طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس – اصول و کاربردها
طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDXS) یک تکنیک تحلیلی مفید برای تشخیص ترکیب عنصری یک نمونه است که معمولاً همراه با تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی (SEM یا TEM) انجام می‌شود. این روش میکروآنالیز اشعه ایکس که طیف‌سنجی پراش انرژی (EDS) نیز نامیده می‌شود، نقشه‌برداری کیفی و کمی از عناصر موجود در یک لایه نازک را ممکن می‌سازد که در تحقیقات بر روی محصولات و تغییر فرمول مفید است.
تجزیه و تحلیل عنصری مواد در میکروسکوپ الکترونی
سه روش برای شناسایی عناصر موجود در یک نمونه در حین بررسی آن توسط میکروسکوپ الکترونی وجود دارد:
- طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS/EDX)، برای تجزیه و تحلیل انرژی گسیل اشعه ایکس از ماده پس از برهمکنش پرتو الکترون/اشعه ایکس با آن.
- طیف‌سنجی پراش طول موج (WDS)، که همتای طیف‌سنجی EDS است و تفاوت آن در استفاده از پراش پرتوهای ایکس بر روی کریستال‌های خاص برای تبدیل داده‌های به‌دست‌آمده به طول‌موج است. WDS با وضوح طیفی بسیار بهتر در مقایسه با EDS، از مشکلاتی مانند پیک‌ها و نویزهای کاذب در EDX جلوگیری می‌کند.
- طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS)، که توزیع انرژی الکترون‌ها را پس از برهمکنش غیرالاستیک با ماده تشخیص می‌دهد. EELS یک تکنیک دشوار است اما در مقایسه با EDX در اعداد اتمی نسبتا پایین بهتر عمل می‌کند و رزولوشن انرژی بالاتری دارد.
اصول طیف سنجی پراش انرژی اشعه ایکس
در تکنیک طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس، پرتوی از الکترون‌های شتاب‌دار (یا اشعه ایکس) به نمونه مورد مطالعه متمرکز می‌شود تا انتشار پیک‌های پرتو ایکس مشخصه از آن را تحریک کند (شکل ۱). هر عنصر در جدول تناوبی مجموعه‌های پیک مشخصه خود را در ناحیه اشعه ایکس دارد که برای تعیین وجود آن در نمونه استفاده می‌شود.
تولید اشعه ایکس از نمونه
هنگامی که یک نمونه با پرتوی از الکترون‌های پرانرژی بمباران می‌شود، ممکن است برخوردهای الاستیک یا غیرکشسانی الکترون-اتم رخ دهد. پراکندگی غیرالاستیک الکترون‌های فرودی از الکترون‌های مقید یا هسته اتم‌های موجود در ماده، منجر به تولید دو نوع پرتو ایکس می‌شود: پرتوهای ایکس تابش ترمزی (Bremsstrahlung) و پرتوهای X مشخصه.
- تابش ترمزی (Bremsstrahlung) اشعه ایکس با کاهش سرعت الکترون‌های پرتو فرودی توسط میدان الکتریکی اطراف هسته اتم‌ها در نمونه ایجاد می‌شود، در این حالت انرژی از دست رفته به عنوان یک تابش پرتو ایکس پیوسته، با انرژی هایی کمتر از انرژی پرتو الکترونی اولیه، ساطع می‌شود.
- پرتوهای ایکس مشخصه با تحریک اتم‌ها از حالت پایه انرژی آنها تولید می‌شود. از آنجایی که اتم ها مایل به بازگشت به حالت پایه خود هستند، انرژی جذب شده را به شکل فوتون هایی که در ناحیه پرتو ایکس قرار دارند منتشر می‌کنند.
قله‌های مشخصه اشعه ایکس
اتم‌های هر عنصر حاوی هسته‌ای است که از نوترون‌های خنثی و پروتون‌های با بار مثبت تشکیل شده است (تعداد پروتون‌ها عدد اتمی Z را مشخص می‌کند)، و بنا بر توصیف مکانیک کوانتومی، الکترون‌های با بار منفی در اوربیتال‌ها (پوسته‌ها) اطراف هسته به نام‌های K، L، M و غیره قرار دارند. الکترون‌های هر پوسته دارای انرژی یونیزاسیون خاصی هستند که برای هر عنصر متفاوت است.
پرتوهای X مشخصه با گذار الکترون بین لایه‌های الکترونی داخلی ایجاد می‌شوند. در ابتدا، یک الکترون از اوربیتال‌های داخلی، انرژی پرتو الکترونی فرودی را جذب می‌کند و به اوربیتالی با سطح انرژی بالاتر، که حالتی ناپایدار است، برانگیخته می‌شود.
