MỤc lục I. TỔng quan về MÀng hóa dùng làm cảm biến khí (trang 1)
tải về 7.74 Mb.
|
- Điều hướng trang này:
- Phân tích thông tin ☻Định tính
- Detph profiling
- Phổ kế quang điện tử tia X (XPS)
- Ưu, nhược điểm của phương pháp
Nguyên tắc hoạt động: Chùm điện tử từ súng phóng điện tử (năng lượng khoảng từ 3-10 keV) được rọi tới mẫu,xảy ra hiệu ứng Auger và các điện tử Auger bứt ra khỏi bề mặt màng (các điện tử nằm dưới bề mặt khoảng từ 0.4-5nm).Các điện tử này sẽ bị làm lệch và lái cong quanh súng phóng để đến một khẩu độ nhỏ nằm ở phía sau CMA.Sau đó các điện tử này được thu nhận bởi một electron detector, qua bộ phận khuếch đại tín hiệu, sau đó tín hiệu được chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu điện trở, cho đồ thị là hàm của năng lượng . AES là kỹ thuật dùng để xác định xác định thành phần vật liệu, trạng thái liên kết hóa học bề mặt vật liệu Vì năng lượng chùm điện tử Auger thấp nên hầu hết hệ thống AES được đo ở độ chân không cao.Phải có những biện pháp ngăn chặn sự hình thành màng khí( do bị hấp thụ) trên bề mặt mẫu làm giảm hiệu suât chùm Auger.Cường độ các peak Auger là nhỏ trong hàm tổng phân bố năng lượng N(E).Chùm điện tử sơ cấp đến mẫu có thể xảy ra tán xạ đàn hồi và không đàn hồi.Có thể quan sát được phổ của các chùm thứ cấp bởi vì các điện tử này tán xạ đàn hồi với mẫu.Đối với những mẫu tinh thể các điện tử này mang theo các thông tin về cấu trúc tinh thể, nó được khai thác trong kỹ thuật nhiễu xạ năng lượng điện tử thấp và phản xạ năng lượng điện tử nhiễu xạ thấp.Ở những năng lượng nhỏ hơn có các peak nhỏ hơn thì sẽ được khai thác trong kỹ thuật đo phổ năng lượng thấp.Cuối cùng là những phổ có peak rộng tương ứng với chùm điện tử thứ cấp.Các peak của chùm Auger bị chồng chập trong sự phân bố năng lượng này .Để các peak trở nên rõ ràng hơn bằng phép so lấy vi phân phổ để loại bỏ miền phổ nền rộng.
Phân tích thông tin ☻Định tính + Nhận biết các nguyên tố: phổ AES rộng (0-2000 eV) .Những năng lượng có peak lớn trong phổ sẽ được so sánh với các giá trị năng lượng của nguyên tố ⟹ nhận biết nguyên tố. + Các hiệu ứng hóa học: các peak AES bao hàm các điện tử hóa trị sẽ cho ta biết thông tin về trạng thái hóa học của bề mặt.Các hiệu ứng hóa học xuất hiện khi có sự dịch chuyển đơn giản các đỉnh phổ, sự thay đổi hình dạng peak, hoặc cả hai. ☻Định lượng:chùm điện tử tới đập vào bề mặt màng, xuyên vào với cả hai loại tán xạ đàn hồi và không đàn hồi, các nguyên tử ở độ sâu từ 1-2μm phụ thuộc vào mật độ của vật liệu.Do đó phân tích định tính từ các tín hiệu AES phụ thuộc vào nồng độ trung bình của các nguyên tố và sự phân bố ở các lớp nguyên tử đầu trên bề mặt.Khi chiếu chùm điện tử có đường kính d, năng lượng Ep cho dòng Auger dich do quá trình dịch chuyển ABC của nguyên tố x, được xác định bởi: 
