Shrnutí na Metody povrchové analýzy materiálů

## Úvod Elektronová mikroskopie a elektronová spektroskopie jsou souborem metod využívajících interakce elektronů (nebo excitaci částic) se vzorky k získání obrazových, strukturálních a chemických informací. Tento materiál pokrývá hlavně spektroskopické techniky a skenovací elektronovou mikroskopii (SEM), zatímco některé podrobnosti o analýze povrchů a transmisní elektronové mikroskopii jsou vynechány, protože jsou probírány jinde. > Definice: Elektronová spektroskopie jsou metody měřící energie elektronů emitovaných nebo sekundárně vzniklých při interakci vzorku s částicovým či fotonovým buzením za účelem zjištění chemického složení a elektronové struktury. ## Přehled hlavních metod - **X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS / ESCA)** — identifikace prvků, chemických stavů a kvantitativní stanovení prvkového složení v povrchové vrstvě. - **Ultrafialová fotoelektronová spektroskopie (UPS)** — měření valenčních elektronů při nízkých vazebných energiích, citlivé na povrch. - **Augerova elektronová spektrometrie (AES)** — spektrum vzniklé přechody elektronů a emisi Augerových elektronů, často pro lokální analýzu povrchů. - **Skenovací elektronová mikroskopie (SEM)** — obrazová technika založená na sledování sekundárních a odražených elektronů ze vzorku. ## XPS / ESCA — principy a použití ### Princip - Základ: vzorek je ozářen rentgenovým zářením, vzniklé fotoelektrony mají kinetickou energii, ze které lze odvodit vazebnou energii. Změny vazebných energií informují o chemickém prostředí atomů. - Vysoko rozlišená XPS dokáže detekovat posuny vazebné energie vyplývající ze změn elektronové hustoty při tvorbě chemických vazeb. > Definice: XPS měří kinetické energie fotoelektronů a z nich odvozuje vazebné energie, což umožňuje identifikovat prvky a jejich oxidační stavy v několika atomových vrstvách povrchu. ### Informace a hloubka analýzy - Charakteristická hloubka informace: přibližně $2$ až $10$ atomových vrstev povrchu. - Kvantitativní analýza možná díky intenzitám píků a korekcím citlivosti. ### Aplikace - Povrchy kovů, polovodičů, polymerů, skla, keramiky - Katalyzátory, koroze, elektronika, nanomateriály, biokompatibilní materiály ### Hloubkový profil 1. Odprašování povrchu (ionty argonu) - Výhoda: analýza do hloubky až ~1 \mu m - Nevýhoda: destruktivní, poškození povrchu 2. Úhlově rozlišená XPS (AR-XPS) - Nedestruktivní, měření do hloubky cca $10\ \mathrm{nm}$ - Snížení úhlu odběru elektronů do analyzátoru snižuje informační hloubku Did you know že změny vazebných energií v XPS mohou být řádově $0{.}1\text{–}2\ \mathrm{eV}$ a pomáhají rozlišit různé oxidační stavy stejného prvku? ## UPS — ultrafialová fotoelektronová spektroskopie ### Princip - Vzorek je ozářen ultrafialovým zářením, dochází k emisi valenčních elektronů. - Typické vazebné energie v UPS jsou do $40\ \mathrm{eV}$, nízké energie znamenají vyšší povrchovou citlivost. > Definice: UPS je metoda měřící energii vyražených valenčních elektronů při UV buzení, vhodná pro studium valenční pásové struktury a elektronové hustoty na povrchu. ### Vlastnosti a využití - Lepší rozlišení spektra při velmi nízkých vazebných energiích než XPS - Používá se modely molekulových orbitalů pro interpretaci, lze pozorovat vibrační struktury - U molekul lze rozlišit charakteristické pásy a porovnat je s databázemi pro identifikaci molekul - ARUPS (úhlově rozlišená UPS) umožňuje zjišťovat distribuci elektronů podle směru emise — důležité např. pro studium elektronové struktury vysokoteplotních supravodičů Věděli jste, že UPS často využívá He(I) záření s energií $21{.}22\ \mathrm{eV}$ nebo He(II) s $40{.}81\ \mathrm{eV}$ pro excitaci valenčních elektronů? ## Augerova elektronová spektrometrie (AES) ### Princip - Po buzení (elektrony nebo fotony) nastane vnitřní vyprázdnění hladiny a uvolněním energie dojde k emisi Augerových elektronů. Energie těchto elektronů je charakteristická pro chemický prvek. > Definice: AES monitoruje energie Augerových elektronů vzniklých př