Rozptyl atomu hélia - Helium atom scattering

Rozptyl atomu hélia (MÁ) je technika povrchové analýzy používaná ve vědě o materiálech. HAS poskytuje informace o povrchové struktuře a mřížkové dynamice materiálu měřením difrakčních atomů z monochromatického heliového paprsku dopadajícího na vzorek.

Dějiny

První zaznamenaný He difrakční experiment dokončil v roce 1930 Estermann a Stern [1] na (100) krystalové ploše fluorid lithný. To experimentálně stanovilo proveditelnost atomové difrakce, když vlnová délka de Broglie, λ, dopadajících atomů je v řádu interatomových mezer materiálu. V té době byl hlavní limit experimentálního rozlišení této metody způsoben velkým šířením rychlosti heliového paprsku. Teprve vývoj zdrojů vysokotlakých trysek schopných produkovat intenzivní a silně monochromatické paprsky v 70. letech získal HAS popularitu pro zkoumání povrchové struktury. Zájem o studium kolize zředěných plynů s pevnými povrchy pomohlo spojení s leteckou a vesmírnou problematikou té doby. Spousta studií ukazujících jemné struktury v difrakčním vzoru materiálů využívajících rozptyl atomů hélia byla publikována v 70. letech. Avšak teprve v roce 1980, kdy byla vyvinuta třetí generace zdrojů paprsků paprsků, mohly být studie povrchových fononů prováděny rozptylem atomů helia. Tyto zdroje paprsků paprsků byly schopné produkovat paprsky atomu helia s energetickým rozlišením menším než 1 meV, což umožnilo výslovně vyřešit velmi malé energetické změny vyplývající z nepružné srážky atomu helia s vibračními režimy pevného povrchu, takže HAS by nyní bylo možné použít ke zkoumání dynamiky mřížky. První měření takové křivky povrchové disperze fononů bylo popsáno v roce 1981 [3], což vedlo k obnovenému zájmu o aplikace rozptylu atomů hélia, zejména pro studium povrchové dynamiky.

Základní principy

Citlivost povrchu

Obecně řečeno, povrchové lepení se liší od lepení v převážné části materiálu. Aby bylo možné přesně modelovat a popsat povrchové vlastnosti a vlastnosti materiálu, je nutné porozumět konkrétním mechanismům spojování při práci na povrchu. K tomu je třeba použít techniku, která je schopna snímat pouze povrch, takovou techniku ​​nazýváme „povrchově citlivá“. To znamená, že „pozorující“ částice (ať už jde o elektron, neutron nebo atom) musí být schopna pouze „vidět“ (shromažďovat informace) z povrchu. Pokud je hloubka průniku dopadající částice příliš hluboko do vzorku, informace, které provádí pro detekci vzorku, budou obsahovat příspěvky nejen z povrchu, ale také z sypkého materiálu. I když existuje několik technik, které zkoumají pouze několik prvních monovrstev materiálu, jako je například nízkoenergetická elektronová difrakce (LEED), rozptyl atomu hélia je jedinečný v tom, že vůbec neproniká na povrch vzorku! Ve skutečnosti je bod rozptylu „obratu“ atomu helia 3–4 angstromy nad povrchovou rovinou atomů na materiálu. Proto informace prováděné v rozptýleném atomu helia pocházejí pouze ze samotného povrchu vzorku. Vizuální srovnání rozptylu hélia a rozptylu elektronů je uvedeno níže:

Hélium při tepelných energiích lze klasicky modelovat jako rozptyl z tvrdé stěny potenciálu, přičemž umístění rozptylových bodů představuje povrch s konstantní hustotou elektronů. Vzhledem k tomu, že v interakcích helium-povrch dominuje jediný rozptyl, shromážděný signál helia snadno poskytuje informace o povrchové struktuře bez komplikací při zvažování více událostí rozptylu elektronů (například v LEED).

