A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában

http://www.sci.u-szeged.hu/radio_rekin/radio/educatio.htm

A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában

Néhány alapfogalom:

vákuum, nagyvákuum, ultravákuum szilárdtestkémia

szilárdtestfizika vékonyréteg fizika felülettudomány

elektronspektroszkópia

pásztázó atomszondás mikroszkópia adszorpció, deszorpció

adszorpciós hely, centrum

felületi rekonstrukció, relaxáció korrozió, katalízis, bevonatok

nanorészecskék, egyelektron eszközök mikro- és nanoelektronika

vákuum, vákuumtechnika, vákuumipar

10

^–9

mbar 10

^-6

mbar 10

^-3

mbar 1 mbar 10

³

mbar

(nano-mbar)

vákuumszivattyúk

vákuummérők

gyártmányokhoz kapcsolódó vákuum

iongetter

titánszublimációs krio(ab)szorpciós turbomolekuláris

rotációs abszorpciós

olajdiffúziós

1960 1900 1800 1650

ultravákuum nagyvákuum vákuum

ionizációs hővezetőképesség Bayard-Alpert cső Piráni

kapacitív, piezoelektromos nyomásérzékelők

izzólámpa rádiócsövek

tranzisztor, integrált áramkör mikroelektronikai ipar

kisülési csövek

neonok, reklámcsövek

atmoszféra

ultravákuum technológia nanoelektronika

nagy integráltságú áramkör nanotechnológia

ürtechnika

ultravákuumtechnikai ipar (UHV technika)

a vákuumtechnika rohamos fejlődését és iparággá fejlődését alapvetően ösztönözte az izzólámpagyártás valamint a tv-rádió gyártásban alkalmazott eletroncsövek (dióda, trióda, pentóda) előállításának

tömegigénye; az 1950-es években megjelent mikroelektronika (dióda, tranzisztor gyártás) szükségessé tette a vákuumtechnika további fejlesztését, s így átléptünk az ultravákuum technika korába;

UHV technikára szakosodott világcégek létrejötte Vacuum Generators Ltd.

Kurt Lesker Company Balzers Ltd., Kratos Ltd Leybold Ltd, stb.

nagyfokú szabványosítás, modulrendszerű építkezés beszállítói hálózat kiépítése szakkatalógusok megjelenése internetes tájékoztatás

UHV alkatrész csoportok I.

UHV kamratestek vákuumszivattyúk

iongetter

turbomolekuláris

rotációs

UHV alkatrész csoportok II.

vákuummérők

Piráni mérők

ionizációs mérők

ion források

betekintő ablakok

szelepek

UHV alkatrész csoportok III.

elektromos bevezetők

manipulátorok

További lehetséges alkatrészek:

UHV kompatilis ragasztó és kenő anyagok, fém-üveg átmenetek, olajszűrők, hűthető-fűthető minta- tartók, a mérési feledathoz szükséges analizátorok (tömegspetrométek, elektron-energia analizátorok, párologtató források, kifűtő sátrak.

Legfontosabb elektronenergia analizátorok

Félgömb analizátor (hemispherical analyzer) HA /UPS, XPS, ESCA

Hengertükör analizátor (cylindicar mirror analyzer) CMA /AES, ELS

Fékező rácsos analizátor (retarding field analyzer) RFA /AES-LEED

127

^o

-os analizátor / HREELS, ARUPS

az UHV kompatíbilis felületanallitikai nagyberendezésekben végezhető kutatási és fejlesztési munka elengedhetetlen eszközei

nagytisztaságú anyagok (sokszor szilárdtest egykrisytályfelületek) és gázok

(pl. 5N tisztaság legalább 99.9998 % tömegszázalékos tisztaságot jelet)

az alábbi néhány legfontosabb felületanalitikai módszer közül legalább két-hármat kombinálni kell egy készülékben