Trong đó Ip(E,Z) là mật độ dòng điện tử kích thích; σx(E,EA) là tiết diện ion hóa của lớp sâu bên trong (A); Nx(Z) là mật độ nguyên tử của nguyên tố x ở độ sâu Z tính từ bề mặt; exp(Z/λ) là xác suất thoát điện tử Auger, λ là quãng đường tự do trung bình của điện tử,và là một hàm của Z; ϒx(ABC) là nhân tố xác suất dịch chuyển Auger. Để đơn giản , giả sử các thành phần hóa học là đồng nhất tại 1 vị trí Z xác định, thì xác suất thoát điện tử là đáng kể,do đó: 
Trong đó IB(E,Z) là mật độ do tán xạ ngược điện tử sơ cấp. Vậy Ix(ABC) được tính: 
Trong đó RB là nhân tố tán xạ ngược, T là năng lượng, phụ thuộc sự truyền qua của máy phân tích. +phép đo các tiêu chuẩn ngoài + Phép đo các nhân tố của nguyên tố nhạy Đo nồng độ C của nguyên tố x:
Ix: cường độ tín hiệu Auger; Si: độ nhạy tương đối của nguyên tố tinh khiết i. Ứng dụng của nó là loại trừ các tiêu chuẩn và sự không nhạy đối với bề mặt gồ ghề. ☻ Detph profiling: là ứng dụng quan trọng của AES vì nó cung cấp phương thức thuận lợi để phân tích bề mặt của màng mỏng. Ứng dụng của AES Sử dụng phương pháp AES có thể phân tích các hiện tượng :hấp thụ, giải hấp,sự tách bề mặt từ vật liệu khối,đo hiệu suất khuếch tán, các hoạt động xúc tác trên bề mặt. Các tính chất hóa học như ăn mòn, quá trình oxi hóa, các hoạt động xúc tác và các tính chất cơ học như độ bám dính, độ biến dạng,bề mặt rạn nứt ..tùy thuộc vào tính chất bề mặt. Ưu , nhược điểm
Phổ kế quang điện tử tia X (XPS) Là kỹ thuật xác định thành phần các nguyên tố, công thức thực nghiệm, trạng thái hóa học, trạng thái điện tử của các nguyên tố trong vật liệu. Cấu tạo: gồm các bộ phận chính sau + Nguồn phát tia X + Buồng chân không cao làm bằng thép chống rỉ + Bộ thấu kính tập trung điện tử + Máy phân tích năng lượng điện tử + Kim loại Mu(hợp kim Ni-Fe) chắn từ trường + Hệ thống detector điện tử + Gía để mẫu 
Hình 8: sơ đồ nguyên lý XPS b.Nguyên lý hoạt động: dùng chùm tia X có năng lượng hν (cỡ 1 keV) bắn lên màng mỏng. Dưới tác dụng của năng lượng này điện tử của nguyên tử trong vật liệu cần phân tich bị kích thích và thoát ra khỏi bề mặt vật liệu đó. Trung bình các điện tử thuộc nguyên tử/ phân tử nằm dưới bề mặt khoảng 30A0 có thể bị bứt ra khỏi nguyên tử. Động năng của các điện tử thoát ra khỏi vật liệu đúng bằng năng lượng hν mà chúng nhận được và chính là năng lượng liên kết của điện tử. c. Phân tích phổ: trên đồ thị XPS, trục hoành là năng lượng liên kết (năng lượng tia X được quét). Trục tung là cường độ lấy theo đơn vị tương đối. Điều này giúp ta dễ phân tích : các đỉnh phổ năng lượng phản ánh giá trị của năng lượng liên kết của điện tử trong nguyên tử/phân tử. Do năng lượng liên kết của các phân tử đơn khác năng lượng liên kết của các nguyên tử đó trong phân tử ( ví dụ Si đơn tinh thể khác với Si trong SiO2), cho nên XPS là phương pháp phân tích được cấu trúc điện tử trong liên kết, từ đó