سپس، جای خالی اوربیتال داخلی با یک الکترون از یک لایه بیرونی پر می‌شود و یک فوتون پرتو ایکس با انرژی برابر با اختلاف انرژی دو پوسته ساطع می‌شود، بنابراین اتم به حالت پایدارتر باز می‌گردد (شکل ۲).
طیف EDX و نقشه برداری عنصری
میکروآنالیز اشعه ایکس بر اساس انرژی‌های یونیزاسیون خاص هر پوسته (و زیر پوسته ها) برای هر عنصر است که منجر به انرژی متمایز فوتون پرتو ایکس تولید شده می شود که مشخصه عنصر مورد مطالعه است. برای مثال در اتم Si، انرژی یونیزاسیون پوسته K و L به ترتیب ۱.۸۴ و ۰.۱۰ کیلو الکترون ولت است. ثبت تعداد فوتون های مشخصه پرتو ایکس جمع آوری شده از هر عنصر از هر نقطه نمونه در طول یک زمان شمارش ثابت می‌تواند یک نقشه اشعه ایکس عنصری از نمونه ایجاد کند (شکل ۳).
قسمت‌های مختلف طیف سنج پراش انرژی اشعه ایکس
همه طیف‌سنج‌های EDX از چهار بخش اصلی تشکیل شده‌اند:
- منبع تحریک (پرتو الکترونی یا اشعه ایکس)، که در سیستم های SEM/STEM یا XRF استفاده می شود
- آشکارساز، برای تبدیل انرژی اشعه ایکس به سیگنال‌های ولتاژ
- پردازشگر پالس، برای اندازه‌گیری سیگنال‌ها
- تجزیه و تحلیل چند کاناله، برای نمایش داده‌ها
تفاوت طیف EDX در SEM و TEM
اصول اولیه تجزیه و تحلیل EDX در تصویربرداری SEM و TEM یکسان است، اگرچه با توجه به ساختار و ولتاژهای شتاب دهنده عملیاتی دو نوع میکروسکوپ، تفاوت هایی در عملکرد آشکارسازهای EDS وجود دارد.
ولتاژ شتاب‌دهنده: در تجزیه و تحلیل EDX در طول تصویربرداری SEM، باید از ولتاژ شتاب‌دهنده‌ای در حدود ۳۰ کیلو ولت برای اطمینان از تولید اشعه ایکس با انرژی مناسب استفاده شود. اما در تصویربرداری TEM از ولتاژهای شتاب‌دهنده بیشتر استفاده می‌شود که می‌تواند فوتون های پرتو ایکس با انرژی بالاتر مربوط به خطوط K و L را برای شناسایی عنصری پدید آورد.
رزولوشن فضایی: وضوح فضایی در تجزیه و تحلیل EDX به شدت به حجم برهمکنش پرتو الکترونی فرودی بستگی دارد. این فاکتور تحت تأثیر ولتاژ شتاب‌دهنده و عدد اتمی نمونه (Z) قرار دارد. وضوح فضایی و وضوح عمق EDS در SEM حدود چند میکرون است، در حالی که در تصویربرداری TEM از پرتوهای الکترونی با انرژی بالاتر برای نفوذ به فویل های نازک نمونه استفاده می‌شود که منجر به وضوح فضایی بهتر، حدود ۱۰-۲۰۰ نانومتر، بر اساس ضخامت نمونه می‌شود.
حد تشخیص: حد تشخیص تجزیه و تحلیل EDX در محدوده ۰.۱-۰.۵ درصد وزنی در SEM است و به ترکیب نمونه بستگی دارد، اما حساسیت آنالیز در تجزیه و تحلیل عناصر کمیاب را از دست می دهد. درحالی که در TEM می‌توان به حد تشخیص تقریباً ۰.۰۱-۰.۱ درصد وزنی برای EDX دست یافت.
آماده سازی نمونه برای تجزیه و تحلیل EDX
روش معمول آماده‌سازی نمونه برای طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس کیفی ممکن است شامل چندین مرحله باشد. روش‌های مورد استفاده تقریباً مشابه آماده‌سازی نمونه برای SEM/TEM و شامل مراحلی همچون: برش‌کاری، پرداخت (در آنالیز EDX بهتر است سطح نمونه صیقلی و صاف باشد)، دهیدراسیون، تثبیت، اعمال پلاسما برای از بین بردن آلودگی ها و پوشش‌دهی با یک لایه نازک از مواد مناسب مانند فلزات یا کربن برای بهبودرسانایی نمونه (در صورت تصویربرداری از نمونه غیر رسانا) است.
