เทคนิค
X-ray
Photoelectron Spectroscopy (ชื่อย่อคือ
XPS)
หรือในฃื่อเดิมคือ
Electron
Spectroscopy for Chemical Analysis (ชื่อย่อคือ
ESCA)
ใช้รังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำ
(เส้น
Al
Kα
หรือ
Mg
Kα)
ฉายลงไปบนตัวอย่างที่เป็นของแข็ง
จากนั้นจึงทำการตรวจวัดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากตัวอย่าง
(ที่เรียกว่า
photoelectron)
ด้วยการที่รังสีเอ็กซ์ที่ใช้นั้นมีพลังงานต่ำ
พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นจึงไม่มาก
โอกาสที่อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมที่อยู่ลึกลงไปจากพื้นผิวจะหลุดออกมาจากตัวอย่างและวิ่งไปถึงตัวตรวจวัดได้นั้นจึงมีน้อย
ดังนั้นจึงถือได้ว่าอิเล็กตรอนที่ตรวจวัดได้นั้นเป็นอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมที่อยู่ที่ชั้นบนสุดของพื้นผิวหรืออยู่ใกล้กับพื้นผิว
(เอาเป็นว่าไม่น่าจะเกิด
10
ชั้นอะตอม)
รูปที่
๑ เครื่อง XPS
ประจำแลป
ถ้านับอายุถึงตอนนี้ก็น่าจะเกือบ
๒๐ ปีแล้ว
นอกจากนี้ด้วยการที่อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาได้นั้นมีพลังงานต่ำ
ทำให้พลังงานจลน์ของมันขึ้นอยู่กับเลขออกซิเดฃัน
(oxidation
state) ของอะตอมที่มันหลุดออกมา
กล่าวคือถ้าอะตอมที่อิเล็กตรอนหลุดออกมานั้นมีเลขออกซิเดชันที่สูง
(มีความเป็นประจุบวกมาก)
พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาก็จะต่ำกว่าตัวที่หลุดออกมาจากอะตอมที่มีเลขออกซิเดชันที่ต่ำกว่า
ประกอบกับการพัฒนาทางด้านเทคโนโลยีในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาทำให้ตัวเครื่องมีราคาที่ถูกลงและมีขนาดที่เล็กลง
ทำให้มีการนำเทคนิคนี้มาใช้ในการวิเคราะห์โครงสร้างอะตอมที่อยู่บนพื้นผิวตัวอย่างกันมากขึ้น
ในการรายงานผลนั้นเขามักจะรายงานกันในรูปค่า
"พลังงานยึดเหนี่ยว
(Binding
energy) ที่มีหน่วยเป็น
eV
(อิเล็กตรอนโวลต์)
ซึ่งคำนวณได้คร่าว
ๆ จากพลังงานของรังสีเอ็กซ์ที่ใช้
ลบด้วยพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัดได้
(อันที่จริงยังมีพารามิเตอร์อื่นเพิ่มเติมอีก)
กล่าวคือสำหรับอะตอมของธาตุเดียวกัน
อิเล็กตรอนที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงกว่าจะเป็นตัวที่หลุดออกมาจากอะตอมที่มีเลขออกซิเดชันที่สูงกว่า
เทคนิค
XPS
นี้ไม่จำกัดการใช้งานอยู่เพียงแค่สารประกอบไอออนิก
แต่ยังสามารถนำไปใช้กับการวิเคราะห์สารประกอบโควาเลนซ์ได้ด้วย
เช่นกรณีของสารอินทรีย์ที่มี
C
เป็นองค์ประกอบ
อะตอม C
ที่ต่ออยู่กับอะตอม
C
ด้วยกันก็จะให้
photoelectron
ที่มีพลังงานยึดเหนี่ยวต่ำกว่าของอะตอม
C
ที่ต่ออยู่กับอะตอมที่มีเลข
electronegativity
ที่สูงกว่า
เช่น C-OH,
