powierzchni analiza

powierzchni analiza,

instrumentalne oznaczenie jakościowego i ilościowego składu zewn. warstw atomowych ciała stałego oraz cząstek na nim zaadsorbowanych, a także określenie ich elektr., magnet. i termodynamicznych właściwości oraz elektronowej i krystalograficznej struktury.

Przyjmuje się, że powierzchnia obejmuje od 1 do 4 zewn. warstw atomowych (1 warstwa ok. 10¹² –10¹⁵ atomów/cm²), mogących się różnić zasadniczo właściwościami i składem od wnętrza fazy objętościowej ciała stałego. Informacji o powierzchni dostarczają fotony, elektrony, jony lub cząstki obojętne emitowane z powierzchni pod wpływem bombardowania jej pierwotną wiązką elektronów, jonów lub fotonów, ogrzewania, oddziaływania cząstek obojętnych, powierzchniowych fal akustycznych, pola elektr. lub magnet.; określa się skład i liczbę emitowanych cząstek oraz ich rozkład przestrzenny i energetyczny. W 2. poł. XX w. opracowano wiele wyspecjalizowanych metod badania struktury i a.p. Dzieli się je gł. na dyfrakcyjne, spektroskopowe i mikroskopowe. Wszystkie techniki a.p. wymagają umieszczenia badanego obiektu i aparatury w komorze próżniowej.

Wśród dyfrakcyjnych metod badania struktury najczęściej stosuje się metodę LEED (ang. Low Energy Electron Diffraction), to jest dyfrakcję elektronów niskoenergetycznych (o energii 10–1000 eV); wykorzystuje się w niej fakt, że elektrony te, ze względu na silne oddziaływania z atomami, mogą wnikać do materiału na głębokość co najwyżej jednej lub dwóch powierzchniowych warstw atomowych (elektronografia), a zarejestrowane rozkłady przestrzenne wiązek ugiętych oraz ich natężenia pozwalają określić strukturę tych warstw.

Do najważniejszych metod spektroskopowych, stosowanych gł. do badania składu chem. powierzchni, należą: spektroskopia elektronów Augera, spektroskopia fotoelektronów XPS i UPS, spektroskopia SIMS. Najważniejsza z nich, spektroskopia elektronów Augera (stosowana do identyfikacji pierwiastków o liczbie atomowej większej od 2), polega na bombardowaniu badanej próbki wiązką szybkich elektronów (o energii kilku keV); wzbudzone w wyniku tego procesu atomy emitują m.in. elektrony Augera (Augera zjawisko); z próbki mogą się jednak wydostać jedynie te elektrony, które pochodzą z warstwy atomów położonej blisko powierzchni (w odległości do 2 nm), one też dostarczają informacji o jej składzie chemicznym. W spektroskopii fotoelekronów XPS (ang. X-ray Photoelectron Spectroscopy) i UPS (ang. UV Photoelectron Spektroscopy), zw. też spektroskopią ESCA (ang. Electron Spectroscopy for Chemical Analysis), do wzbudzania atomów stosuje się odpowiednio promieniowanie rentgenowskie o małej energii (0,8–1,5 keV) lub promieniowanie nadfioletowe o jeszcze mniejszej energii (20–40 eV); wówczas elektrony emitowane przez wzbudzone atomy mają również niewielkie energie i dlatego z próbki są emitowane tylko elektrony pochodzące z warstwy powierzchniowej, o grubości do 2 nm; analiza energii elektronów opuszczających próbkę pozwala na określenie składu chem. powierzchni badanego materiału. Spektroskopia mas jonów wtórnych, zw. też spektroskopią SIMS (ang. Secondary Ion Mass Spectroscopy), polega na bombardowaniu powierzchni analizowanej próbki zogniskowaną wiązką ciężkich jonów (np. Ar⁺, Ga⁺); atomy powierzchniowe zostają wybite i ulegają jonizacji, a powstałe jony są następnie analizowane w spektrometrze mas.

Do badań mikroskopowych struktury powierzchni w skali atomowej służy najczęściej mikroskop tunelowy skaningowy i mikroskop sił atomowych. Znaczną pomocą w zrozumieniu struktur i własności powierzchni są również metody komputerowej symulacji i wizualizacji struktur, rozwinięte w ostatnim ćwierćwieczu XX w. Ułatwiają one zrozumienie np. elementarnych mechanizmów procesów katalitycznych, a także działania enzymów w żywych organizmach. Odrębną grupę metod stanowią metody fizykochemiczne; zalicza się do nich m.in. metodę adsorpcyjną (adsorpcja), stosowaną do oznaczania wielkości powierzchni ciał stałych, oraz metody termoprogramowanej desorpcji (TDP), wykorzystujące chemisorpcję i desorpcję pewnych substancji na danej powierzchni, stosowane do badań chem. natury powierzchni.

Zagadnieniom struktury powierzchni i zachodzącym na niej procesom poświęca się wiele uwagi; wiąże się to z ważną funkcją, jaką pełnią procesy zachodzące na powierzchni w przebiegu wielu procesów otrzymywania materiałów czy wytwarzania elementów elektronicznych, a także w działaniu katalizatorów (petrochemia, przemysł tworzyw sztucznych, przemysł farm.). Wiele uwagi poświęca się w związku z tym strukturom molekularnym i materiałom mającym szczególnie dużą powierzchnię właściwą; w przyrodzie przykładem takiej struktury są płuca zwierząt lądowych. Materiały o podobnej strukturze wytwarza się m.in. w celu zwiększenia wydajności procesów katalitycznych. Niektóre cenne właściwości nanomateriałów są związane ze znacznie zwiększonym udziałem p. granic ziaren w porównaniu z materiałami polikrystal. o mikrometrowych ziarnach.