Rozptylový mechanismus

Zde je zobrazen kvalitativní náčrt elastického potenciálu jednorozměrné interakce mezi dopadajícím atomem helia a atomem na povrchu vzorku:

Tento potenciál lze rozdělit na atraktivní část díky Van der Waalsovým silám, které dominují nad velkými separačními vzdálenostmi, a strmé odpudivé síle díky elektrostatickému odpuzování pozitivních jader, která dominuje na krátké vzdálenosti. Chcete-li upravit potenciál pro dvourozměrný povrch, přidá se funkce k popisu povrchových atomových zvlnění vzorku. Výsledný trojrozměrný potenciál lze modelovat jako zvlněný Morseův potenciál jako [4]:

${displaystyle V (z) = D {ig {} expleft [-2alpha (z-z_ {m}) ight] -2expleft [-alpha (z-z_ {m}>) ight] {ig}} + 2 eta Dexpleft [2alpha (z-z_ {m}) ight] xi (x, y)}$

První člen je pro laterálně zprůměrovaný povrchový potenciál - potenciální studna s hloubkou D minimálně z = z_m a fitovací parametr α, a druhý člen je odpudivý potenciál modifikovaný vlnovou funkcí, ξ (x, y), se stejnou periodicitou jako povrchový a fitovací parametr β.

Atomy hélia mohou být obecně rozptýleny buď elasticky (bez přenosu energie na povrch krystalu nebo z něj) nebo neelasticky prostřednictvím excitace nebo deexcitace vibračních režimů povrchu (tvorba fononu nebo zničení). Každý z těchto výsledků rozptylu lze použít ke studiu různých vlastností povrchu materiálu.

Proč používat atomy helia?

Existuje několik výhod používání atomů hélia ve srovnání s rentgenovými paprsky, neutrony a elektrony ke zkoumání povrchu a studiu jeho struktur a dynamiky fononů. Jak již bylo zmíněno dříve, lehké atomy helia při tepelných energiích nepronikají do většiny studovaného materiálu. To znamená, že kromě toho, že jsou přísně citlivé na povrch, jsou pro vzorek skutečně nedestruktivní. Jejich vlnová délka de Broglie je také v řádu interatomových rozestupů materiálů, což z nich dělá ideální sondové částice. Vzhledem k tomu, že jsou neutrální, jsou atomy helia necitlivé na povrchové náboje. Jako vzácný plyn jsou atomy helia chemicky inertní. Při použití na tepelné energie, jako je obvyklý scénář, je atomový paprsek helia inertní sonda (chemicky, elektricky, magneticky a mechanicky). Je tedy schopen studovat povrchovou strukturu a dynamiku nejrůznějších materiálů, včetně materiálů s reaktivními nebo metastabilními povrchy. Paprsek atomu helia může dokonce zkoumat povrchy v přítomnosti elektromagnetických polí a během zpracování ultravysokého vakua, aniž by zasahoval do probíhajícího procesu. Z tohoto důvodu mohou být atomy helia užitečné pro měření rozprašování nebo žíhání a adsorpci vrstev. A konečně, protože atom tepelného helia nemá žádné stupně otáčení a vibrací volnosti a žádné dostupné elektronické přechody, je třeba analyzovat pouze translační kinetickou energii dopadajícího a rozptýleného paprsku, aby se získaly informace o povrchu.

Instrumentace

Doprovodný obrázek je obecným schématem experimentálního nastavení rozptylu atomu helia. Skládá se ze zdroje paprsku trysky, rozptylovací komory Ultra High Vacuum s manipulátorem krystalů a komory detektoru. Každý systém může mít jiné konkrétní uspořádání a nastavení, ale většina bude mít tuto základní strukturu.

Zdroje

Paprsek atomu helia, s velmi úzkým rozšířením energie menším než 1 meV, je vytvořen volnou adiabatickou expanzí helia pod tlakem ~ 200 barů do komory s nízkým vakuem pomocí malé ~ 5-10 μm trysky [5]. V závislosti na systému Provozní teplota rozsah, typické vyrobené energie atomu helia mohou být 5-200 mV. Kónický otvor mezi A a B se nazývá skimmer extrahuje střední část paprsku helia. V tomto bodě by se atomy paprsku helia měly pohybovat téměř rovnoměrnou rychlostí. V sekci B je také obsažen vrtulníkový systém, který je zodpovědný za vytváření paprsků paprsků potřebných ke generování času letových měření, o nichž bude pojednáno později.