C-Cl, C-F ในทำนองเดียวกันค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของ
photoelectron
ที่หลุดออกมาจากอะตอม
C
ของโครงสร้าง
-CH2Cl
ก็จะต่ำกว่าของตัวที่หลุดออกมาจากอะตอม
C
ของโครงสร้าง
-CHCl2
สิ่งสำคัญสิ่งหนึ่งที่ต้องคำนึงในการเตรียมตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์ด้วยเทคนิค
XPS
คือการสะเทินประจุของตัวอย่าง
(ที่เรียกว่า
grounding)
โดยเฉพาะตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้า
(เช่นพวกสารประกอบโลหะออกไซด์ต่าง
ๆ)
เพราะในระหว่างการวิเคราะห์นั้นจะมีการดึงอิเล็กตรอนออกจากตัวอย่าง
ทำให้ตัวอย่างมีความเป็นประจุบวก
ซึ่งถ้าไม่ทำการสะเทินประจุนี้ก็จะทำให้อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นมีพลังงานจลน์ลดลงได้
(ผลจากการที่ตัวอย่างมีความเป็นบวกเพิ่มมากขึ้นในระหว่างการวิเคราะห์
จึงออกแรงดึงมากขึ้นต่ออิเล็กตรอนที่จะหลุดออก)
ปํญหานี้ก็มีลักษณะเช่นเดียวกับการเตรียมตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน
ที่ตัวอย่างถูกระดมยิงด้วยลำอิเล็กตรอน
ทำให้ถ้าไม่ทำการระบายอิเล็กตรอนออกไปด้วยการให้ตัวอย่างนำไฟฟ้าได้
อิเล็กตรอนที่สะสมในตัวอย่างจะผลักให้ลำอิเล็กตรอนที่ยิงตามหลังมานั้นเบี่ยงเบนไป
ทำให้การเบี่ยงเบนที่เห็นนั้นเกิดจากการผลักกันของประจุแทนที่จะเป็นการตกกระทบชิ้นตัวอย่าง
การศึกษาด้านตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิพันธุ์ในปัจจุบันมีการนำเอา
XPS
มาใช้ในการวิเคราะห์เลขออกซิเดชันของอะตอมโลหะมากขึ้น
มีงานวิจัยหลายงานกล่าวถึงการปรากฏของไอออนบวกที่มีเลขออกซิเดชัน
"ต่ำลง"
จากที่ควรเป็น
และบางครั้งก็มีการอ้างว่าไอออนที่มีเลขออกซิเดชันที่ต่ำลงที่ตรวจพบนั้นทำหน้าที่เป็นแหล่งว่องไว
(active
site) ในการทำปฏิกิริยา
หรือทำให้โครงร่างผลึกเกิดความไม่สมบูรณ์แบบ
(ที่บางรายชอบเรียกว่าเป็น
defect)
และส่งผลทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาทำงานได้ดีขึ้น
แต่ถ้าศึกษางานวิจัยเกี่ยวกับการวัดด้วยเทคนิค
XPS
ให้กว้างขึ้นก็จะพบว่า
การปรากฏของไอออนบวกที่มีเลขออกซิเดชันต่ำลงจากเดิมนั้นมันสามารถเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการวัด
(คือไม่ได้มีมากับตัวอย่างแต่แรก)
โดยปัจจัยหลัก
๒
ปัจจัยที่ทำให้ไอออนบวกถูกรีดิวซ์ให้มีเลขออกซิเดชันที่ลดลงคือระยะเวลาที่ตัวอย่างได้รับรังสีเอ็กซ์และการระดมยิงพื้นผิวด้วยไอออนเพื่อทำความสะอาดหรือกำจัดอะตอมชั้นบนออกจากพื้นผิว
(ที่เรียกว่าทำ
ion
etching หรือ
ion
sputtering) ดังนั้นใน
Memoir
ฉบับนี้จะขอยกตัวอย่างบางตัวอย่างที่เกี่ยวกับผลของระยะเวลาที่ได้รับรังสีเอ็กซ์และการระดมยิงพื้นผิวด้วยไอออน
ที่ทำให้เกิดไอออนที่มีเลชออกซิเดชันที่ลำต่ำลง
๑.
