Noise หรือ Peak ภาค ๒ (การทำวิทยานิพนธ์ภาคปฏิบัติ ตอนที่ ๗๒) MO Memoir : Saturday 24 October 255

เอกสารฉบับนี้แจกจ่ายเป็นการภายใน นำเนื้อหาลง blog เพียงบางส่วน
  

เนื้อหาในเอกสารนี้เกี่ยวกับการอ่านค่าสัญญาณว่าเป็น noise ของ base line หรือเป็นพีคสัญญาณ โดยใช้ตัวอย่างผลการวิเคราะห์ XPS (x-ray photoelectron spectroscopy)

เทคนิค photoelectro spectroscopy เป็นเทคนิคหนึ่งที่ใช้ในการวิเคราะห์คุณสมบัติของอะตอมที่อยู่บนพื้นผิว เทคนิคนี้ใช้การกระตุ้นตัวอย่างด้วยรังสีอัลตร้าไวโอเล็ต (ไม่ค่อยจะได้เห็นใช้กัน) หรือรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำ (พบเห็นตัวไป) แหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำที่ใช้กันคือโลหะ Al หรือ Mg
  

เมื่อรังสีเอ็กซ์พลังงานต่ำตกกระกับอะตอมของตัวอย่าง พลังงานของรังสีเอ็กซ์จะถ่ายทอดให้กับอิเล็กตรอนในชั้นวงโคจรต่าง ๆ ของอะตอม ถ้าพลังงานของรังสีเอ็กซ์นั้นสูงกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่อะตอมจับอิเล็กตรอนนั้นเอาไว้ อิเล็กตรอนนั้นก็จะหลุดออกมาจากอะตอมด้วยพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง (เท่ากับพลังงานของรังสีเอ็กซ์หักลบด้วยพลังงานที่ต้องใช้ในการเอาชนะแรงยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนตัวนั้นเอาไว้)
  

อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานี้เรียกว่า photo electron เป็นอิเล็กตรอนที่มีพลังงานต่ำ แม้ว่ารังสีเอ็กซ์จะสามารถซึมลึกลงไปในเนื้อตัวอย่าง แต่จะมีเพียงอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมที่อยู่ใกล้พื้นผิวเท่านั้น (ไม่เกิน 10 ชั้นอะตอม) ที่สามารถหลุดออกมาจากชิ้นตัวอย่างโดยไม่ถูกอะตอมที่อยู่รอบ ๆ จับเอาไว้ และจากการที่อิเล็กตรอนเหล่านี้มีพลังงานต่ำ โอกาสที่จะวิ่งจากตัวอย่างไปจนถึงตัวรับสัญญาณก็จะน้อยไปด้วย ดังนั้นการวิเคราะห์จึงจำเป็นต้องกระทำในภาวะที่เรียกว่า "สุญญากาศยวดยิ่ง - Ultra High Vacuum (UHV)) หรือที่ระดับความดันประมาณ 10^-10 mmHg หรือ 10^-8 Pa
   

รูปที่ ๑ รายละเอียดที่ผู้ทำการทดลองใช้ในการวัดตัวอย่างด้วยเครื่อง XPS ตรงนี้มีพิมพ์ผิดตรงที่คำว่า "blinding energy" ที่มีอักษร "l" เกินเข้ามา คำที่ถูกต้องคือ "binding energy" ที่แปลว่าพลังงานยึดเหนี่ยว อันที่จริงสิ่งที่เครื่องนี้วัดคือพลังงานจลน์ (kinetic energy) ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอม พอเอาไปหักออกจากพลังงานของรังสีเอ็กซ์ที่ใช้กระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกมา ก็จะได้ค่าพลังงานยึดเหนี่ยว
 

พลังงานจลน์ (kinetic energy) ของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น

- พลังงานของรังสีเอ็กซ์ที่ใช้ (ว่าใช้โลหะ Mg หรือ Al เป็นแหล่งกำเนิด)

- ชั้นวงโคจรของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา (ถ้ายิ่งเข้าใกล้นิวเคลียสก็จะมีพลังงานจลน์ที่ลดต่ำลง)