Rozptyl komora

Rozptylová komora, oblast C, obecně obsahuje manipulátor krystalů a jakékoli další analytické nástroje, které lze použít k charakterizaci povrchu krystalu. Zařízení, které lze zahrnout do hlavní rozptylové komory, zahrnuje obrazovku LEED (pro provádění doplňkových měření povrchové struktury), analytický systém Auger (pro stanovení úrovně kontaminace povrchu), hmotnostní spektrometr (pro sledování kvality vakua a složení zbytkového plynu) a pro práci s kovovými povrchy iontovou pistolí (pro čištění povrchu vzorku rozprašováním). Aby se udržel čistý povrch, musí být tlak v rozptylovací komoře v rozmezí 10⁻⁸ do 10⁻⁹ To vyžaduje použití turbomolekulárních nebo kryogenních vývěv.

Manipulátor krystalů

Manipulátor krystalů umožňuje alespoň tři různé pohyby vzorku. Azimutální rotace umožňuje krystalu změnit směr povrchových atomů, úhel náklonu se používá k nastavení normály krystalu v rozptylové rovině a rotace manipulátoru kolem osy z mění úhel dopadu paprsku . Manipulátor krystalů by měl také obsahovat systém pro řízení teploty krystalu.

Detektor

Poté, co se paprsek rozptýlí z povrchu krystalu, jde do oblasti detektoru D. Nejčastěji používaným nastavením detektoru je iontový zdroj bombardování elektrony následovaný hmotnostním filtrem a elektronovým multiplikátorem. Paprsek je směrován přes řadu diferenciálních čerpacích stupňů, které snižují poměr šumu k signálu před zasažením detektoru. Analyzátor doby letu může sledovat detektor a provádět měření ztrát energie.

Pružná měření

Za podmínek, kterým dominuje pružný difrakční rozptyl, odrážejí relativní úhlové polohy difrakčních vrcholů geometrické vlastnosti zkoumaného povrchu. To znamená, že umístění difrakčních vrcholů odhaluje symetrii dvourozměrného vesmírná skupina který charakterizuje pozorovaný povrch krystalu. Šířka difrakčních špiček odráží šíření energie paprsku. Pružný rozptyl je řízen dvěma kinematickými podmínkami - zachování energie a energie hybné složky rovnoběžné s krystalem:

E_F = E_i => ki² = k_G² = k_Gz² + k_||G²

k_||G = k_{|| i} + G

Tady G je reciproční mříž vektor, k_G a k_i jsou konečné a počáteční (dopadající) vlnové vektory atomu helia. The Ewaldova koule Konstrukce určí difrakční paprsky, které je třeba vidět, a úhly rozptylu, ve kterých se objeví. Objeví se charakteristický difrakční obrazec, určený periodicitou povrchu, podobným způsobem jako u pozorování Braggův rozptyl v elektronové a rentgenové difrakci. Většina studií rozptylu atomů hélia bude skenovat detektor v rovině definované směrem přicházejícího atomového paprsku a normou povrchu, čímž sníží Ewaldovu kouli na kruh o poloměru R =k₀ protínající pouze vzájemné mřížové tyče, které leží v rozptylové rovině, jak je znázorněno zde:

Intenzity difrakčních vrcholů poskytují informace o potenciálech statické interakce plyn-povrch. Měření intenzit difrakčních špiček za různých podmínek dopadajícího paprsku může odhalit zvlnění povrchu (povrchovou elektronovou hustotu) nejvzdálenějších atomů na povrchu.

Všimněte si, že detekce atomů helia je mnohem méně účinná než u elektronů, takže rozptýlenou intenzitu lze určit pouze pro jeden bod v k-prostoru najednou. Pro ideální povrch by mezi pozorovanými difrakčními vrcholy neměla být žádná pružná intenzita rozptylu. Pokud je zde vidět intenzita, je to kvůli povrchové nedokonalosti, jako jsou kroky nebo adatomy. Z úhlové polohy, šířky a intenzity vrcholů se získají informace týkající se povrchové struktury a symetrie a uspořádání povrchových prvků.