ระยะเวลาที่ได้รับรังสีเอ็กซ์
ตัวอย่างที่เป็นสารประกอบโลหะออกไซด์นั้น
เวลาที่เรานำไปวิเคราะห์ด้วยเทคนิค
XPS
รังสีเอ็กซ์ที่ฉายลงไปจะซึมลึกลงไปในเนื้อตัวอย่าง
ในกรณีที่ตัวอย่างเป็นผงนั้นก็อาจถือได้ว่ารังสีเอ็กซ์ทะลุลงไปถึงทุกอะตอมของผงอนุภาค
อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากสารประกอบโลหะออกไซด์นั้นมีทั้งที่หลุดออกมาจากไอออน
O2-
และไอออนบวกของโลหะ
Mn+
แต่ด้วยการที่อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นมีพลังงานต่ำ
มันจึงถูกจับด้วยไอออนตัวที่อยู่ใกล้พื้นผิวกว่าได้ง่าย
ผลของการจับอิเล็กตรอนนี้ทำให้เห็นไอออน
Mn+
มีประจุที่ลดต่ำลง
(คือถูกรีดิวซ์)
และด้วยการที่ไอออน
O2-
สูญเสียอิเล็กตรอนออกไป
จึงทำให้มันมีโอกาสที่จะรวมตัวกันกลายเป็นแก๊ส
O2
และหลุดออกจากพื้นผิว
ซึ่งภาพโดยรวมคือการเห็นตัวอย่างนั้นถูกรีดิวซ์อันเป็นผลจากการได้รับรังสีเอ็กซ์
ดังเช่นกรณีของไอออน V5+
และ
W6+
ที่นำมาให้ดูในรูปที่
๒-๕
รูปที่
๒ บทความเกี่ยวกับการที่ไอออน
V5+
ถูกรีดิวซ์เป็น
V4+
ในระหว่างการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค
XPS
อันเป็นผลจากการฉายรังสีเอ็กซ์
กล่าวคือไอออน V4+
ที่ตรวจพบนั้นไม่ได้มีอยู่ในตัวอย่างแต่แรก
แต่เกิดขึ้นจากการได้รับรังสีเอ็กซ์
และเกิดมากขึ้นเมื่อได้รับรังสีเอ็กซ์นานขึ้นจน
V5+
แทบจะไม่เหลือเมื่อได้รับรังสีนาน
2
ชั่วโมง
รูปที่
๓ บทความเกี่ยวกับการที่ไอออน
V5+
ถูกรีดิวซ์เป็น
V4+
ในระหว่างการวิเคราะห์ด้วยเทคนิค
XPS
อันเป็นผลจากการฉายรังสีเอ็กซ์และการระดมยิงด้วยไอออน
Ar+
จากบทความที่ค้นเจอพบว่า
ปริมาณไอออนบวกที่ถูกรีดิซ์นั้นขึ้นอยู่กับ
ชนิดโลหะ พลังงานของรังสีเอ็กซ์
และระยะเวลาที่โดนรังสีเอ็กซ์
พลังงานของรังสีเอ็กซ์นั้นขึ้นอยู่กับการปรับแต่งค่ากระแสและความต่างศักย์ที่ตัวเครื่อง
ส่วนระยะเวลาที่ได้รับนั้นอาจขึ้นอยู่กับจำนวนรอบของการวัด
ที่ควรต้องทำซ้ำจนกว่าสัญญาณที่ได้จะมีค่า
signal
to noise ratio ต่ำสุด
ซึ่งตรงนี้คงพูดยากว่าต้องทำการวัดซ้ำกี่ครั้ง
การเกิดไอออนที่ถูกรีดิวซ์นั้นบางครั้งก็ยากที่จะเห็น
เว้นแต่จะนำพีคค่าพลังงานยึดเหนี่ยวมาทำการแยกพีค
(peak
deconvolution) เช่นในกรณีของรูปที่
๔ และ ๕
รูปที่
๔ รูปด้านซ้ายแสดงการเกิด
V4+
หลังจากตัวอย่างได้รับรังสีเอ็กซ์นาน
880
นาที
ส่วนรูปด้านขวาแสดงสัดส่วน
V4+
ที่พบเพิ่มมากขึ้นตามเวลาที่ได้รับรังสีเอ็กซ์
รูปนี้มาจากบทความในรูปที่
๓
รูปที่
๕ การปรากฏของไอออน W5+
หลังจากที่ตัวอย่าง
WO3
(ที่มีไอออน
W6+)
ได้รับรังสีเอ็กซ์นานขึ้น
ผลการทดลองนี้นำมาจากบทความในรูปที่
๒.
