پراکندگی اتم هلیوم
پراکندگی اتم هلیوم (HAS) یک تکنیک تحلیل سطح در علم مواد است که اطلاعاتی درباره ساختار سطح و دینامیک شبکه یک ماده را با اندازهگیری اتمهای پراکنده از یک پرتو تکرنگ هلیوم که بر روی نمونه تابیده میشود، فراهم میکند.
تاریخچه
اولین آزمایش ثبتشده پراکندگی هلیوم در سال ۱۹۳۰ توسط ایمانوئل استرمن و اتو استرن روی سطح بلوری (۱۰۰) فلوئید لیتیوم انجام شد. این آزمایش امکانسنجی پراکندگی اتمها را زمانی که طول موج دوگانه بروگلی (λ) اتمهای تابیده در حد فاصله بین اتمهای ماده باشد، اثبات کرد. در آن زمان، محدودیت اصلی در وضوح تجربی این روش، گستردگی بزرگ سرعت پرتو هلیوم بود. تا زمانی که منابع نازل فشار بالا قادر به تولید پرتوهای شدید و تکرنگ در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافتند، HAS محبوبیت خود برای بررسی ساختار سطح را کسب نکرد. علاقه به مطالعه برخورد گازهای نادر با سطوح جامد با مشکلات هوافضا و هوایی آن زمان نیز کمک شد. در دهه ۱۹۷۰ مطالعات زیادی درباره ساختارهای ظریف در الگوی پراکندگی مواد با استفاده از HAS منتشر شد. با این حال، تا زمانی که نسل سوم منابع نازلشعاع حدود سال ۱۹۸۰ توسعه یافت، مطالعه فونونهای سطحی با HAS امکانپذیر نشده بود. این منابع قادر به تولید پرتوهای هلیوم با وضوح انرژی کمتر از ۱ میلیالکترونولت بودند که امکان تشخیص تغییرات بسیار کوچک انرژی ناشی از برخورد غیرکشسانی اتم هلیوم با الگوهای لرزشی سطح جامد را فراهم کرد. بنابراین HAS اکنون میتوانست برای بررسی دینامیک شبکه استفاده شود. اولین اندازهگیری منحنی پراکندگی چنین فونون سطحی در سال ۱۹۸۱ گزارش شد که منجر به علاقه مجدد در کاربردهای HAS، به ویژه برای مطالعه دینامیک سطح، گردید.
اصول پایه
حساسیت سطح
به طور کلی، پیوند سطح با پیوند در درون یک ماده متفاوت است. برای مدلسازی و توصیف دقیق ویژگیها و خواص سطح یک ماده، درک مکانیسمهای پیوند خاص در سطح ضروری است. برای این کار باید از تکنیکی استفاده کرد که تنها بتواند سطح را بررسی کند (به آن «حساس به سطح» میگوییم). یعنی ذره «ناظر» (چه الکترون، چه نوترون و چه اتم) باید تنها بتواند «ببیند» (اطلاعات را از سطح جمعآوری کند). اگر عمق نفوذ ذره تابیده بیش از حد در نمونه باشد، اطلاعاتی که آن را از نمونه برای تشخیص بیرون میبرد، نه تنها از سطح، بلکه از ماده درونمایه نیز حاوی مشارکت خواهد بود. اگرچه تکنیکهای متعددی وجود دارند که تنها چند لایه اتمی اول را بررسی میکنند (مانند پراکندگی الکترون با انرژی پایین - LEED)، پراکندگی اتم هلیوم منحصربهفرد است زیرا اصلاً به سطح نمونه نفوذ نمیکند! در واقع، نقطه «بازگشت» پراکندگی اتم هلیوم ۳-۴ آنگستروم بالاتر از صفحه سطحی اتمهای ماده قرار دارد. بنابراین، اطلاعات حامل در اتم هلیوم پراکنده تنها از سطح بسیار نمونه میآید.
یک مقایسه بصری پراکندگی هلیوم و الکترون در زیر نشان داده شده است:
هلیوم در انرژیهای گرمایی میتواند به صورت کلاسیک به عنوان پراکنده از یک دیوار پتانسیل سخت مدلسازی شود که مکان نقاط پراکندگی، سطحی با چگالی الکترونی ثابت را نشان میدهد. از آنجا که پراکندگی تکگانه در برخوردهای هلیوم-سطح غالب است، سیگنال جمعآوریشده هلیوم به راحتی اطلاعاتی درباره ساختار سطح بدون پیچیدگیهای در نظر گرفتن رویدادهای پراکندگی چندگانه الکترون (مانند LEED) میدهد.