xác định thành phần nguyên tố và các thông tin về trạng thái hóa học khác. Ưu, nhược điểm của phương pháp: Tất cả các mẫu vật rắn đều phân tích được, trừ các chất có áp suất tương đối cao. Tuy nhiên mẫu để phân tích bằng phương pháp này đòi hỏi rất khắt khe về độ sạch bề mặt, bởi vì các liên kết trên bề mặt mẫu cũng cho các đỉnh phổ XPS.Khi thực hiện phép đo phổ XPS đòi hỏi phải tiến hành trong điều kiện môi trường chân không rất cao hoặc chân không siêu cao (tương ứng áp suất dưới 10-9Torr). Trong trường hợp màng quá mỏng, ta sử dụng phương pháp gá mẫu nghiêng với góc lớn để tăng cường độ của các đình phổ phát ra từ mẫu cần phân tích. Hệ đo độ nhạy khí Cảm biến là thiết bị nhận tín hiệu hoặc sự kích thích từ đối tượng và chuyển thành tín hiệu điện. Trong kỹ thuật, cảm biến dùng để đo lực, trọng lực, áp suất,.., ngoài ra cảm biến có thể dò các loại chất khí :CH4, H2,..NO2,NO, CH3OH,C2H5OH..Vì vậy chế tạo cảm biến để kiểm tra nồng độ của chúng là vấn đề cần thiết. Trong các loại vật liệu dùng làm cảm biến khí thì loại vật liệu được quan tâm nhất là oxit bán dẫn ( ví dụ: SnO2 vì nó có tính trơ hóa học, tính ổn định nhiệt rất cao, giá thành rẻ). Cơ chế nhạy khí của oxit bán dẫn chủ yếu là xảy ra các phản ứng hóa học trên bề mặt, dẫn đến bề mặt của vật liệu thay đổi khi tương tác với các loại khí dò trong khoảng nhiệt độ từ 200-6000C. Sự thay đổi độ dẫn của cảm biến phụ thuộc vào từng loại khí cần dò, bản chất của vật liệu làm cảm biến và những chất phụ gia sử dụng để pha tạp vào vật liệu làm cảm biến.Để khảo sát một số tính chất có ảnh hưởng tới việc dò khí của màng gồm(kích thước hạt vi tinh thể, định hướng phát triển của màng, điện trở, độ dày màng,độ gồ ghề của bề mặt ta có thể sử dụng các phương pháp phân tích trên. Còn để khảo sát độ nhạy của màng ta sử dụng hệ đo độ nhạy khí Cơ chế nhạy khí: đối với màng nhạy khí, cơ chế hoat động dựa vào sự thay đổi điện trở của màng. Sự thay đổi này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, sự hấp thụ Oxi, sự giải hấp,… Quá trình dò khí được mô tả như sau: - Sự hấp thụ và khuếch tán những phần tử khí trên bề mặt oxit bán dẫn, điều này phụ thuộc nhiệt độ của môi trường. - Phản ứng của các phân tử khí dò và các phần tử bị hấp thụ hóa học trên bề mặt cảm biến. ☼ Độ nhạy: là tỉ lệ của điện trở mẫu đo trong không khí (khi chưa có khí dò)(Ra) với điện trở của mẫu trong môi trường có khí dò(Rg). + Đối với khí khử, Ra>Rg, độ nhạy được tính như sau:
+ Đối với khí Oxi hóa, Ra 