Neelastická měření

Nepružný rozptyl paprsku atomu helia odhaluje povrchovou fononovou disperzi pro materiál. Při rozptylových úhlech daleko od zrcadlových nebo difrakčních úhlů dominují intenzitě rozptylu uspořádaného povrchu nepružné srážky.

Aby bylo možné studovat nepružný rozptyl paprsku atomu helia pouze díky příspěvkům s jedním fononem, je třeba provést energetickou analýzu rozptýlených atomů. Nejpopulárnějším způsobem, jak toho dosáhnout, je použití analýza doby letu (TOF). Analýza TOF vyžaduje, aby paprsek pulzoval přes mechanický chopper, čímž vznikají „pakety“ paprsků s kolimovaným paprskem, které mají „time-of-flight“ (TOF) na cestu z chopperu k detektoru. Paprsky, které se rozptylují neelasticky, ztratí při setkání s povrchem určitou energii, a proto mají po rozptylu jinou rychlost, než s jakou dopadaly. Vytvoření nebo zničení povrchových fononů lze tedy měřit pomocí posunů energie rozptýleného paprsku. Změnou úhlů rozptylu nebo energie dopadajícího paprsku je možné vzorkovat nepružný rozptyl při různých hodnotách přenosu energie a hybnosti a mapovat disperzní vztahy pro režimy povrchu. Analýza disperzních křivek odhalí vyhledávané informace o povrchové struktuře a lepení. Graf analýzy TOF by ukazoval vrcholy intenzity jako funkci času. Hlavní vrchol (s nejvyšší intenzitou) je pro „paket“ nerozptýleného paprsku helia. Vrchol nalevo je pro zničení fononu. Pokud by došlo k procesu vytváření fononů, vypadalo by to jako vrchol vpravo:

Kvalitativní náčrt výše ukazuje, jak by mohl vypadat graf doby letu v blízkosti difrakčního úhlu. Jak se však krystal otáčí od difrakčního úhlu, pružný (hlavní) vrchol klesá na intenzitě. Intenzita se nikdy nesníží na nulu ani daleko od difrakčních podmínek, nicméně, kvůli nekoherentnímu elastickému rozptylu od povrchových defektů. Intenzita nekoherentního elastického píku a jeho závislost na úhlu rozptylu proto mohou poskytnout užitečné informace o povrchových nedokonalostech přítomných na krystalu.

Kinematika procesu zničení nebo vytvoření fononu je extrémně jednoduchá - zachování energie a hybnosti lze kombinovat, čímž se získá rovnice pro energetickou výměnu ΔE a výměnu hybnosti q během procesu srážky. Tento nepružný proces rozptylu je popsán jako a telefon energie ΔE = ћω a vlnový vektor q. Vibrační režimy mřížky lze potom popsat rozptylovými vztahy ω (q), které dávají možné fononové frekvence ω jako funkci fononového vlnovodu q.

Kromě detekce povrchových fononů lze díky nízké energii paprsku helia detekovat také nízkofrekvenční vibrace adsorbátů, což vede k určení jejich potenciální energie.

Reference

1. Estermann, I .; Stern, O. (1930). „Beugung von Molekularstrahlen“. Zeitschrift für Physik (v němčině). Springer Science and Business Media LLC. 61 (1–2): 95–125. doi:10.1007 / bf01340293. ISSN  1434-6001.
2. E. Hulpke (ed.), Helium Atom Scattering from Surfaces, Springer Series in Surface Sciences 27 (1992)
3. Brusdeylins, G .; Doak, R. Bruce; Toennies, J. Peter (09.02.1981). „Měření disperzní relace pro Rayleighovy povrchové fonony LiF (001) neelastickým rozptylem atomů He“. Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 46 (6): 437–439. doi:10,1103 / fyzrevlett 46,437. ISSN  0031-9007.
4. Krátký úvod do rozptylu atomů hélia, University of Cambridge
5. M.C. Desjonquéres, D. Spanjaard, Concepts in Surface Physics, druhé vydání, Springer (1996)
6. G. Scoles (ed.), Atomic and Molecular Beam Methods, sv. 2, Oxford University Press, New York (1992)
7. J. B. Hudson, Surface Science - An Introduction, John Wiley & Sons, Inc, New York (1998)