علاوه بر این، نمونه‌های بیولوژیکی مراحل آماده‌سازی گسترده‌ای را قبل از تجزیه و تحلیل EDX پشت سر می‌گذارند که ممکن است تداخلات زیادی در طیف نهایی انرژی پرتو ایکس را وارد نماید.
پوشش‌دهی نمونه‌های EDX
باردار شدن سطح نمونه توسط الکترون‌های پرتو فرودی در حین تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی و آنالیز EDX می‌تواند انرژی الکترون‌های پرتو فرودی را تحت‌تاثیر قرار دهد. برای جلوگیری از تجمع بار سطحی، لایه‌نشانی نمونه با انتخاب دقیق مواد و ضخامت برای پوشش‌دهی مرحله‌ای بسیار مهم است. با این حال، ماهیت شیمیایی مواد پوشش باید به دقت در نظر گرفته شود تا از هم‌پوشانی پیک‌های مشخصه اشعه ایکس حاصل از نمونه و لایه پوشش جلوگیری شود.
ضخامت لایه
یک لایه نازک با ضخامت کافی برای حل مشکل باردارشدن سطح نمونه ممکن است انرژی پرتو الکترون فرودی را کاهش دهد و فوتون‌های اشعه ایکس ساطع شده را جذب کند. بنابراین برای به حداقل رساندن اتلاف انرژی پرتو الکترون اولیه و جذب اشعه ایکس در داخل نمونه و به حداکثر رساندن بازده شار پرتو ایکس، نازکترین پوشش روی یک نمونه برای آنالیز EDX، بهترین پوشش است. همچنین، پوشش نازک تر منجر به تحریک کمتر اشعه ایکس از مواد لایه پوششی می‌شود. اگر لایه‌های نازکی از کربن، آلومینیوم، طلا و طلا-پالادیوم با ضخامت ۱۰-۵ نانومتر روی نمونه پوشانده شوند، اتلاف انرژی پرتو الکترونی فرودی بر نتیجه تأثیر چندانی نمی‌گذارد.
پارامترهای مواد مورد لایه‌نشانی
انتخاب ماده مناسب برای پوشش‌دهی نمونه برای آنالیز EDX به دلیل پارامترهای متعددی مانند ضریب جرمی تضعیف تابش و تداخل پس‌زمینه و پرتو ایکس مشخصه از ماده پوششی و نمونه باید با دقت مورد توجه قرار گیرد.
ضرایب جرمی تضعیف تابش
ضریب جرمی تضعیف تابش -یا همان ضریب جذب- برای خطوط اشعه ایکس، یکی از پارامترهای کلیدی است که باید مورد توجه قرار گیرد. این ضریب برای خطوط اشعه ایکس در محدوده انرژی (keV) 0.5 تا ۱.۵ برای هر عنصر متفاوت است. در میان مواد پوششی برای آنالیز EDX، آلومینیوم دارای کمترین ضریب جرمی تضعیف تابش پرتو ایکس است و پس از آن به ترتیب کربن، طلا و طلا/پالادیوم قرار دارند.
در ناحیه بالای (keV) 1.5، ضریب تضعیف تابش کربن کمتر از Al، Au و Au/Pd است. با این حال، از نظر هدایت الکتریکی و حرارتی، طلا بهترین است، و آلومینیوم و کربن در رتبه های بعدی قرار دارند. به نظر می رسد که آلومینیوم به دلیل خواص فیزیکی آن برای استفاده در آنالیز در محدوده طول موج‌‌های پرتو ایکس ۰.۸-۴ نانومتر ایده آل است، در حالی که کربن در خارج از این منطقه ترجیح داده می‌شود.
تداخل خطوط اشعه ایکس نمونه و لایه پوششی
خطوط مشخصه پرتو ایکس L و M فلزات سنگین مانند Au، Pd، Pt و غیره ممکن است با خطوط K عناصر سبک در نمونه هم‌پوشانی داشته باشند.
تابش اشعه ایکس پس زمینه
انتشار اشعه ایکس از مواد لایه پوششی می‌تواند تابش پس زمینه طیف اشعه ایکس را تقویت کند که ممکن است دقت تجزیه و تحلیل کمّی EDX با تکیه بر تابش های پس زمینه را تضعیف نماید.