- ธาตุที่เป็นตัวให้อิเล็กตรอน และเลขออกซิเดชันของธาตุนั้น

- อะตอมอื่นที่อยู่ข้างเคียงอะตอมที่ให้ photo electron

แต่ในการรายงานผลการวิเคราะห์นั้นจะรายงานในรูปของพลังงานยึดเหนี่ยว (binding energy) คือเอาพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัดได้ไปหักออกจากพลังงานของรังสีเอ็กซ์ที่ใช้ในการกระตุ้น ถ้าพิจารณากันโดยใช้ค่าพลังงานยึดเหนี่ยวก็อาจรู้สึกได้ว่าดังนั้นผลการวิเคราะห์จึงไม่ควรขึ้นกับพลังงานรังสีเอ็กซ์ที่ใช้กระตุ้น ซึ่งสำหรับธาตุส่วนใหญ่ก็ดูเหมือนจะเป็นเช่นนั้น แต่เอาเข้าจริง ๆ แล้วมันก็มีความแตกต่างอยู่บ้างเหมือนกัน ทำให้เวลาเทียบผลการวิเคราะห์กับค่ามาตรฐานจึงจำเป็นต้องรู้ว่าใช้โลหะอะไรเป็นแหล่งกำเนิดรังสีเอ็กซ์
  

รูปที่ ๒ ผลการวัด XPS ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Pd บนตัวรองรับ TiO₂ สังเกตแกน x นะว่าค่าทางซ้ายจะมากกว่าทางขวา

รูปที่ ๓ ผลการวัด XPS ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ Pd บนตัวรองรับ TiO₂ ด้วยเครื่องเดียวกันกับรูปที่ ๒
 

ประโยชน์หนึ่งที่สำคัญของ XPS คือใช้วิเคราะห์เลขออกซิเดชันของธาตุและผลของอะตอมที่อยู่ข้างเคียง กล่าวคือสำหรับไอออนของธาตุเดียวกัน ไอออนที่มีเลขออกซิเดชันสูงกว่า (เป็นบวกมากกว่า) จะมีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงกว่า เช่น photoelectron ที่หลุดออกมาจากไอออน Ti⁴⁺ จะมีค่าพลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงกว่าที่หลุดออกมาจากอะตอม Ti⁰ สำหรับอะตอมที่สร้างพันธะโควาเลนซ์กับอะตอมข้างเคียงนั้น อะตอมข้างเคียงก็ส่งผลกระทบต่อพลังยึดเหนี่ยวของอะตอมนั้นด้วย ขึ้นอยู่กับว่าอะตอมข้างเคียงนั้นเป็นตัวดึงหรือจ่ายอิเล็กตรอน เช่นค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่หลุดมาจากอะตอมคาร์บอนของ -CH₂- (อะตอม C ที่อะตอมข้างเคียงเป็นอะตอม C และ H) จะต่ำกว่าค่าพลังงานยึดเหนี่ยวของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากอะตอมคาร์บอนของ -CCl₂ (อะตอม C ที่อะตอมข้างเคียงเป็นอะตอม C และ Cl โดย Cl ดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอม C ทำให้อะตอม C นั้นมีความเป็นขั้วบวก การที่จะดึงเอาอิเล็กตรอนให้หลุดออกมาจึงยากขึ้นไปอีก)
 

การระบุชื่อ photo electron ที่หลุดออกมาจากอะตอมนั้นจะใช้ชื่อธาตุและวงโคจรเป็นตัวกำกับ เช่น C 1s หมายถึงอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากวงโคจร 1s อะตอม C Pd 3d ก็หมายถึงอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากวงโคจร 3d ของ Pd สำหรับธาตุเบา อิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นอาจมาจากวงโครจรในสุด (เช่น O 1s) แต่สำหรับธาตุหนักแล้ว อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากหลุดออกมาจากวงโคจรชั้นกลาง ๆ

เนื้อหาส่วนต่อไปจากนี้อยู่ในไฟล์ฉบับ pdf