مکانیسم پراکندگی
یک طرح کیفی از پتانسیل یکبعدی کشسانی بین اتم هلیوم تابیده و اتمی روی سطح نمونه در اینجا نشان داده شده است:
این پتانسیل را میتوان به بخش جذابی ناشی از نیروهای واندروالسی که در فواصل بزرگ غالب است، و یک نیروی سخت دافعی ناشی از دافعه الکتریکی هستههای مثبت که در فواصل کوتاه غالب است، تقسیم کرد. برای اصلاح پتانسیل برای یک سطح دوبعدی، تابعی برای توصیف چینش اتمهای سطح نمونه اضافه میشود. پتانسیل سهبعدی حاصل میتواند به صورت یک پتانسیل مورس چینخورده مدلسازی شود:
جمله اول برای پتانسیل سطحی میانگینگیریشده افقی است - یک چاه پتانسیل با عمق D در حداقل z = zm و پارامتر تنظیم α، و جمله دوم پتانسیل دافعی است که توسط تابع چینش، ξ(x,y)، با همان تناوب سطح و پارامتر تنظیم β اصلاح شده است.
اتمهای هلیوم به طور کلی میتوانند به صورت کشسانی (بدون انتقال انرژی به یا از سطح بلور) یا غیرکشسانی از طریق تحریک یا بیتحریک بودن الگوهای لرزشی سطح (ایجاد یا نابودی فونون) پراکنده شوند. هر یک از این نتایج پراکندگی میتوانند برای مطالعه خواص مختلف سطح یک ماده استفاده شوند.
چرا از اتم هلیوم استفاده میشود؟
مزایای متعددی برای استفاده از اتمهای هلیوم نسبت به پرتوهای ایکس، نوترون و الکترون برای بررسی سطح و مطالعه ساختار و دینامیک فونون آن وجود دارد. همانطور که قبلاً ذکر شد، اتمهای سبک هلیوم در انرژیهای گرمایی به درون ماده مورد مطالعه نفوذ نمیکنند. این بدان معناست که علاوه بر حساسیت مطلق به سطح، واقعاً غیرمخرب به نمونه هستند. طول موج دوگانه بروگلی آنها نیز در حد فاصله بین اتمهای مواد است که آنها به ذرات ایدهآل برای بررسی تبدیل میکند. از آنجا که خنثی هستند، اتمهای هلیوم به بارهای سطحی حساسیت ندارند. به عنوان یک گاز نجیب، اتمهای هلیوم از نظر شیمیایی بیاثرند. هنگام استفاده در انرژیهای گرمایی (مانند سناریوی معمول)، پرتو اتم هلیوم یک پروب بیاثر (از نظر شیمیایی، الکتریکی، مغناطیسی و مکانیکی) است. بنابراین قادر به مطالعه ساختار و دینامیک سطح انواع گستردهای از مواد، از جمله مواد با سطوح خورنده یا متاستابل است. یک پرتو اتم هلیوم حتی میتواند سطوح را در حضور میدانهای الکترومغناطیسی و در حین پردازش سطح فوقخلأ بدون تداخل با فرآیند جاری بررسی کند. به همین دلیل، اتمهای هلیوم میتوانند برای اندازهگیریهای پرتودار (اسپاترینگ) یا بازسازی (آنیلینگ) و رسوبگذاری لایههای جذبشده مفید باشند. در نهایت، از آنجا که اتم هلیوم گرمایی درجههای آزادی چرخشی و لرزشی و گذارهای الکترونیکی در دسترس ندارد، تنها انرژی جنبشی ترجمهشده پرتو تابیده و پراکنده باید تحلیل شود تا اطلاعاتی درباره سطح استخراج گردد.
تجهیزات
شکل همراه یک شمای کلی از تنظیمات آزمایشی پراکندگی اتم هلیوم است. این تنظیمات شامل یک منبع پرتو نازل، یک محفظه پراکندگی فوقخلأ با یک مانولیتور کریستال و یک محفظه تشخیصدهنده است. هر سیستم میتواند تنظیمات و ساختار خاص خود را داشته باشد، اما بیشتر این ساختار پایه را خواهند داشت.
منابع
پرتو اتم هلیوم، با گستردگی انرژی بسیار کم کمتر از ۱ میلیالکترونولت، از طریق گسترش آدیاباتیک آزاد هلیوم در فشار حدود ۲۰۰ بار به داخل یک محفظه خلأ کم از طریق یک نازل کوچک حدود ۵-۱۰ میکرومتر ایجاد میشود. بسته به محدوده دمای کاری سیستم، انرژیهای معمول تولیدشده اتم هلیوم میتواند ۵-۲۰۰ میلیالکترونولت باشد. یک دهانه مخروکی بین بخشهای A و B به نام اسکیمر، بخش مرکزی پرتو هلیوم را استخراج میکند. در این نقطه، اتمهای پرتو هلیوم باید با سرعت تقریباً یکنواخت در حال حرکت باشند. همچنین بخش B شامل یک سیستم چاپکن (چوکر) است که مسئول ایجاد پالسهای پرتو مورد نیاز برای تولید اندازهگیریهای زمان پرواز (TOF) است که بعداً بحث خواهد شد.