การระดมยิงพื้นผิวด้วยไอออน
การระดมยิงพื้นผิวด้วยไอออนเช่น
Ar+
ที่เรียกว่า
ion
etching หรือ
ion
sputtering นั้นเป็นการให้ไอออนพลังงานจลน์สูงพุ่งเข้ากระทบพื้นผิว
ทำให้อะตอมบนผิวหน้าพื้นผิวนั้นหลุดออกไป
เทคนิคนี้ใช้ทั้งเพื่อการทำความสะอาดพื้นผิวและศึกษาองค์ประกอบทางเคมีของตัวอย่างที่ระดับความลึกต่าง
ๆ กัน
แต่ด้วยการที่ไอออนออกซิเจนถูกกำจัดออกไปมากตั้งแต่เริ่มกระบวนการ
จึงทำให้เห็นปรากฏการณ์
ion-induced
reduction ได้ง่ายกว่ากรณีของการได้รับรังสีเอ็กซ์เพียงอย่างเดียว
เรียกว่าเริ่มเห็นปรากฏการณ์ดังกล่าวทันทีที่เริ่มกระบวนการเลยก็ได้
กล่าวคือในกรณีของรังสีเอ็กซ์นั้นต้องใช้เวลานานหลายชั่วโมงจึงจะเห็นได้ฃัดเช่นในรูปที่
๔ และ ๕ ที่ต้องใช้เวลานานหลายชั่วโมง
แต่ในกรณีของการทำ ion
etching สามารถเห็นการรีดิวซ์เกิดได้ทันทีแม้ว่าจะทำการ
etching
เพียงเวลาสั้น
ๆ คืออยู่ในระดับวินาที
ดังเช่นในรูปที่ ๖ ที่เห็นไอออน
V5+
หายไปเกือบหมดด้วยการทำ
ion
etching นานไม่ถึง
1
นาที
รูปที่
๖ ผลการทดลองของบทความในรูปที่
๓ ที่แสดงให้เห็นการที่ V5+
ถูกรีดิวซ์อย่างรวดเร็วจนหมดไป
ด้วยการทำ ion
etching นานไม่ถึง
1
นาที
บทความนี้ระบุเอาไว้ด้วยว่าการทำ
peak
fitting ด้วยฟังก์ชันที่มีความสมมาตรนั้นให้ผลออกมาไม่ดี
แต่ถ้าใช้ฟังก์ชันที่ไม่สมมาตร
(asymmetric
line shape) จะให้ผลที่ดีกว่าในระดับที่สูงกว่า
99%
และยังระบุด้วยว่างานด้าน
electron
spectroscopy มักจะใช้
asymmetric
line shape กันในการทำ
curve
fitting เรื่อง
line
shape นี้อ่านเพิ่เติมได้ที่
http://www.casaxps.com/help_manual/line_shapes.htm
รูปที่
๗ บทความนี้เป็นกรณีของตัวอย่าง
WO3
ที่แสดงปริมาณไอออน
W6+
ที่ถูกรีดิวซ์
โดยดูได้จากอัตราส่วน O/W
กล่าวคือยิ่งสัดส่วนนี้ลดลงแสดงว่าปริมาณไอออนออกซิเจนในตัวอย่างนั้นลดลง
หรือ W
มีเลขออกซิเดชันที่ลดต่ำลงนั่นเอง
ส่วนกราฟผลการทดลองนั้นดูได้ในรูปที่
๘
รูปที่
๘ ผลการทดลองของบทความในรูปที่
๗ ที่แสดงให้เห็นการหายไปของไอออน
