Podcast na Metody povrchové analýzy materiálů

Kapitoly

Úvod do světa povrchů

Metody analýzy

XPS v praxi

Nahlédnutí pod povrch

UPS a Augerova spektrometrie

Vidět je věřit: Elektronová mikroskopie

SEM versus TEM

Poslední mikroskop na scéně

Shrnutí a rozloučení

Přepis

Karolína: Vsadím se, že právě teď držíte v ruce telefon. Přemýšleli jste ale někdy nad tím, co všechno se skrývá v té super tenké vrstvě, která chrání jeho displej? Není to jen obyčejné sklo. Je to výsledek precizní vědy o površích.

Matěj: Přesně tak! A právě tahle věda je všude kolem nás. Posloucháte Studyfi Podcast a dnes se ponoříme do analýzy povrchů. Karolína má pravdu, povrch není jen to, co vidíme. Je to rozhraní mezi dvěma fázemi. Nejčastěji mezi pevnou látkou a plynem, tedy třeba ten displej a vzduch kolem.

Karolína: A my se dnes podíváme, jak vědci takový povrch dokážou „přečíst“. Jak zjistí, z čeho se skládá a jaké má vlastnosti?

Matěj: Používají k tomu spoustu fascinujících technik. Můžeme je rozdělit podle toho, čím na ten povrch „střílíme“. Můžou to být fotony, elektrony nebo třeba ionty. Podle toho, co z povrchu vyletí zpátky, pak skládáme obrázek.

Karolína: Zní to trochu jako nějaká sci-fi bitva.

Matěj: Vlastně jo! Máme třeba elektronovou mikroskopii, známou jako SEM a TEM, která nám dá úžasně detailní obrázky. A pak spektroskopické metody, které nám zase řeknou, jaké chemické prvky tam jsou. Například XPS.

Karolína: XPS? Co se skrývá za touhle zkratkou?

Matěj: To je rentgenová fotoelektronová spektrometrie. Představ si, že na vzorek posvítíš rentgenovým zářením a to z atomů „vyrazí“ elektrony. My pak měříme energii těchhle vyražených elektronů.

Karolína: A co nám ta energie prozradí?

Matěj: Prozradí nám naprosto všechno! Nejen jaký prvek to je, ale dokonce i v jakém je stavu – tedy na co je navázaný nebo jaké má oxidační číslo. Dokážeme tak rozlišit atomy stejného prvku v různém chemickém prostředí.

Karolína: Takže je to takový detektiv pro materiály? Umí odhalit totožnost každého atomu na povrchu?

Matěj: Přesně tak. Až na vodík a helium, ty jsou na ni moc malé. Je to extrémně přesná a nedestruktivní metoda. To znamená, že ten super drahý materiál, co analyzuješ, nezničíš.

Karolína: To zní skvěle! Má to nějaký háček?

Matěj: Jeden malý ano. Je poměrně pomalá. A taky vyžaduje vysoké vakuum, aby nám ty uvolněné elektrony po cestě do detektoru do ničeho nenarazily.

Karolína: Takže žádné rychlé skenování jako v obchodě u pokladny.

Matěj: To rozhodně ne. Ale ty informace, které získáme, za to čekání stojí. A právě díky nim máme dnes tak odolné displeje nebo třeba funkční lékařské implantáty.

Karolína: Takže jsme probrali, jak můžeme bombardovat vzorky, abychom z nich dostali informace. A co ta elektronová spektrometrie pro chemickou analýzu, neboli ESCA?

Matěj: Přesně tak. ESCA, a hlavně její nejčastější technika XPS, je jako chemický detektiv pro povrchy. Osvítíš vzorek rentgenovým zářením a to z něj „vykopne“ elektrony.

Karolína: A z těch vykopnutých elektronů poznáme, co ve vzorku je?

Matěj: Přesně! Z jejich energie zjistíme nejen jaké prvky tam jsou, ale i v jakém jsou stavu. Třeba jestli je železo nezrezlé, nebo už je to oxid železitý. Je to neuvěřitelně citlivé.

Karolína: Super. A jak hluboko se takhle „podíváme“?

Matěj: No, bavíme se o pár atomových vrstvách. Jen o úplném povrchu. Ale co když nás zajímá, co je hlouběji?

