Prawda o powierzchni

Jarosław Chrostowski


Pomysł wydawał się prosty: bombardować powierzchnię próbki promieniami rentgenowskimi i badać energie emitowanych elektronów. Zarejestrowane linie widmowe miały pozwalać na identyfikację pierwiastków, a nawet na oszacowanie ich ilości w zewnętrznych warstwach materiału. Ale sygnały nie zgadzały się z rzeczywistością. Eksperymentatorom zajęło rok, zanim zdali sobie sprawę, że doświadczenie jest znacznie bardziej czułe niż oczekiwano i że przez cały czas analizowali nie próbkę, lecz... znajdujący się na niej przypadkowy odcisk palca. Anegdota nie pochodzi ze studenckiego laboratorium. To opowieść prof. Kaia Siegbahna, człowieka, który za swe pozornie nieudane doświadczenie – odkrycie spektroskopii fotoelektronów – otrzymał w 1981 roku Nagrodę Nobla.

Jest przewrotnym kaprysem natury, że to, co widzimy, często nie jest tym, co wydaje się nam, że oglądamy. Nawet niewielkie ilości zanieczyszczeń w ciele stałym, rzędu paru cząsteczek na milion, mogą „wypłynąć” na zewnątrz materiału i pokryć całą jego powierzchnię. Utworzona w wyniku tej tzw. segregacji warstwa w znacznym stopniu zmienia właściwości próbki. Dlatego tak istotne jest poznanie zjawisk fizycznych i chemicznych zachodzących w najbardziej zewnętrznych warstwach ciała stałego. – Odpowiednio dobierając energię promieniowania rentgenowskiego możemy analizować własności od dwóch do dziesięciu warstw atomowych. W wielu przypadkach, jak kataliza, korozja czy mikroelektronika, to właśnie one decydują o przebiegu procesów – wyjaśnia prof. Aleksander Jabłoński, dyrektor Instytutu Chemii Fizycznej PAN, w którym prowadzi się badania za pomocą powierzchniowo czułych spektroskopii elektronowych.

Atomy warstwa po warstwie

Analiza fotoelektronów (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis, ESCA lub X ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) to nie jedyna metoda badania powierzchni używana w Laboratorium Specjalistycznym Spektroskopii Elektronowych IChF PAN. Drugim istotnym narzędziem jest spektroskopia elektronów Augera (Auger Electron Spectroscopy, AES). W tym przypadku powierzchnię próbki bombarduje się nie promieniami rentgenowskimi o określonej energii, lecz monoenergetyczną wiązką elektronów (1-25 keV), a następnie bada się energie elektronów emitowanych w wyniku wewnątrzatomowych przejść bezpromienistych. Ponieważ tylko elektrony wyrzucone z atomów w pobliżu powierzchni mają szansę wydostać się poza próbkę, metoda „widzi” wyłącznie najbardziej zewnętrzne warstwy atomowe.

Mechanizm przejścia Augera jest nieco bardziej złożony niż w przypadku emisji fotoelektronu. W pewnym uproszczeniu polega on na tym, że po wybiciu elektronu z wewnętrznej powłoki elektronowej atomu powierzchniowego (czyli po zjonizowaniu), elektrony znajdujące się na wyższych poziomach energetycznych mogą wypełnić powstałą „dziurę”, z czym wiąże się emisja kwantu promieniowania. Kwant ten może z kolei jonizować inny poziom elektronowy, a emitowany wówczas elektron ma charakterystyczną dla danego pierwiastka energię (na cześć odkrywcy efektu elektron ten jest nazywany elektronem Augera). Rejestrowanie energii elektronów emitowanych z powierzchni pozwala zatem na identyfikację pierwiastków, a pomiar ich prądu – na oszacowanie ilości danego pierwiastka. Obecnie dokładność metod analizy ilościowej za pomocą metod spektroskopowych badania powierzchni wynosi kilka procent atomowych. Na pierwszy rzut oka nie wydaje się ona rewelacyjna, ale trzeba pamiętać, że pomiar dotyczy tylko paru pierwszych warstw atomowych. (...)

Pełny tekst w wydaniu drukowanym.
Jarosław Chrostowski, z wykształcenia fizyk, jest popularyzatorem wiedzy.