AES (Auger-elektron spektroszkópia), SAM (pásztázó Auger-elektron mikroszkópia) XPS-UPS-ESCA (fotoelektron spektroszkópia), MS-TPD (termikus deszorpciós

tömegspektrometria), SPM (pásztázó atomszondás mikroszkópia), RAIRS (reflexiós abszorpciós infravörös spektroszkópia), HREELS (nagyfelbontóképességű elektronenergiaveszteségi

spektroszkópia), SIMS (szekundérion tömegspektrometria), LEED (kis energiájú elektron diffrakció), RHEED (reflexiós nagyenergiájú elektrondiffrakció), NEXAFS (abszorpciós-él finomszerkezet röntgen-fotoelektron spektroszkópia);

a minták kezeléséhez feltétlenül szükséges egy megfelelő fűthető mintatartó

valamint egy kisenergiájú Ar ionágyú a felületi szennyezések leporlasztására

Az elemi részecskék tanulmányozására kialakított részecske gyorsítók lehetővé tettek egy speciális alkalmazást, nevezetesen az igen széles frekvencia tartományban jó intenzitású fotonnyalábot biztosító szinktrotront, amely lényegében egy speciális elektrongyorsító

kiegészítve foton-kicsatolást lehetővé tevő munkaállomásokkal (folytonos frekvencia színkép, nagy intenzitás)

3. kiszolgáló épületek 2. tároló gyűrű

1. lineáris gyorsító

Trieste

Barcelona

•ALBA, Barcelona, Spain ANKA, Karlsruhe, Germany

•BESSY, Berlin, Germany

•DELTA, Dortmund University, Germany

•DESY, Hamburg, Germany

•DIAMOND, Oxon, UK

•ELSA, Bonn University, Germany

•ESFR, Grenoble, France

•NSA, University of Aarhus, Denmark

•LURE, Orsay, France

•MAX-LAB, Lund University, Sweden

•SLS, Villigen, Switzerland

•SRS, Daresbury, UK

A szinkrotron forrás (tárológyűrű) köré települt munkaállomások (beamline) előre meghatározott, speciális anyagtudományi célra építve

LINAC ^Például:

Maximum Beam Energy 2 GeV ; Injection Beam Energy 1.0 GeV Current at 80 ns 30 mA; Energy Spread < ± 0.5 %

Az így létrehozott elektron-impulzus csomagot bejuttatják a tárológyűrűbe (injektálás), fokozatosan növelik az energiáját, stabilizálják, majd mágneses kicsatolással elektromágneses sugárzást (foton nyalábot) állítanak elő, amely megfelelő kezelés (fokuszálás,

monokromatizásálás) után a

munkaállomásokra kerül, s gerjesztő fotonokként szolgál különböző

fotoelektronspektroszkópiai módszerekhez.

Figyelem: az x-irányú sebesség kezdetben zéró, de az eltérrülés előrehaladtával megnő

A munkaállomások kezdő pontja, az energia kicsatolást végző „undulátor” alapelve:

N

S

e

^-

Z

S

v

s

B_o (+ ve) B_o (-ve)

X direction out of screen

X

S Dipole

Dipole

Electron Trajectory

Az elektron mozgása Mágneses térben

) ( v B _ q

F  

Lorentz törvény

 



_





B v e F

F

B v e F

x s

z

s x









0

e

^-

e

^-

sugárzási kúp

t = 0 pillanatnyi emisszió

A teljes eltérítés (körív) során létrejött fotoemisszió

Instantaneous Emission Point

Emission Cone Opening Angle 

Az emissziós pont érintője



S

X

gyorsuló töltés által kibocsájtott foton emisszió (eltérítő mágnes okozta sugárzás)

minden gyorsuló töltött részecske elektromágneses sugárzást bocsájt ki



Tároló gyűrű

Dipol sugárzás Arc munkaállomás

e^- pályat

Az emittált foton karakterisztikus energiájának értéke

_c – karakterisztikusfoton energia [keV]

E – elektron energia [GeV]

B_o – mágneses indukció [Tesla]

665

2

.

