ای دکس

مقدمه
عناصر دارای مشخصات متنوعی هستند که برای تعیین هر کدام از آن‌ها، ابزار و وسایل دقیقی مورد نیاز است. روش‌های شناسایی میکروسکوپی، ساختاری، عنصری، پیوندی، کلاسیک و روش‌های تعیین مشخصات سطح از جمله روش‌های شناسایی هستند که بدین منظور به کار می‌روند. اساس برخی از این روش ها، برخورد الکترون با ماده است که نتیجه آن به صورت تصویر، طیف و یا گراف نشان داده می‌شود. با بررسی این نتایج، اطلاعاتی در مورد ابعاد، شکل، انواع پیوند و میزان تخلخل مواد به دست می‌آید. برخورد الکترون با ماده، شامل بر هم کنش‌های مختلفی است که یکی از آن‌ها، برانگیختگی الکترون‌های تراز داخلی ماده است. الکترون‌های برانگیخته‌شده از طریق الکترون اوژه و تولید پرتو X به حالت پایه بر می‌گردند که با اندازه‌گیری هر کدام از آن‌ها می‌توان برخی از ویژگی‌های ماده، نظیر شکل، اندازه، ساختار و ترکیب شیمیایی آن را به دست آورد. در پژوهش‌های مربوط به بررسی خواص مواد نانوساختار، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستگاه‌هایی است که بر اساس بر هم کنش الکترون با ماده کار می‌کند و در اغلب مطالعات، برای تعیین اندازه و شکل مواد نانوساختار از این میکروسکوپ استفاده می‌شود. روش‌های شناسایی که در میکروسکوپ‌های الکترونی استفاده می‌شوند، انواع مختلفی دارند که این روش‌ها عبارتند از: طیف‌سنجی الکترون اوژه (AES (Auger Electron Spectroscopy))، طیف‌سنجی تفکیک طول موج (WDS)، طیف‌سنجی تفکیک انرژی (EDS) و طیف‌سنجی کاهش انرژی الکترون (EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy)). از اطلاعات به دست آمده از این روش‌ها برای بررسی کمی و کیفی ترکیبات شیمیایی استفاده می‌شود. در این روش‌ها، آشکار سازی عناصر با عدد اتمی بالا به سهولت امکان پذیر است ولی در مورد عناصر با عدد اتمی پائین (به خصوص در غلظت‌های جزئی)، مشکل وجود دارد. در این مطالعه دو روش شناسایی WDS و EDS مورد مطالعه قرار گرفته‌است.

اساس کار سیستم‌های EDS و WDS
در سیستم EDS، نمونه به وسیله پرتو الکترونی بمباران می‌شود. در اثر برخورد الکترون‌ها به نمونه، برخی از الکترون‌های اتم از جای خودشان خارج می‌شوند. برای رسیدن اتم به حالت تعادل، الکترون از ترازهای بالاتر به محل خالی ایجاد شده مهاجرت کرده، جای خالی را پر می‌کند. برای انجام این عمل، الکترون‌های تراز بالاتر که دارای انرژی بیشتری هستند، باید بخشی از انرژی خود را از دست بدهند تا به سطح انرژی تراز جدید رسیده، پایدار شوند که در این حالت، انرژی به صورت پرتو X منتشر می‌شود. مقدار انرژی آزادشده به تراز‌هایی که الکترون از آن جدا شده و یا به آن مهاجرت کرده، بستگی دارد. از طرفی، اتم‌های هر عنصر در حین انتقال از ترازی به تراز دیگر، پرتو X (با مقدار انرژی منحصر به فرد) از خودشان ساطع می‌کنند. بنابراین با اندازه گیری مقدار انرژی پرتو X آزاد شده در حین بمباران الکترونی یک نمونه، می‌توان نوع اتم موجود در آن را مشخص نمود که نتایج آن به صورت یک طیف EDS نشان داده می‌شود.