W6+
และการเกิดขึ้นของไอออน
W5+
และ
W4+
ที่เพิ่มขึ้นเรื่อย
ๆ เมื่อเพิ่มเวลาการทำ ion
etching การแปลผลตรงนี้ต้องใช้การทำ
peak
deconvolution เข้าช่วย
แต่ทื้งนี้การเลือกลากแนวเส้น
base
line และการเลือก
distribution
function ก็มีความสำคัญในการทำ
deconvolution
เพราะถ้าเลือก
distribution
function
ไม่เหมาะสมแล้วจะพบว่าต้องใช้หลายพีคย่อยในการรวมให้ได้พีคใหญ่เพียงแค่พีคเดียว
ทำการแปลผลผิดเพี้ยนไปได้
เรื่องการแยกพีค XPS
นี้อ่านเพิ่มเติมได้ใน
Memoir
ปีที่
๑๑ ฉบับที่ ๑๖๖๖ วันอาทิตย์ที่
๑๐ กุมภาพันธ์ ๒๕๖๒ เรื่อง
"XPS
ตอน
การแยกพีค Mo
และ
W
(การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ
ตอนที่ ๙๙)"
ในบทความนี้ไม่ได้บอกว่าใช้
distribution
fucntion แบบไหนในการทำ
แต่ที่ดูจากรูปทรงของพีคแล้ว
(โดยเฉพาะในรูป
j
และ
k)
รู้สึกว่าหลายพีคเลยไม่น่าจะเป็น
Gaussian
function
รูปที่
๙ รูปนี้นำมาจากเอกสารเผยแพร่ของ
Kartos
ที่เป็นผู้ผลิตเครื่อง
XPS
ชั้นนำรายหนึ่งของโลก
(ที่มีชื่อ
Shimadzu
อยู่ก็เพราะ
Shimadzu
ได้ซื้อบริษัทนี้
แต่ยังเก็บชื่อเดิมเอาไว้เพราะมันติดตลาดมากกว่า)
เครื่อง
XPS
ที่ผมเคยใช้ที่นำมาให้ดูในรูปที่
๑ ก็เป็นเครื่องที่ผลิตโดยบริษัทนี้
ในบทความนี้แสดงให้เห็นถึงการทำ
ion
sputtering ด้วย
Ar+
ที่กำจัด
O2-
ออกจากตัวอย่างไปมากจนกระทั่ง
Ti4+
เดิมที่อยู่ในโครงสร้าง
TiO2
ถูกรีดิวซ์จนกลายเป็น
Ti2+
และ
Ti3+
ที่เห็นได้จากพีคของ
Ti4+
หายไปเกือบหมด
และเกิด broad
band ขึ้นทางด้านขวา
ที่น่าจะเกิดจากการเหลื่อมซ้อนทับกันของพีค
Ti2+
และ
Ti3+
อีกจุดหนึ่งที่อยากให้สังเกตคือความไม่เรียบของเส้นสีน้ำเงิน
(หลังจาก
sputtering)
ที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเส้นสีดำ
(ก่อนการทำ
sputtering)
ลักษณะเช่นนี้บ่งบอกว่าอาจมีการขยายสเกลแกน
y
ของเส้นสีน้ำเงินเพื่อให้เห็นพีคได้ชัดเจนขึ้น
ทำให้ noise
ของสัญญาณปรากฏชัดเจนขึ้นด้วย