Ví dụ: màng SnO2 có hiện tượng khuyết Oxi nên tồn tại các ion Sn2+ chưa bị Oxi hóa hoàn toàn (ion Sn4+ đã bị Oxi hóa hoàn toàn). Các phân tử O2 sau khi hấp thụ vật lý có xu hướng oxi hóa các ion Sn2+ bằng cách lấy đi các cặp điện tử của chúng tạo thành Sn4+. Qúa trình này làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng và điện tích ở bề mặt màng. Qúa trình Oxi hóa ion Sn2+ chính là quá trình hấp thụ hóa học các phân tử O2: O2(g) + e- O-2ads O-2ads + e- 2O-ads 2O-ads + 2e- 2O2-ads Các oxi hấp thụ này thực hiện phản ứng Oxi hóa-khử với các chất khí của môi trường xung quanh làm thay đổi giản đồ năng lượng và độ dẫn điện của màng. Khi các khí khử tương tác với Oxi hấp thụ hóa học sẽ trả lại cho màng e-, làm tăng tính dẫn điện: CO+O-→CO2+e- C2H5OH+O-→CH3CHO+H2O+e- Các khí có tính oxi hóa rút đi các e- của Oxi hấp thụ hóa học, các Oxi này mất e- có khuynh hướng rút tiếp e- từ màng.Màng mất thêm điện tử và giảm độ dẫn điện: NO+O-2+e-→NO-2+O- NO2+O-2+2e-→NO-2+2O- b. Hệ đo độ nhạy khí: gồm những bộ phận chính : - Buồng chứa mẫu có thể tích 6710 cm3: buồng gồm có 2 cửa: 1 cửa dùng để đưa mẫu và bơm khí vào, 1 cửa có gắn một quạt hút dùng để hút khí ra. - Bếp nâng nhiệt: nhiệt độ cực đại của bếp 4000C. Bộ điều khiển nhiệt độ của bếp: giúp duy trì ổn định nhiệt độ của bếp trong quá trình đo. -Hệ hai mũi dò làm bằng Vonfram dùng để lấy tín hiệu điện trở của màng. -Đồng hồ vạn năng (VOM) dùng để đo điện trở của màng, giai đo các đồng hồ này thay đổi từ 200 Ω-2000MΩ. -Máy đo lưu lượng khí, dùng để kiểm soát lưu lượng khí cần dò vào buồng. -Pipet micro: để kiểm soát khí dò bơm vào buồng. ☻ Cách đo: Bước 1: đặt mẫu đã phủ điện cực lên bếp sao cho mũi dò tiếp xúc tốt với các điện cực của mẫu. Chọn nhiệt độ đo thích hợp.Đo điện trở mẫu khi chưa có khí dò, lấy giá trị ban đầu R0., Bước 2: đo điện trở mẫu khi có khí dò,có thể lựa chọn theo lưu lượng khí.Lần lượt lấy các giá trị điện trở theo nồng độ là Rx (x: vận tốc phun khí qua lưu lượng kế), rồi tính độ nhạy như sau: 
Thể tích khí dò tiêm vào (Vi) được tính toán theo nồng độ c(ppm) của khí theo công thức sau: 
Trong đó: Vk2 :thể tích một mol không khí tại một nhiệt độ T, áp suất 1atm; M: phân tử khối của khí dò; c(ppm): nồng độ phần triệu của khí dò; D: khối lượng riêng của khí dò. Màng nhạy khí tốt khi S lớn. IV.ỨNG DỤNG CỦA MÀNG NHẠY KHÍ Khaûo saùt söï aûnh höôûng cuûa noàng ñoä pha taïp Sb ñeán ñoä nhaïy khí: 
Noàng ñoä taïp chaát coù taùc ñoäng maïnh leân cöôøng ñoä nhöng khoâng laøm thay ñoåi caùc ñònh höôùng chính cuûa vaät lieäu. Khi noàng ñoä pha taïp Sb taêng ñeán 5% mol, maøng seõ coù ñònh höôùng tinh theå öu tieân (110) roõ raøng nhaát, vôùi cöôøng ñoä ñænh phoå cao. Vôùi vaät lieäu SnO2 thì maët (110) laø maët coù naêng löôïng beà maët thaáp nhaát, maø söï hình thaønh caáu truùc cuûa maøng seõ öu tieân phaùt trieãn maët coù naêng löôïng thaáp nhaát; neân caáu truùc tinh theå cuûa maøng seõ öu tieân phaùt trieãn maët (110). Каталог: Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu -> Semina%20tren%20lop Semina%20tren%20lop -> BÀi tập quang phổ laser trên lớp cao học quang đIỆn tử K18 Bài 1 tải về 7.74 Mb. Chia sẻ với bạn bè của bạn:
|