0 B E

c







t₁

e

^-



A kimenet mindenképpen egy látószögre terjed ki

megfigyelő

t_e

 görbületi sugár

t₁ a megfigyelő által látott

elektromos tér

E(t)

Time 

a fotoemisszió intenzitása

t_d

karakterisztikus energia

Fourier transzf.

A kibocsájtott sugárzás jellegzetességei

_c

A Fourier transzformáció (FT) alapvető tulajdonsága az, hogy minél keskenyebb az impulzus, annál szélesebb az FT során

megjelenő frekvecia tartomány

undulator Mágneses

eltérítő

Alkalmazott mágnes anyagok : NdFeB, Sm₂Co₁₇

Relativisztikus hatás

A GeV energiájú elektronok erősen relativisztikusan viselkednek (a Newton törvények nem érvényesek).

Vezessük be a relativisztikus paramétert:  , ahol



értéke meghatározza a sugárzás szögdiszperzitását:

 = 1/ radians

E = 3GeV esetén  = 5871 így  = 0.17 mrad = 0.01°

] [

2

1957 E GeV

c m

E E

E

e o





 

1 - ^v

²

c

²

 = L = L

₀



m = m

₀



relativisztikus távolságcsökkenés

relativisztikus tömegnövekedés

X

S

-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

12 10 8 6 4 2 0

max eltérülés

_max = K / 



_max

e

^-

Z

s

S

v

É D É D É D

É D É D É D



_u

az undulátor (kicsatoló) alapelve

ellentétes irányban eltérítő mágnesek sorozata

K eltérülési paraméter

K = 0.0934 

_u

[mm] B

_o

[T]

Milyen lesz az indukált foton sugárzás jellege ?

K << 1: nagyon kis mágneses tér nagyon rövid periodicitás _u

x (N periódus)

7



^{1 2 2}



2  



^u 



^{2 2}



2 1

2  



^u 



_u

°

Lorentz _u kontrakció

Doppler-hatás _u

Combined _r Effect

~GeV energia esetén ^10 vagyis_u ~ mm _r^~

Tehát makroszkopikus mágnes sorozat

hatására nm-es hullámhosszban kapunk

elektromágneses sugárzást.

A szinkrotron források müködéséhez szükséges legfontosabb fizikai elvek összefoglalása

tekintve, hogy a felgyorsított elektronok sebessége a működési energiákon akár 99.99999 %-ra megközelíti a fénysebességet, igy az ebből adódó hatások figyelembevétele elkerülhetetlen

Mágneses eltérítés által indukált elektromágnese sugárzás:

mágneses térben a törltött részecskék gyorsulnak és eközben eletromágneses sugárzást (fotonokat) keltenek

Relativisztikus hatás:

fénysebesség közelében az elektron tömege a relativitás elmélet alapján jelentősen nő, s ezt a elektron nyaláb „kezelésekor” figyelembe kell venni. Továbbá, a nagy sebessége miatt az álló tárgyakat sokkal rövidebbnek „látja” az elektron, mint az álló tárgy kordináta rendszerében lenne (Lorentz-kontrakció).

Doppler effektus:

A sebesség következtében, hasonlóan a hanghullámok esetéhez, a mozgó tárgyról (a nagy energiájú elektron) kibocsátott hullám rekvenciája megnő (hullámhossza lecsökken) az álló megfigyelő számára.

Néhány fontos kutatási téma, amelyek csak szinkrotron-források mellett művelhető

1. Nagyon gyors és nagy laterális felbontásó XPS UPS mérések 2. Molekulaszerkezeti vizsgálatok fotodiffrakciós mérésekkel 3. Egyéb diffrakciós mérések szilárdtestfelületeken

4. Felületi reakciók „real time” követése

5. Nanoszerkezetek tanulmányozása fotoelektronspektroszkópiával

6. Komplex molekulák szerkezete EXAFS, NEXAFS módszerekkel

7. Gyógyszer-, fehérje-, génkutatás