Spektroskopie rozptýlených iontů o nízkých energiích (ISS)
Spektroskopie rozptýlených iontů o nízkých energiích se nazývá ve zkratce metodou ISS z anglického „Ion Scattering Spectroscopy”. V odborné literatuře se můžeme setkat i s alternativním označením metody ISS, a to LEIS („Low Energy Ion Scattering Spectroscopy“). Termínem „nízká energie” se míní energie iontů v oblasti stovek eV až jednotek keV. V této spektroskopické metodě se měří energie a intenzity iontů, které se rozptýlily vlivem srážky s povrchy vzorků pevných látek, s cílem získat informaci o površích těchto vzorků z hlediska jejich prvkového složení i atomární struktury. Obvyklými typy iontů používanými v ISS jsou ionty atomů inertních plynů, jako např. He, Ne nebo Ar. Narozdíl od elektronů, řídí se srážka iontů s povrchem pevné látky zákony klasické fyziky (a nikoliv komplikovanějšími principy kvantové mechaniky).
Základní vlastností metody je, že podává informaci o prvkovém složení a atomární struktuře nejsvrchnější atomární vrstvy, nebo v některých případech několika málo monovrstev. Tato extrémní citlivost vůči povrchům je demonstrována na obr. 1, kde jsou uvedena ISS spektra, tedy závislosti intenzity signálu (tj. proudu) rozptýlených iontů na jejich energii.
Obr. 1
Nutnou podmínkou pro úspěšnost metody ISS je ultravakuové prostředí a možnost přípravy studovaného povrchu. Na obr. 2 je ukázáno blokové schéma aparatury pro ISS analýzu. Aparatura obsahuje vedle iontového zdroje hmotnostní filtr iontů, manipulátor terče a energiový analyzátor a detektor iontů, které jsou umístěny buď uvnitř analytické komory nebo připojeny z vnějšku ke komoře. Podle principu měření energie rozptýlených částic rozlišujeme z experimentálního hlediska dva typy ISS: energiovou analýzu iontů elektrostatickými poli a energiovou analýzu neutrálů a iontů metodou „Time-of-Flight“ (TOF).
Kvalitativní analýza
Při srážce iontu s atomem povrchu ztrácí iont část své původní kinetické energie E0 = 1/2 mv02 v závislosti na hmotnosti iontu, hmotnosti atomu i úhlu, do kterého byl iont rozptýlen (odražen).
Když zabezpečíme v experimentu, že na vzorek dopadají ionty stejné hmotnosti (tzv. hmotnostní separace) a měříme energii iontů rozptýlených do vstupního otvoru analyzátoru, ztráta energie lehkých iontů při rozptylu se snižuje s rostoucí hmotností atomů vzorku. Ztrátu energie rozptýleného iontu při binární srážce lze vypočítat použitím jednoduchého vztahu, který se odvodí pouhou aplikací zákonů zachování celkové energie a hybnosti iontu a terčového atomu. Pokud odečteme z naměřeného ISS spektra energii píku rozptýlených iontů a dosadíme ji do tohoto vztahu, můžeme z něj vypočítat hmotnost atomu vzorku – tedy určit, jaký prvek je obsažen na povrchu vzorku. Hovoříme o tzv. kvalitativní analýze.
Ei energie dopadajících iontů, Ef energie rozptýlených iontů, Mi hmotnost dopadajících iontů, M hmotnost rozptýlených iontů, q úhel rozptylu
Kvantitativní analýza
Pokud chceme stanovit množství jednotlivých prvků na povrchu vzorku, tedy provést kvantitativní analýzu, nevystačíme již se zákony zachování jako v případě kvalitativní analýzy. Potřebujeme již znát individuální silová působení mezi iontovým projektilem a atomy terče, tedy tzv. interakční potenciál, z kterého se tyto síly vypočtou. Přes znalost aproximativních vztahů popisujících interakční potenciály, kvantitativní analýza povrchů materiálů metodou ISS je obtížná. ISS je tak především kvalitativní povrchovou analytickou technikou a její význam spočívá zejména v kombinaci s jinými, pokud možno kvantitativními metodami.
Význam a současné vývojové trendy ISS
Metoda ISS našla v průběhu třiceti let svého vývoje uplatnění v celé řadě oblastí, a to jak ve fyzice a chemii povrchů, tak i v technologickém výzkumu. Je výhodná především tam, kde se využije její základní vlastnost - podávat informaci o prvkovém složení a atomární struktuře nejsvrchnější atomární vrstvy. Obecně je ISS především kvalitativní povrchovou analytickou technikou a její význam spočívá zejména ve společném použití s jinými analytickými metodami, jako je např. SIMS, AES a XPS v oblasti analýzy složení povrchů, a LEED a STM v oblasti určování atomární struktury povrchů.
Naše aparatura pro ISS.
Copyright (c) 2004 KEVF. All rights reserved.