Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ระดับจุลภาค (Microanalytical Technique) ที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย ใช้สำหรับระบุชนิดและวิเคราะห์ปริมาณธาตุที่มีอยู่ในตัวอย่าง เมื่อนำไปใช้งานร่วมกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) หรือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านชนิดส่องกราด (STEM) ระบบ EDS สามารถสร้างแผนที่การกระจายตัวของธาตุ (Elemental Mapping) ภายในตัวอย่างได้ ด้วยความนิยมอย่างสูง เทคโนโลยี EDS จึงมีชื่อเรียกหลากหลาย เช่น EDS แบบดั้งเดิม, Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX หรือ EDXS) หรือบางครั้งเรียกว่า Energy Dispersive Analysis of X-rays (EDAX) การทำ Elemental Mapping ช่วยให้นักวิจัยสามารถมองเห็นตัวอย่างในรูปแบบสีสัน โดยบริเวณที่สนใจซึ่งอาจไม่สามารถสังเกตได้ด้วยภาพโครงสร้างปกติ จะปรากฏอย่างชัดเจน สามารถตรวจพบการปนเปื้อน (Contamination) หรือดึงข้อมูลสำคัญที่ช่วยทำความเข้าใจประวัติ การก่อตัว และคุณสมบัติระดับมหภาคของวัสดุได้ ทั้งหมดนี้เป็นเพียงบางส่วนของการประยุกต์ใช้งาน EDS หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคนิคอันทรงพลังนี้ และขอบเขตการใช้งานในงานวิจัยและอุตสาหกรรม สามารถอ่านรายละเอียดเพิ่มเติมได้ด้านล่าง
EDS ทำงานอย่างไร?
EDS ทำงานโดยการวัดพลังงานและความเข้มของรังสีเอกซ์ (X-rays) ที่ปล่อยออกมาจากตัวอย่าง เมื่อถูกกระตุ้นด้วยลำอิเล็กตรอนจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับประเภทของกล้องที่ใช้งาน หากใช้ร่วมกับ SEM จะเรียกว่า SEM-EDS และหากใช้ร่วมกับ TEM จะเรียกว่า TEM-EDS
ในระหว่างการวิเคราะห์แบบ EDS ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากกล้องจะทำปฏิกิริยากับอะตอมภายในตัวอย่าง การปฏิสัมพันธ์นี้ก่อให้เกิดผลหลายประการ หนึ่งในนั้นคือการดีดอิเล็กตรอนวงใน (inner-shell electron) ของอะตอมออกไป ทำให้เกิดตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอน (electron vacancy) จากนั้นอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากวงนอก (outer-shell electron) จะเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่
เมื่ออิเล็กตรอนจากวงนอกตกลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีเอกซ์
รังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้เรียกว่า Characteristic X-rays เนื่องจากค่าพลังงานของรังสีเอกซ์มีลักษณะเฉพาะสำหรับแต่ละธาตุ การตรวจจับและวัดค่าพลังงานของรังสีเอกซ์เหล่านี้จึงสามารถใช้ระบุได้ว่ามีธาตุใดอยู่ในตัวอย่าง และมีปริมาณมากน้อยเพียงใด
การตรวจจับและวัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจะดำเนินการโดยตัวตรวจจับชนิด SDD (Silicon Drift Detector) โดยในแต่ละพิกเซลของการวัด ระบบจะบันทึกค่าพลังงานและความเข้มของรังสีเอกซ์ จากนั้นซอฟต์แวร์จะใช้ฐานข้อมูลสเปกตรัม (spectral library) เพื่อระบุชนิดของธาตุจากค่าพลังงานของ Characteristic X-rays และคำนวณปริมาณจากค่าความเข้มที่วัดได้
EDS ทำงานโดยการวัดพลังงานและความเข้มของรังสีเอกซ์ (X-rays) ที่ปล่อยออกมาจากตัวอย่าง เมื่อถูกกระตุ้นด้วยลำอิเล็กตรอนจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับประเภทของกล้องที่ใช้งาน หากใช้ร่วมกับ SEM จะเรียกว่า SEM-EDS และหากใช้ร่วมกับ TEM จะเรียกว่า TEM-EDS
ในระหว่างการวิเคราะห์แบบ EDS ลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากกล้องจะทำปฏิกิริยากับอะตอมภายในตัวอย่าง การปฏิสัมพันธ์นี้ก่อให้เกิดผลหลายประการ หนึ่งในนั้นคือการดีดอิเล็กตรอนวงใน (inner-shell electron) ของอะตอมออกไป ทำให้เกิดตำแหน่งว่างของอิเล็กตรอน (electron vacancy) จากนั้นอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากวงนอก (outer-shell electron) จะเคลื่อนที่เข้ามาแทนที่
เมื่ออิเล็กตรอนจากวงนอกตกลงสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีเอกซ์
รังสีเอกซ์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการนี้เรียกว่า Characteristic X-rays เนื่องจากค่าพลังงานของรังสีเอกซ์มีลักษณะเฉพาะสำหรับแต่ละธาตุ การตรวจจับและวัดค่าพลังงานของรังสีเอกซ์เหล่านี้จึงสามารถใช้ระบุได้ว่ามีธาตุใดอยู่ในตัวอย่าง และมีปริมาณมากน้อยเพียงใด
การตรวจจับและวัดรังสีเอกซ์ที่ปล่อยออกมาจะดำเนินการโดยตัวตรวจจับชนิด SDD (Silicon Drift Detector) โดยในแต่ละพิกเซลของการวัด ระบบจะบันทึกค่าพลังงานและความเข้มของรังสีเอกซ์ จากนั้นซอฟต์แวร์จะใช้ฐานข้อมูลสเปกตรัม (spectral library) เพื่อระบุชนิดของธาตุจากค่าพลังงานของ Characteristic X-rays และคำนวณปริมาณจากค่าความเข้มที่วัดได้
รูปที่ 2a – อิเล็กตรอนที่พุ่งเข้ามาจากลำอิเล็กตรอนของกล้อง SEM ชนกับอิเล็กตรอนวงใน (inner shell electron) ของอะตอมภายในตัวอย่าง ส่งผลให้อิเล็กตรอนแกนใน (inner core electron) ถูกดีดออก และเกิดตำแหน่งว่างในวงอิเล็กตรอนชั้นใน (inner shell vacancy) ขึ้น
รูปที่ 2b – อิเล็กตรอนวงนอก (outer shell electron) เคลื่อนที่ลงมาแทนที่ตำแหน่งว่างในวงอิเล็กตรอนชั้นในที่เพิ่งเกิดขึ้น ระหว่างกระบวนการคลายตัวนี้ พลังงานส่วนต่างของการเปลี่ยนระดับพลังงานอิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาในรูปของรังสีเอกซ์ชนิดจำเพาะ (Characteristic X-ray) โดยมีพลังงาน hνh\nuhν ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานของการเปลี่ยนระดับอิเล็กตรอนดังกล่าว
Elemental Mapping คืออะไร?