ที่วันนี้เขียนเรื่องนี้ก็เพราะเมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมาในระหว่างชั่วโมงสัมมนานิสิตป.เอก
ผมได้ทักนิสิตคนหนึ่งที่มีการทำ
etching
ตัวอย่างของเขาก่อนวัด
XPS
ที่เขาพบว่าตัวอย่างที่เป็นโลหะออกไซด์นั้นมีส่วนที่เป็นโลหะอยู่ใต้พื้นผิวหลังการทำ
etching
ว่าสิ่งที่เขาเห็นนั้นอาจไม่ได้มีอยู่ตั้งแต่ต้นในตัวอย่างของเขา
แต่อาจเกิดจากการทำ etching
ที่เขาทำกับตัวอย่างการการวิเคราะห์
XPS
และเพื่อเป็นการสนับสนุนข้อทักท้วงของผม
ก็เลยต้องเขียนเรื่องนี้ออกมาเพื่อแสดงให้เห็นว่าไม่ได้ทักท้วงขึ้นมาลอย
ๆ แบบแกล้งหาเรื่องเท่านั้นเองครับ
เพราะแทบทุกเรื่องที่ผมทักไปมักไม่ได้รับความสนใจ
(อาจเป็นผลว่าผมไม่ได้เป็นกรรมการสอบพวกเขา)
แต่มันส่งผลต่อการตีความผลการทดลอง
หวังว่าบทความนี้คงพอช่วยให้ผู้อ่านรู้ทันผลงานวิจัยที่นักวิจัยนำเสนอได้บ้างไม่มากก็น้อย
ว่าการตีความนั้นมีการเข้าข้างตัวเองมากน้อยแค่ใด
รูปที่
๑๐ บทความนี้ศึกษาผลของการทำ
ion
etching ที่มีต่อการรีดิวซ์ไอออน
Fe3+
ให้กลายเป็น
Fe2+
อันเป็นผลจากการที่ตัวอย่างนั้นสูญเสียออกซิเจนออกไปมากกว่าการสูญเสียไอออนบวก
รูปที่
๑๑ XPS
spectra ของ
Fe
ที่รายงานไว้ในบทความในรูปที่
๑๐
รูปที่
๑๒ รูปนี้ก็ยังนำเอามาจากบทความในรูปที่
๑๐ แต่เป็นของโลหะ Ni
รูปที่
๑๓ อีกบทความที่ศึกษาผลของการทำ
ion
etching
ที่ไปทำให้ไอออนบวกของโลหะนั้นถูกรีดิวซ์ให้มีเลขออกซิเดชันที่ลดต่ำลง
รูปที่
๑๔ XPS
spectra ของโลหะ
Mo
ที่รายงานไว้ในบทความของรูปที่
๑๓
รูปที่
๑๕ บทความนี้รายงานการถูกรีดิวซ์ของไอออน
Ti4+
(ที่ถูกรีดิวซ์จนมีเลขออกซิเดชันเป็น
3+
และ
2+)
และของโลหะ
Ni
และ
Pb
(รูปที่
๑๖ และ ๑๗)
ซึ่งพบว่าระดับการถูกรีดิวฅซ์ยังขึ้นอยู่กับพลังงานของไอออนที่ยิงลงไปที่ตัวอย่าง
ซึ่งพบว่ามีการสูญเสียออกซิเจนเพิ่มเขึ้นเมื่อเพิ่มพลังงานไอออนที่ยิงใส่พื้นผิวนั้นให้สูงขึ้น
รูปที่
๑๖ XPS
spectra ของโลหะ
Ni
และ
Ti
จากบทความในรูปที่
๑๕
รูปที่
๑๗ XPS
spectra ของโลหะ
Pb
และ
Ti
จากบทความในรูปที่
๑๕