Karolína: Tak to vezmeme větší kladivo?

Matěj: Skoro! Můžeme povrch postupně „odprašovat“ ionty argonu a měřit vrstvu po vrstvě. To je ale destruktivní. Je to jako škrábat bramboru, abys viděla, co je pod slupkou.

Karolína: A ta nedestruktivní metoda?

Matěj: To je úhlově rozlišená XPS. Měníš úhel, pod kterým se na elektrony díváš. Čím menší úhel, tím mělčeji se díváš. Elegantní, co? A je to nedestruktivní.

Karolína: A co ta ultrafialová spektroskopie, UPS?

Matěj: To je v podstatě sestřenice XPS. Místo rentgenu použiješ UV záření. To má míň energie, takže vyráží jen ty nejsvrchnější, valenční elektrony. Ještě citlivější na povrch.

Karolína: Takže pro detailní studium chemických vazeb je lepší?

Matěj: Přesně. A pak je tu ještě Augerova elektronová spektrometrie. Ta nám kromě chemického složení umí ukázat i topografii povrchu nebo třeba mechanické napětí.

Karolína: Dobře, takže teď umíme zjistit, z čeho se povrch skládá. Ale co když ho chceme… no, prostě vidět? V obrovském zvětšení?

Matěj: Tak na to potřebuješ elektronový mikroskop. Klíčem je vlnová délka. Elektrony ji mají mnohem kratší než světlo, takže s nimi dokážeme rozlišit mnohem menší detaily.

Karolína: Takže zapomeneme na klasické čočky ze skla.

Matěj: Jistě. Místo nich máme elektromagnetické čočky, které usměrňují svazek elektronů. A celé se to odehrává ve vakuu, aby se nám elektrony nerozptýlily o molekuly vzduchu.

Karolína: A vím, že existují dva hlavní typy. SEM a TEM. Jaký je mezi nimi rozdíl?

Matěj: Základní. U transmisní elektronové mikroskopie, tedy TEM, elektrony vzorkem procházejí. Vzorek tedy musí být extrémně tenký.

Karolína: A u SEM?

Matěj: U skenovací, neboli SEM, svazek elektronů „osahává“ povrch vzorku bod po bodu. Detekujeme pak odražené nebo emitované elektrony. Vzorek může být mnohem tlustší a my získáme krásný 3D obraz jeho povrchu.

Karolína: Takže SEM je na koukání na povrchy a TEM na koukání skrz věci. Zní to logicky.

Matěj: Přesně tak. A právě interakce těch elektronů se vzorkem je klíčová. A to si zaslouží vlastní kapitolu.

Karolína: Tak a máme tu poslední, ale o to zajímavější téma... Transmisní elektronová mikroskopie, zkráceně TEM. Matěji, v čem je tenhle mikroskop jiný?

Matěj: V tom, že se na věci nedíváme... ale prosvěcujeme je! Místo světla používáme proud elektronů, který doslova vystřelí z kovové katody.

Karolína: Takže ne odraz, ale průchod? To znamená, že vzorek musí být asi speciální, že?

Matěj: Přesně tak. Musí být neuvěřitelně tenký, často pod jeden mikrometr. Nesmí totiž elektrony pohltit. Je to jako snažit se prosvítit tlustou zeď baterkou... to prostě nejde.

Karolína: To dává smysl. A co se stane, když ty elektrony konečně projdou?

Matěj: Pak je zachytí soustava čoček. Objektiv vytvoří první zvětšený obraz a projektiv ho pak ještě víc zvětší a promítne na fluorescenční stínítko. A BUM... vidíme vnitřní strukturu buňky.

Karolína: Fantastické. Takže to bychom měli. Probrali jsme si základy světelné i elektronové mikroskopie. Doufáme, že vám to pomohlo udělat si v tom jasno.

Matěj: Určitě ano. Klíčové je pamatovat na rozdíl mezi světlem a elektrony. To ostatní už z toho hezky vyplývá.

Karolína: Děkujeme, že jste poslouchali dnešní Studyfi Podcast. U dalšího dílu se na vás těšíme!

Matěj: Mějte se krásně a u učení zdar! Ahoj.