محفظه پراکندگی
محفظه پراکندگی (بخش C) معمولاً حاوی مانولیتور کریستال و هرگونه ابزار تحلیلی دیگری است که میتواند برای مشخصکردن سطح کریستال استفاده شود. تجهیزاتی که میتوانند در محفظه اصلی پراکندگی گنجانده شوند شامل صفحه LEED (برای انجام اندازهگیریهای مکمل ساختار سطح)، سیستم تحلیل آوگر (برای تعیین سطح آلودگی سطح)، یک طیفسنج جرمی (برای نظارت بر کیفیت خلأ و ترکیب گاز باقیمانده) و برای کار با سطوح فلزات، یک تفنگ یونی (برای تمیزکردن سطح نمونه با پرتودار) است. برای حفظ سطوح تمیز، فشار در محفظه پراکندگی باید در محدوده ۱۰⁻⁸ تا ۱۰⁻⁹ پاسکال باشد. این امر نیازمند استفاده از پمپهای توربومولکولری یا سرمایی خلأ است.
مانولیتور کریستال
مانولیتور کریستال حداقل سه حرکت مختلف نمونه را ممکن میسازد. چرخش سهمی (آزیموت) اجازه میدهد جهت اتمهای سطح کریستال تغییر کند، زاویه شیب برای تنظیم عمود کریستال در صفحه پراکندگی استفاده میشود و چرخش مانولیتور حول محور z زاویه برخورد پرتو را تغییر میدهد. مانولیتور کریستال باید نیز شامل سیستمی برای کنترل دمای کریستال باشد.
تشخیصدهنده
پس از پراکندگی پرتو روی سطح کریستال، به ناحیه تشخیصدهنده D میرود. رایجترین تنظیم تشخیصدهنده، یک منبع یونی بستری الکترونی همراه با یک فیلتر جرمی و یک مضخم الکترونی است. پرتو از طریق یک سری مرحلههای پمپسازی دیفرانسیلی که نسبت سیگنال به نویز را کاهش میدهند، هدایت میشود و سپس به تشخیصدهنده میرسد. یک تحلیلگر زمان پرواز (TOF) میتواند پس از تشخیصدهنده قرار گیرد تا اندازهگیریهای اتلاف انرژی انجام شود.
اندازهگیریهای کشسانی
در شرایطی که پراکندگی کشسانی دیفراکتیو غالب است، موقعیتهای زاویهای نسبی قلههای دیفراکشن، ویژگیهای هندسی سطح مورد بررسی را منعکس میکنند. یعنی مکان قلههای دیفراکشن، تقارن گروه فضایی دوبعدی که سطح مشاهدهشده کریستال را مشخص میکند، آشکار میکند. عرض قلههای دیفراکشن، گستردگی انرژی پرتو را منعکس میکند. پراکندگی کشسانی توسط دو شرط سینماتیک - بقای انرژی و بقای مؤلفه موازی پالس با کریستال - حاکم میشود:
در اینجا G یک بردار شبکه معکوس است، kG و ki بردارهای موج نهایی و اولیه (تابیده) اتم هلیوم به ترتیب هستند. ساختار کروی اولد سوار (Ewald sphere) پرتوهای دیفراکتهشده و زوایای پراکندگی که در آنها ظاهر میشوند را تعیین میکند. یک الگوی دیفراکشن مشخص، که توسط تناوب سطح تعیین شده، مشابه الگویی که در پراکندگی براگ برای الکترون و پرتو ایکس دیده میشود، ظاهر میگردد. بیشتر مطالعات پراکندگی اتم هلیوم، تشخیصدهنده را در صفحهای تعریفشده توسط جهت پرتو اتمی ورودی و عمود سطح، اسکن میکنند که کروی اولد سوار را به یک دایره شعاع R=k0 که تنها میلههای شبکه معکوس واقع در صفحه پراکندگی را قطع میکند، کاهش میدهد.
شدتهای قلههای دیفراکشن اطلاعاتی درباره پتانسیلهای تعامل گاز-سطح ایستایی ارائه میدهند. اندازهگیری شدتهای قله دیفراکشن تحت شرایط پرتو تابیده مختلف میتواند چینش سطح (چگالی الکترونی سطح) اتمهای خارجی سطح را آشکار کند.