انتخاب ماده پوشش برای طیف سنجی اشعه ایکس پراکنده انرژی
پوشش‌های طلا و طلا/پالادیوم معمولاً در آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ الکترونی به منظور افزایش انتشار الکترون ثانویه و تصویربرداری بهتر EM استفاده می‌شوند، با این حال، تشعشعات پرتو ایکس مشخصه و پیوسته آنها با خطوط پرتو ایکس مواد مورد تجزیه و تحلیل EDS در نمونه به مقدار کم یا ناچیز هم‌پوشانی دارند. همچنین نمونه‌ای که متشکل از عناصری با عدد اتمی Z بزرگتر از ۱۰ باشد، برهمکنش لایه پوششی با پرتو و الکترون‌های پس پراکنده به دست آمده از نمونه می‌تواند منجر به تحریک تشعشعات ناخواسته از لایه پوششی شود.
طبق تحقیقات انجام شده، چهار عنصر، بریلیم، کربن، آلومینیوم و کروم به عنوان مواد پوشش‌دهنده در مطالعات تحلیلی کمّی EDX نامزدهای مناسبی هستند. خواص مهم این مواد و مزایا و معایب آنها در زیر مورد بحث قرار گرفته است.
بریلیم با دمای تبخیر پایین، خواص حرارتی و الکتریکی متوسط، تداخل ناچیز در خطوط مشخصه و زمینه اشعه ایکس، ماده مناسبی برای پوشش‌دهی است. با این حال، روش ها و اقدامات احتیاطی ایمنی باید برای جلوگیری از سمیت آن به کار گرفته شود.
کربن رایج ترین ماده برای پوشش‌دهی است و به نظر می‌رسد یک لایه نازک کربن باعث کاهش تجمع بار الکتریکی در نمونه می‌شود. کاربرد آسان و تأثیر اندک بر بازده پرتو ایکس از نمونه از مزیت پوشش‌های کربنی است. لازم به ذکر است که خواص الکتریکی نسبتاً ضعیف لایه‌های کربنی را می‌توان با استفاده از پوشش‌دهی کربن در محفظه خلاء بالا و استفاده از کربن کوترهای DCT و DCT-300 بهبود بخشید؛ این موضوع در مقاله تأثیر فشار نهایی محفظه بر لایه‌نشانی کربن مورد بحث قرار گرفته است.
با این حال، دمای بالای تبخیر کربن به راحتی می تواند باعث آسیب حرارتی به نمونه شود. پوشش کربن به طور گسترده‌ای برای پوشش بخش‌های فریزدرای شده و برای ایجاد یک لایه نازک رسانا به عنوان لایه پشتیبان استفاده می‌شود.
آلومینیوم دارای دمای تبخیر پایین، خواص الکتریکی خوب و ضریب جذب پایین است، اما به دلیل هم‌پوشانی پیک‌های اشعه ایکس و تداخل تابش با پس زمینه کلی در میکروآنالیز اشعه ایکس برای پوشش مواد عناصر سبک مناسب نیست. آلومینیوم به طور گسترده‌ای در پوشش لایه‌های پلاستیکی به عنوان لایه پشتیبان استفاده می‌شود.
کروم با دارا بودن خواص حرارتی و الکتریکی مناسب، برای جلوگیری از تجمع بار الکتریکی بر روی نمونه و جلوگیری از آسیب حرارتی ناشی از پرتو مطلوب است. همچنین دمای تبخیر پایین آن از آسیب حرارتی به سطح نمونه در حین لایه‌نشانی جلوگیری می‌کند. در مورد نمونه‌های بیولوژیکی، خطوط پرتو ایکس مشخصه کروم به اندازه کافی از خطوط مشخصه عناصر نمونه فاصله دارند، بنابراین مانعی در روند شناسایی ایجاد نمی‌کنند. با این حال، چگالی بالاتر پوشش‌دهی کروم موجب تضعیف پرتو و جذب اشعه ایکس ساطع شده در انرژی‌های پایین از نمونه‌ها، به ویژه نمونه‌هایی که از عناصر با عدد اتمی کم تشکیل شده‌اند، می‌شود؛ که یک اشکال جدی است.
روش‌های لایه‌نشانی
روش‌کار پوشش‌دهی عناصر ذکر شده با در نظر گرفتن اقدامات ایمنی در کار با بریلیوم نسبتاً آسان است. در مورد هر چهار ماده توصیه می‌شود با استفاده از روش‌های لایه‌نشانی بخار فیزیکی (PVD) مانند تبخیر حرارتی در خلاء بالا با استفاده از چرخش استاندارد نمونه یا چرخش سیاره‌ای نمونه پوشش داده شوند تا از پوشش صاف روی سطوح ناهموار نیز اطمینان حاصل شود. تمام دستگاه‌های لایه‌نشانی شرکت پوشش‌های نانوساختار همراه یک نمونه‌گیر با قابلیت چرخش تنظیم شونده و یا نمونه‌گیر چرخشی سیاره‌ای (در صورت انتخاب مشتری) برای دستیابی به یک پوشش یکنواخت روی نمونه‌ها عرضه می‌شوند.
