enerjisinin belirlenmesi ile kalitatif veya kantitatif yüzey analizi yapma yöntemine “X-ışınları Fotoelektron Spektroskopisi” (XPS) denir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 19. XPS ile yüzey analizi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 20. Valans Elektronları Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 21. Serbest Elektronlar Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 22. X-ışınları ile yüzey bombardıman edilir• X-ışınları yüzeyi bombardıman ettikten sonra elektronlar saçılır.• Katı içerisindeki elektron yolları oldukça kısa olduğundan, XPS tekniği yüzeye duyarlı bir tekniktir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 23. X-Işını Kaynağı• X-ışını kaynakları olarak genellikle MgKα veya AlKα (1486.6 eV) kullanılır. Bu ışınlar örneğimizin yüzeyindeki atomlarla çarpışarak fotoelektrik etki ile örnek yüzeyinden elektronların kopmasına neden olur. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 24. Al - Mg kullanımı Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 25. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 26. Örneğe gönderilen X-ışınları Monokromatize olmalı• Atomdan fırlatılan elektronun kinetik enerjisi, örneğe gönderilen x-ısınının enerjisine de bağlıdır.• X-ışığının enerjisinin yanısıra monokromatize olması da, çok önemlidir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 27. Monokromatörün Avantajları Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 28. XPS’de X-ışınları etkileşmesi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 29. X-ışınlarının yüzey etkileşmeleri Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 30. Yüzey derinliği ölçümü Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 31. Kalınlık Kalibrasyonu Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 32. XPS Kalınlık Kalibrasyonu• XPS yöntemiyle ince filmlerin kalınlığı hassas olarak belirlenir.• İlk olarak ince filmin üzerindeki büyütüleceği alttaş malzemenin en büyük şiddete sahip fotoelektronlarına ait enerji aralığından spektrum alınır.• Daha sonra alttaş malzeme ince film büyütme sistemine çekilerek üzerine belirli bir T süre kaplama yapılır. Kaplamanın ardından tekrar alttaş malzemenin en büyük şiddete sahip fotoelektronlarına ait enerji aralığından XPS spektrumu alınır. Kaplamadan dolayı fotoelektronların şiddetinde bir azalma görülecektir.• Daha sonra tekrardan numune kaplama sistemine alınan alttaş yine T süresince kaplanır ve ayni işlemler tekrarlanır.• Alttaş malzemenin en büyük şiddete sahip fotoelektronlarının şiddetindeki azalma ile kaplanan filmin kalınlığının hesaplanması mümkün olur. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 33. XPS Kalınlık ölçme• Alttaş malzemenin en büyük şiddete sahip fotoelektronlarının şiddetindeki azalma ile kaplanan filmin kalınlığının hesaplanmasında kullanılan denklemde :• Is alttaş malzemenin üzerine “d” kalınlığında filmin kaplandığında alttaş malzemeden gelen fotoelektronların şiddeti,• Io alttaş malzemenin hiçbir kaplama yapılmadan alınan fotoelektronların şiddeti,• λ ise sökülen fotoelektronların elesatik olmayan çarpışmaya kadar aldıkları ortalama yol(İnelastic mean free path) Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 34. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 35. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 36. XPS ve Lenslerin önemi hakkında animasyon Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 37. XPS ve Filaman ömrünü uzatmak ile ilgili animasyon Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 38. XPS termoiyonik elektron tabancası Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 39. Temas açısı ölçümü ve Yüzey enerjilerinin hesaplanması• Temas açısı ölçümü yüzey analiz tekniklerin den biri olup yüzey hakkında çabuk fikir• veren bir tekniktir. Yüzey yükü, yüzey hidrofilitesi veya hidrofobitesi ve yüzey enerjisi,• parametreler hakkında kolayca fikir veren bir yöntemdir. Temas açısı ölçümleri• yüzeye damlatma (duragan veya hareketli damlatma) teknigi ile gerçeklestirilmistir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 40. Atomun çekirdek yükü• Atomun çekirdek yükü ne kadar fazla ise fotoelektronların kinetik enerjisi o kadar azalır.• Örneğin bir metal atomu pozitif bir iyon oluşturmak üzere bir ya da daha çok elektron kaybettiğinde, çekirdekteki yük miktarı elektron sayısından daha fazla olur. Çekirdek, elektronları daha yakına çeker ve bunun sonucu olarak, katyonlar kendisini oluşturan atomlardan daha küçüktürler. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 41. XPS ile Türleme Yapabilmek Mümkündür• Fe+2, Fe+3 gibi, elementlerin yükseltgenme durumlarının kantitatif olarak belirlenmesi, farklı değerliğe sahip atomların dahi -Si0 ve Si4+da olduğu gibi- ayrılması Kimyasal Kayma ile mümkün olmakta bu nedenle bir örnekte birden fazla yükseltgenme basamağında bulunabilen elementler varsa XPS’in türleme yapabilmesi mümkün olmaktadır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 42. Kimyasal Kayma• Atomun bulunduğu bileşikte elektron yogunluğunu etkileyen faktörlerin neden olduğu farklılıklar, elektronun ölçülen kinetik enerjisini değiştirir.• Aynı elementin aynı tür elektronu için gözlenen bu degisiklikler, elektronun farklı çevrelerde farklı bağlanma enerjilerine sahip olmasından kaynaklanır.• Bağlanma enerjilerinde ölçülen bu farklılıklar “kimyasal kayma” olarak adlandırılır.• Her bir elementin belli orbitalinden fırlatılan elektronlar için ölçülen Eb degerleri tablolardan bulunabilir.• Böylece kimyasal kayma degerleri nitel analiz amacı ile kullanılabilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 43. Kimyasal Kayma• XPS tayfı (spektrumu) elementin kimyasal çevresi ve yükseltgenme durumu hakkında bilgi verir.• Farklı kimyasal çevrelerle ilişkili atomlar, kimyasal kayma olarak adlandırılan düşük farklılıkta bağlanma enerjisine sahip enerji pikleri üretirler.• Enerjisi birbirine yakın olan ayrı kimyasal durumlar, her bir durumun içeriğini yüzde olarak veren pik saptama programları kullanılarak birbirinden ayrılır.• Birden fazla yükseltgenme basamağında bulunabilen, örneğin Fe+2, Fe+3 gibi, elementlerin yükseltgenme durumlarının kantitatif olarak belirlenmesi bu sayede gerçekleştirilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 44. Kimyasal Kayma ve metalik ve oksit demir yapıları Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 45. Aluminyum Oksit Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 46. Kimyasal Kayma Örnekleri Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 47. Ayni örnekte değişik karbonbileşiklerinin analizinde XPS Kullanımı Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 48. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 49. Altın ve bileşiklerini kimyasal kayma enerjileri ve Tablolar Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 50. Bağlanma Enerjisi – Kimyasal Kayma• Bağlanma enerjisi gerek çevresel etkenlere gerekse karakteristik özelliklere bağlı olduğu için, X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi sayesinde numunenin yüzeyi hakkında nitel ve nicel bilgiler elde edilebilir.• Hatta, farklı değerliğe sahip atomların dahi -Si0 ve Si4+da olduğu gibi- ayrılması mümkündür.• Ayrıca, tepe alanları karşılaştırılarak nicel bilgi elde etmek de mümkündür. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 51. Yüzey bir foton kaynağıyla X ısınlarına maruz bırakılır• Bildiğimiz gibi yüzey atomlardan oluşur. Bir atomun çekirdeği etrafında elektronlar kendi orbitallerinde farklı enerjilere sahiptirler.• XPS sisteminde, yüzey bir foton kaynağıyla X ısınlarına maruz bırakılır ve bu ışınlar elektronların yörüngelerinden çıkmasına sebep olur (fotoelektronlar). Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 52. Bağlanma Enerjisi• Bağlanma enerjisi, her bir elementin her bir elektronu için belli bir değere sahiptir ve bu nedenle o elementin belirlenmesinde kullanılabilir.• Ayrıca bağlanma enerjisinin değeri, örnek maddesinde bulunan bir elementin yükseltgenme sayısına da ve o örnek maddesinin bulunduğu kimyasal çevreye de bağlıdır.• Böylece, bağlanma enerjisinin ölçümü ile maddede bulunan belli element hakkında oldukça ayrıntılı bilgi edinmek mümkündür. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 53. Bağlanma enerjisi Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 54. Bağlanma enerjisi• Bağlanma enerjisi, fotoelektron atomu terkettikten sonraki başlangıç ve sonuç halleri arasındaki enerji farkı olarak tanımlanmaktadır.• Her bir elementin kendine ait bağlanma enerjisi olmasından ötürü XPS yüzeydeki elementlerin konsantrasyonunun hesaplanması ve ayırdedilebilmesi için kullanılır.• Elementel bağlanma enerjilerinde meydana gelen değişimler (kimyasal kaymalar); kimyasal potansiyeller ve bileşiklerin polarizlenmesinden dolayı meydana gelen farklardan doğar.• Bu kimyasal kaymalar yardımı ile numunenin kimyasal yapısı tanımlanır ve analiz edilebilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 55. Bağ Enerjisi• Bağ enerjisi, elementel elektronun koptuğu orbitale ve elementin kimyasal haline bağlıdır.• Bu yüzden, bağ enerjisi her bir elektron için kendine özgü spesifik bir özelliktir.