§ 2. Методы зондирования
Зондирование – метод исследования поверхности вещества при помощи зонда. Большинство методов с высокой чувствительностью и высоким разрешением основаны на зондировании объекта управляемым потоком частиц или волн. К счастью, имеется широкий выбор зондов: фотоны, электроны, ионы, нейтральные атомы, нейтроны и фононы, каждый из которых находит конкретное применение. Разнообразны и методы детектирования: можно регистрировать либо сами частицы после рассеивания на объекте, либо частицы других типов, образовавшихся при взаимодействии зондирующих частиц с объектом. Возможности некоторых аналитических приборов значительно расширяются благодаря различным методам детектирования.
Рис. Методы анализа поверхности. Указаны различные виды зондирующего действия на поверхность и выходящих с поверхности частиц, которые можно регистрировать
Основные требования к методам зондирования
Выбор зондирующего прибора для конкретных аналитических целей определяется основными требованиями в каждом конкретном случае. Ни один прибор не может определять все одинаково хорошо. Вообще говоря, должны обеспечиваться все или большинство следующих возможностей:
1) Построение изображения, т. е. в общем случае — двумерной карты некоторой части объекта в увеличенном масштабе. Требуемое разрешение лежит в пределах от оптического диапазона (~500 нм) до субнанометрового атомного уровня.
2) Элементный анализ. Здесь диапазон нужной чувствительности также огромен — от объемной стехиометрии до концентрации загрязнений одна часть на триллион, т. е. диапазон в тринадцать порядков. Часто требуется двумерное представление распределения элемента.
3) Идентификация соединений. Часто важно знать природу химической связи элементов в данном образце. Сама по себе идентификация элементов часто недостаточна для решения рассматриваемой проблемы.
4) Распределение по глубине. В дополнение к информации о поверхности зачастую нужно знать состав и строение материала в функции глубины от поверхности, составляющий обычно до нескольких микрометров. Распределение можно определить как без разрушения объекта (метод СОРР), так и с разрушением при удалении атомов с поверхности (методы анализа оже-электронов и ВИМС).
5) Определение положения. Часто для установления связи аналитических измерений с конкретными элементами прибора необходимо точно знать положение точки анализа на объекте. Довольно просто это выполнить с помощью системы построения изображения, например растрового электронного микроскопа (РЭМ), однако значительные затруднения возникают при недостаточном разрешении метода или при отсутствии опорной точки типа реперного знака. Может случиться, что только на поиск места анализа будут потрачены часы, а то и дни.
Первыми из зондирующих частиц человек использовал фотоны. Они всегда легко доступны, а их детектирование в видимом диапазоне не требует специального оборудования. Развитие оптических приборов с древнейших времен изобретения преломляющей линзы и до наших дней сыграло существенную роль в прогрессе физики. Фотоны можно получить практически во всем интересующем нас диапазоне энергий — от радиочастотного, применяемого для ядерного магнитного резонанса, через инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет до рентгеновских и гамма-лучей и даже до диапазона высоких энергий физики элементарных частиц.
Рис. 1. Методы, основанные на облучении фотонами
Когда наилучшее пространственное разрешение, обеспечиваемое фотонами, оказывается недостаточным, в качестве зондирующих частиц можно применять электроны. Отрицательный заряд электрона позволяет создавать электростатические и электромагнитные линзы, а масса электрона такова, что длина его волны, подходящая для микроскопии высокого разрешения, получается в приемлемом диапазоне энергий.
Наличие электрического заряда приводит к более сильному взаимодействию электрона с веществом, чем фотона той же энергии, и к соответствующему уменьшению глубины проникновения. Это создает некоторые неудобства эксперимента, например необходимость высоковакуумного оборудования, а при работе на просвет — очень тонких образцов. С другой стороны, малая глубина проникновения имеет свои преимущества, так как зачастую желательно исследовать лишь тонкий слой материала.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