این نمودار بر اساس میزان دریافت انرژی X از هر تراز انرژی رسم شده‌است. هر یک از پیک‌های نشان داده شده در این نمودار، به یک اتم خاص اختصاص دارد. پیک‌های با ارتفاع بیشتر به معنی غلظت بیشتر عنصر مورد نظر در نمونه است. نکته دارای اهمیت در خصوص طیف EDS، تفاوت در نوع پرتو X آزاد شده است. به طور مثال اگر الکترون از تراز L به تراز K مهاجرت کند، به پیک پرتو X آزاد شده، پیک K-Alpha و به پیک ناشی از رفتن الکترون از تراز M به تراز K پیک K-Beta می‌گویند.

روش کار سیستم WDS مشابه سیستم EDS است. در این سیستم از یک بلور تجزیه کننده پرتو X استفاده می‌شود که امکان تفرق طول موج‌های دلخواه را فراهم می‌کند. این عمل معمولا تحت شرایط خلا و برای کاهش جذب امواج رادیویی نرم موجود در هوا (فوتون‌های با انرژی پایین) انجام می‌شود و باعث افزایش حساسیت برای تشخیص عناصر سبک (عناصر بین بور و اکسیژن) می‌گردد. این سیستم برای تعیین ساختار و ترکیب شیمیایی مواد، بسیار حساس و دقیق است. لذا مانند سیستم EDS هر پیک نشانگر یک عنصر است.

کاربرد سیستم EDS
طول موج پرتو X تولید شده به جنس ماده مورد بررسی بستگی دارد و معیار مناسبی برای شناسایی شیمیایی مواد است. استفاده از سیستم EDS در میکروسکوپ الکترونی روبشی، نیازمند نمونه با ضخامت زیاد است. لذا در این روش، پرتو الکترونی در قسمت وسیعی از ناحیه مورد نظر نفوذ کرده، مقدار متوسطی را به دست می‌دهد که برای شناسایی ساختارهای ریز مناسب نیست.
مقادیر انرژی پرتو X به دست آمده از نمودار EDS، با مقادیر انرژی پرتو X استاندارد هر عنصر مقایسه می‌شود تا حضور عنصر موجود در نمونه و شناسایی کیفی نمونه صورت گیرد. با این روش، عناصر با عدد اتمی در محدوده بریلیم تا اورانیم می‌توانند شناخته شوند. سیستم EDS نمی‌تواند حضور عناصر با عدد اتمی کمتر از 5 را تشخیص دهد.
 از محدودیت‌های کاربردی سیستم EDS می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
• اندازه‌گیری شبه کمی نمونه‌هایی که مسطح، جلادار و یکنواخت نیستند، به راحتی قابل انجام نیست زیرا ناهمواری‌ها جلوی رسیدن فوتون‌های پرتو X به قسمت‌های گود را می‌گیرند؛ V در اندازه نمونه محدودیت وجود دارد؛
• نمونه باید قابل شناسایی در محیط خلا باشد
• برای عناصر با عدد اتمی کمتر از 5، به دلیل جذب فوتون‌های کم انرژی به وسیله پنجره‌ها، حساسیت کم است؛
• به دلیل کوچکی زاویه فضایی آشکارسازی، سرعت نسبتاً کم است؛
• وجود مشکلات ناشی از سرد کردن دائم آشکار ساز که موجب نیاز به شارژ دائمی نیتروژن مایع می‌شود؛
• در برخی نمونه‌ها، پیک‌های مزاحمی ایجاد می‌شوند که تشخیص این پیک‌های مزاحم نیاز به تحلیل مناسب یا بالابودن قدرت نرم افزار تحلیل‌کننده دارد؛
• در بررسی کیفی، خطوط کمتر از 200-100 الکترون ولت قابل آشکارسازی نیستند. زیرا علاوه بر در هم رفتن دو پیک مجاور، ارتفاع پیک‌ها از زمینه به راحتی قابل تشخیص نیست.