Elemental Mapping เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแสดงผลและวิเคราะห์การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของธาตุภายในตัวอย่าง เทคนิคนี้ให้ภาพรายละเอียดว่าธาตุแต่ละชนิดกระจายตัวอยู่บริเวณใดบนพื้นผิวของตัวอย่าง ช่วยให้ผู้ใช้งานเข้าใจโครงสร้างและองค์ประกอบของวัสดุได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
แผนที่การกระจายตัวของธาตุ (Elemental Map) ถูกสร้างขึ้นจากข้อมูลธาตุแบบจุดต่อจุด (point-by-point) ที่เก็บรวบรวมระหว่างการวิเคราะห์ด้วย SEM-EDS หรือ STEM-EDS ภายในแผนที่ดังกล่าว ความเข้มของสัญญาณหรือระดับสีจะแสดงถึงความเข้มข้นของธาตุแต่ละชนิดในแต่ละตำแหน่ง
บริเวณที่มีความเข้มของสัญญาณสูง หรือแสดงผลเป็นสีสว่างกว่า หมายถึงมีความเข้มข้นของธาตุนั้นสูง ในขณะที่บริเวณที่มีความเข้มต่ำ หรือสีเข้มกว่า แสดงถึงความเข้มข้นที่ต่ำกว่า
กระบวนการสร้าง Elemental Map สามารถดูได้ในรูปที่ 3 โดยตัวอย่างนี้แสดงภาพแบบ HyperMap หรือที่เรียกว่า Spectral Image ซึ่งได้มาจากเทคนิค Hyperspectral Imaging
Elemental Mapping เป็นเทคนิคที่ใช้ในการแสดงผลและวิเคราะห์การกระจายตัวเชิงพื้นที่ของธาตุภายในตัวอย่าง เทคนิคนี้ให้ภาพรายละเอียดว่าธาตุแต่ละชนิดกระจายตัวอยู่บริเวณใดบนพื้นผิวของตัวอย่าง ช่วยให้ผู้ใช้งานเข้าใจโครงสร้างและองค์ประกอบของวัสดุได้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น
แผนที่การกระจายตัวของธาตุ (Elemental Map) ถูกสร้างขึ้นจากข้อมูลธาตุแบบจุดต่อจุด (point-by-point) ที่เก็บรวบรวมระหว่างการวิเคราะห์ด้วย SEM-EDS หรือ STEM-EDS ภายในแผนที่ดังกล่าว ความเข้มของสัญญาณหรือระดับสีจะแสดงถึงความเข้มข้นของธาตุแต่ละชนิดในแต่ละตำแหน่ง
บริเวณที่มีความเข้มของสัญญาณสูง หรือแสดงผลเป็นสีสว่างกว่า หมายถึงมีความเข้มข้นของธาตุนั้นสูง ในขณะที่บริเวณที่มีความเข้มต่ำ หรือสีเข้มกว่า แสดงถึงความเข้มข้นที่ต่ำกว่า
กระบวนการสร้าง Elemental Map สามารถดูได้ในรูปที่ 3 โดยตัวอย่างนี้แสดงภาพแบบ HyperMap หรือที่เรียกว่า Spectral Image ซึ่งได้มาจากเทคนิค Hyperspectral Imaging
รูปที่ 3: แผนที่การกระจายตัวของธาตุ (Elemental Map) ที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วย EDS บนกล้อง SEM พร้อมสเปกตรัมที่เกี่ยวข้องของจุดที่เลือก 3 ตำแหน่งภายในแผนที่ ข้อมูลดังกล่าวผ่านการประมวลผลด้วยซอฟต์แวร์ ESPRIT HyperMap
รูปที่ 4: แผนที่การกระจายตัวของธาตุ (Elemental Maps) ที่ได้จากการวิเคราะห์ด้วย EDS บนกล้อง SEM ซึ่งถูกซ้อนทับ (overlay) บนภาพ SEM ขนาดใหญ่ ภาพตัวอย่างนี้แสดงลักษณะโครงสร้างระดับนาโนของอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำชนิด FinFET
Powered by
MakeWebEasy.com