• XPS sistemi de, bu spesifik bağ enerjilerini kullanarak, yüzeylerin kimyasal kompozisyonunu kalitatif ve kantitatif olarak ölçümünü gerçekleştirir Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 56. Bağ Elektronları• Fotoelektronların enerjisi bağ elektronlarının durumuna göre bir miktar değişebilir.• Bağ elektronları çekirdeğin etkin yükünü bir parça değistirmesi nedeniyle K ve L tabakasında bulunan elektronlar üzerindeki çekim kuvvetini de etkiler.• Bu sebeple fotoelektronun kinetik enerjisi atomun bağ elektronlarının durumu ile alakalıdır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 57. Bağlanma enerjisi• elektronun bağlanma enerjisi; Eb Eb = hʋ–Ek–w• eşitliğinden hesaplanır.• Burada w spektrometrenin iş fonksiyonudur yani elektrostatik ortam için düzeltme faktörüdür. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 58. Bağlanma Enerjisi• Örneğin yüzeyine gönderilen x-ışını fotonlarının bir kısmı yüzeydeki elektronların bağlanma enerjisini (Eb) yenmek için kalan enerji ise elektronların kinetik enerjisi olarak ortaya çıkar. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 59. Bağlanma enerjisi• X-ışını yüzeye gönderildiğinde X-ışını demeti fotonlarından biri Eb enerji seviyesinden bir elektron koparır.• Bu olay; A + hʋ → A+* + e–• şeklinde yazılabilir.• Burada A; atom, molekül veya iyon, A+*; elektronik olarak uyarılmış ve pozitif yükü olan A iyondur. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 60. Analizör ile fotoelektronların enerjileri ölçülür• Sistem içerisinde bir analizör ile bu fotoelektronların kinetik enerjileri ölçülür.• Elektronların bağ enerjileri ve kinetik enerjileri fotonların toplam enerjisini oluşturur: BE = hv – KE (BE: Bag Enerjisi, hv: Toplam enerji, KE: Kinetik Enerji) Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 61. Kimyasal analiz için elektron spektroskopisi• Atom yada moleküllerin x-ısını bombardımanı sırasında, atomdan yada molekülden fırlatılan elektronun kinetik enerjisinin ölçülmesi, elektron spektroskopisinin temelidir.• Fırlatılan bu elektronlar, atomların iç kabuklarından birinden çıktıgı için, bu olay sırasında olusan iyon, uyarılmıs bir iyondur.• X-ısınları ile gerçeklestirilmis bu tür elektron spektroskopisi türüne x-ısınları fotoelektron spektroskopisi (XPS) veya “Electron Spectroscopy for Chemical Analysis” ESCA denmektedir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 62. Argon Tabancası Kullanımı• XPS genellikle katı örneklerin yüzey analizlerinde kullanılır. Birçok maddenin iç kısımları ile yüzeyinin kimyasal yapısı farklı olabilir. Yüzey özellikleri ile maddenin iç kısımlarının yapısı aynı olan maddeler için, maddenin nitel analizi gerçeklestirilebilir.• Ancak yüzey ile iç kesimleri yapısı farklı olduğu durumda ise yüzey hızlandırılmıs argon iyonları ile bombardıman edilerek aşındırılır ve daha sonra iç kesimleri açığa çıkartılarak analizi yapılır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 63. Argon ile Bombardıman sonucunda oluşan Pozitif Yük• Elektron spektroskopisinin uygulandığı analizde, örnek maddesinin elektronlar ile bombardıman edilmesi sonucu oluşan pozitif yüklü iyonlardan dolayı yüzeyde bir pozitif yük birikmesi olur.• Bu birikim yüzeyden elektronların fırlatılmasını engelleyebilir veya fırlatılan elektronların kinetik enerjilerini azaltabilir.• Karakterize edilecek numunenin iletken olduğu durumda örnek ve spektrofotometre arasında bir temas kurulur.• Numunenin, elektriği iletmediği durumlarda ise, başka bir kaynaktan düşük enerjili elektronlar yüzeye gönderilerek yüzeyde pozitif yük birikimi önlenir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 64. Argon iyon tabancası• ESCA cihazı örnek yüzeyinin derinlik profilinin elde edilmesini sağlayan argon iyon tabancasıyla da donatılmıştır. Ayrıca, yük nötralizasyonu için elektron tabancası ünitesi de bulunmaktadır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 65. Argon Bombardımanı Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 66. Açı çözünürlüklü XPS• Eger ultra ince filmlerle ilgileniyorsanız, açı çözünürlüklü XPS (ARXPS) kullanılarak elementel ve kimyasal hal ölçümü, derinlige baglı olarak ölçülebilir ve bu ölçümde yüzeye hasar verilmez.• grafikte yüksek film kütlesi analiz edilmistir ve silikon XPS spektrumu alınmıştır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  • 67. Kaynaklar• Dilek Çökeller, Aflatoksin tayini için plazma polimerzasyon yöntem ile kütle hassas immünosensör hazırlanması, Master tezi, Hacettepe Üniversitesi, 2006.• Aybüke A. İsbir, Bazı Dibenzo-bis-imino Podandların Camsı Karbon Ve Modifiye Camsı Karbon Elektrotta Elektrokimyasal Davranışlarının İncelenmesi, Doktora tezi, Ankara Üniversitesi, 2007. Prof.Dr. İbrahim USLU