توجه داشته باشید که تشخیص اتمهای هلیوم بسیار کمتر از الکترون کارآمد است، بنابراین شدت پراکندهشده تنها در یک نقطه در فضای k در هر زمان قابل تعیین است. برای یک سطح ایدهآل، نباید شدت پراکندگی کشسانی بین قلههای دیفراکشن مشاهدهشده وجود داشته باشد. اگر شدتی در اینجا دیده شود، ناشی از نقص سطح (مانند پلهها یا اتمهای جذبشده اضافی) است. از زاویه موقعیت، عرض و شدت قلهها، اطلاعاتی درباره ساختار و تقارن سطح و چیدمان ویژگیهای سطح به دست میآید.
اندازهگیریهای غیرکشسانی
پراکندگی غیرکشسانی پرتو اتم هلیوم، پراکندگی فونونهای سطحی یک ماده را آشکار میکند. در زوایای پراکندگی دور از زاویه انعکاس یا زوایای دیفراکشن، شدت پراکندگی سطح منظم توسط برخوردهای غیرکشسانی غالب میشود.
برای مطالعه پراکندگی غیرکشسانی پرتو اتم هلیوم ناشی تنها از مشارکتهای تکفونونی، نیاز به تحلیل انرژی اتمهای پراکندهشده است. محبوبترین راه برای این کار، استفاده از تحلیل زمان پرواز (TOF) است. تحلیل TOF نیازمند پالسدهی پرتو از طریق چوکر مکانیکی است که بستههای پرتو همجهاز با «زمان پرواز» (TOF) برای حرکت از چوکر تا تشخیصدهنده ایجاد میکند. پرتوهایی که به صورت غیرکشسانی پراکنده میشوند، مقداری انرژی در مواجهه با سطح از دست میدهند و بنابراین پس از پراکندگی سرعتی متفاوت با سرعت تابیدهشان دارند. بنابراین ایجاد یا نابودی فونونهای سطحی را میتوان با جابجاییهای انرژی پرتو پراکندهشده اندازهگیری کرد. با تغییر زوایای پراکندگی یا انرژی پرتو تابیده، امکان نمونهبرداری از پراکندگی غیرکشسانی در مقادیر مختلف انتقال انرژی و تکانه وجود دارد و روابط پراکندگی (دیسپرشن) برای الگوهای سطح را نقشهبرداری میکند. تحلیل منحنیهای پراکندگی اطلاعات مورد نظر درباره ساختار و پیوند سطح را آشکار میکند. یک نمودار تحلیل TOF شدت را به عنوان تابعی از زمان نشان میدهد. قله اصلی (با بالاترین شدت) مربوط به بسته «پرتو» بدون پراکندگی هلیوم است. یک قله در سمت چپ مربوط به نابودی فونون است. اگر فرآیند ایجاد فونون رخ داده باشد، به عنوان یک قله در سمت راست ظاهر میشود:
طرح کیفی بالا نشان میدهد که یک نمودار زمان پرواز ممکن است در نزدیک زاویه دیفراکشن چگونه به نظر برسد. با این حال، با چرخش کریستال دور از زاویه دیفراکشن، شدت قله کشسانی (اصلی) کاهش مییابد. شدت حتی دور از شرایط دیفراکشن به صفر نمیرود، به دلیل پراکندگی کشسانی ناهماهنگ از نقصهای سطح. بنابراین شدت قله کشسانی ناهماهنگ و وابستگی آن به زاویه پراکندگی میتواند اطلاعات مفیدی درباره نقصهای سطح موجود روی کریستال ارائه دهد.
سینماتیک فرآیند نابودی یا ایجاد فونون بسیار ساده است - بقای انرژی و تکانه را میتوان با هم ترکیب کرد تا معادلهای برای تبادل انرژی و تبادل تکانه در طول فرآیند برخورد به دست آید. این فرآیند پراکندگی غیرکشسانی به عنوان یک فونون با انرژی و بردار موج توصیف میشود. سپس الگوهای لرزشی شبکه را میتوان با روابط پراکندگی که فرکانسهای ممکن فونون ω را به عنوان تابعی از بردار موج فونون بیان میکنند، توصیف کرد.
علاوه بر تشخیص فونونهای سطحی، به دلیل انرژی پایین پرتو هلیوم، لرزشهای با فرکانس پایین جاذبها نیز قابل تشخیص است که منجر به تعیین پتانسیل انرژی آنها میشود.
منابع دیگر
- E. Hulpke (ویراستار)، Helium Atom Scattering from Surfaces، Springer Series in Surface Sciences 27 (۱۹۹۲)
- G. Scoles (ویراستار)، Atomic and Molecular Beam Methods، جلد ۲، Oxford University Press، نیویورک (۱۹۹۲)
- J. B. Hudson، Surface Science - An Introduction، John Wiley & Sons, Inc، نیویورک (۱۹۹۸)
دستهبندیها: علم مواد، تکنیکهای علمی