Streszczenie Metody analizy powierzchniowej materiałów

## Wprowadzenie Mikroskopia elektronowa i spektroskopia elektronowa są zbiorem metod wykorzystujących interakcje elektronów (lub wzbudzenie cząstek) z próbkami w celu uzyskania informacji obrazowych, strukturalnych i chemicznych. Niniejszy materiał obejmuje głównie techniki spektroskopowe i skaningową mikroskopię elektronową (SEM), natomiast pewne szczegóły dotyczące analizy powierzchni i transmisyjnej mikroskopii elektronowej zostały pominięte, ponieważ są omawiane gdzie indziej. > Definicja: Spektroskopia elektronowa to metody mierzące energie elektronów emitowanych lub powstałych wtórnie podczas interakcji próbki z wzbudzeniem cząstkowym lub fotonowym w celu określenia składu chemicznego i struktury elektronowej. ## Przegląd głównych metod - **Spektroskopia Fotoelektronów Rentgenowskich (XPS / ESCA)** — identyfikacja pierwiastków, stanów chemicznych oraz ilościowe oznaczanie składu pierwiastkowego w warstwie powierzchniowej. - **Spektroskopia Fotoelektronów Ultrafioletowych (UPS)** — pomiar elektronów walencyjnych przy niskich energiach wiązania, czuła na powierzchnię. - **Spektrometria Elektronów Augera (AES)** — widmo powstałe w wyniku przejść elektronowych oraz emisji elektronów Augera, często stosowana do lokalnej analizy powierzchni. - **Skaningowa Mikroskopia Elektronowa (SEM)** — technika obrazowania oparta na detekcji elektronów wtórnych i wstecznie rozproszonych ze próbki. ## XPS / ESCA — zasady i zastosowania ### Zasada - Podstawa: próbka jest napromieniowywana promieniowaniem rentgenowskim, powstałe fotoelektrony posiadają energię kinetyczną, z której można wyprowadzić energię wiązania. Zmiany energii wiązania informują o środowisku chemicznym atomów. - XPS o wysokiej rozdzielczości jest w stanie wykryć przesunięcia energii wiązania wynikające ze zmian gęstości elektronowej podczas tworzenia wiązań chemicznych. > Definicja: XPS mierzy energie kinetyczne fotoelektronów i na ich podstawie wyznacza energie wiązania, co pozwala na identyfikację pierwiastków i ich stanów utlenienia w kilku atomowych warstwach powierzchni. ### Informacje i głębokość analizy - Charakterystyczna głębokość informacji: około $2$ do $10$ atomowych warstw powierzchni. - Analiza ilościowa jest możliwa dzięki intensywnościom pików i korekcjom czułości. ### Zastosowania - Powierzchnie metali, półprzewodników, polimerów, szkła, ceramiki - Katalizatory, korozja, elektronika, nanomateriały, materiały biokompatybilne ### Profilowanie głębokościowe 1. Rozpylanie jonowe powierzchni (jonami argonu) - Zaleta: analiza do głębokości do ~1 \mu m - Wada: destrukcyjne, uszkodzenie powierzchni 2. XPS z rozdzielczością kątową (AR-XPS) - Niedestrukcyjne, pomiar do głębokości około $10\ \mathrm{nm}$ - Zmniejszenie kąta detekcji elektronów przez analizator zmniejsza głębokość informacji Czy wiesz, że zmiany energii wiązania w XPS mogą wynosić rzędu $0{.}1\text{–}2\ \mathrm{eV}$ i pomagają rozróżnić różne stany utlenienia tego samego pierwiastka? ## UPS — ultrafioletowa spektroskopia fotoelektronów ### Zasada działania - Próbka jest naświetlana promieniowaniem ultrafioletowym, w wyniku czego następuje emisja elektronów walencyjnych. - Typowe energie wiązania w UPS wynoszą do $40\ \mathrm{eV}$, przy czym niskie energie oznaczają wyższą czułość powierzchniową. > Definicja: UPS to metoda mierząca energię wybitych elektronów walencyjnych podczas wzbudzenia UV, odpowiednia do badania struktury pasma walencyjnego i gęstości elektronowej na powierzchni. ### Właściwości i zastosowania - Lepsza rozdzielczość widma przy bardzo niskich energiach wiązania niż XPS - Do interpretacji wykorzystuje się modele orbitali molekularnych, można obserwować struktury wibracyjne - W przypadku molekuł można rozróżnić charakterystyczne pasma i porównać je z bazami danych w celu identyfikacji molekuł - ARUPS (kątowo rozdzielcza UPS) umożliwia określanie rozkładu elektronów w zależności od kierunku emisji — co jest ważne np. dla badania struktury elektronowej wysokotem