محدودیت های طیف سنجی پراش انرژی
در تجزیه و تحلیل کمّی EDS محدودیت هایی وجود دارد که در زیر ذکر شده است:
- اتم های هیدروژن و هلیوم با اعداد اتمی (Z) 1 و ۲ دارای اشعه X مشخصه نیستند، بنابراین با تکنیک EDS قابل شناسایی نیستند.
- اشعه ایکس تولید شده از گذار اوربیتال K در اتم (Li, Z = 3) انرژی بسیار کمی دارد که توسط EDS قابل تشخیص نیست.
- مشکلاتی در تشخیص اشعه ایکس EDS از (Be, Z = 4) تا (Ne, Z = 10) وجود دارد که در ادامه ذکر شده است:
- جذب اشعه ایکس کم انرژی که از نمونه عبور می کند.
- شکل و موقعیت پیک‌های اشعه ایکس شناسایی شده ممکن است در ترکیبات مختلف تغییر کند، زیرا همان الکترون‌های ظرفیتی که در پیوند شیمیایی عنصر دخیل هستند، پیک‌های پرتو ایکس مشخصه را نیز ایجاد می‌کنند.
- تجزیه و تحلیل جامع نمونه‌های حاوی آب یا کربنات به لحاظ ساختاری را نمی‌توان از طریق EDS بدست آورد.
- تحلیل EDS اطلاعاتی در مورد وضعیت ظرفیت کاتیون های پیوند اکسیژن برای محاسبه استوکیومتری اکسیژن ارائه نمی دهد.
- اگر نمونه حاوی کربن باشد، باید یک ماده پوشش‌دهی متفاوت از کربن برای لایه‌نشانی انتخاب شود، در غیر این صورت نمی‌تواند با استفاده از EDX آنالیز شود.
شرکت پوشش‌های نانوساختار انواع دستگاه‌های لایه‌نشانی SEM تحت خلاء پایین و بالا مانند لایه‌نشان مگنترون اسپاترینگ (DSR1 و DST1)، لایه‌نشان کربن (DCR و DCT) و تبخیرکننده‌های حرارتی (DTE و DTT) را ارائه می‌کند. تکنیک‌های چندگانه پوشش در لایه‌نشان‌های ترکیبی مانند DSCR، DSCT و DSCT-T در دسترس هستند.
شرکت پوشش‌های نانوساختار همچنین سیستم‌های لایه‌نشانی بزرگ را برای اهداف تحقیقاتی تولید می‌کند، مانند سیستم لایه‌نشانی کندوپاشی با هدف سه‌گانه (DST3) و لایه‌نشان دو هدفه ترکیبی با تبخیرکننده حرارتی (DST2-TG) که لایه‌نشانی ترکیبی را امکان‌پذیر می‌سازد. شرکت پوشش‌های نانوساختار همچنین قابلیت‌های مختلفی مانند کندوپاش RF، ولتاژ بایاس و هیتر زیرلایه و پلاسمای تخلیه درخشان را ارائه می‌دهد که برای تمیز کردن یا فعال نمودن سطح نمونه و زیرلایه قابل استفاده است.
برخی از دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء ما
منابع
-
-
- Pirozzi, Nicole M., Jeroen Kuipers, and Ben NG Giepmans. “Sample preparation for energy dispersive X-ray imaging of biological tissues.” Methods in Cell Biology. Vol. 162. Academic Press, 2021. 89-114.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Energy-dispersive_X-ray_spectroscopy
- Goldstein, J. I., Newbury, D. E., Echlin, P., Joy, D. C., Romig, A. D., Lyman, C. E., … & Lifshin, E. (1992). Coating and conductivity techniques for SEM and microanalysis. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis: A Text for Biologists, Materials Scientists, and Geologists, 671-740.
- https://www.intertek.com/analytical-laboratories/microscopy/edx/
- Scimeca, M., Bischetti, S., Lamsira, H. K., Bonfiglio, R., & Bonanno, E. (2018). Energy Dispersive X-ray (EDX) microanalysis: A powerful tool in biomedical research and diagnosis. European journal of histochemistry: EJH, 62(1).
- https://myscope.training/pdf/MyScope_EDS.pdf
- https://ywcmatsci.yale.edu/facilities/sem/sample-preparation
- Walck, S. (2013). Sample preparation considerations for X-ray EDS analysis in the physical sciences. Microscopy and Microanalysis, 19(S2), 2012-2013.
-