A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában

Az előadások a következő témára: "A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában"— Előadás másolata:

1 A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában
A felülettudomány rövid története és szerepe napjaink technológiájában Néhány alapfogalom: vákuum, nagyvákuum, ultravákuum szilárdtestkémia szilárdtestfizika vékonyréteg fizika felülettudomány elektronspektroszkópia pásztázó atomszondás mikroszkópia adszorpció, deszorpció adszorpciós hely, centrum felületi rekonstrukció, relaxáció korrozió, katalízis, bevonatok nanorészecskék, egyelektron eszközök mikro- és nanoelektronika

2 vákuum, vákuumtechnika, vákuumipar
(nano-mbar) atmoszféra 10–9 mbar mbar mbar mbar mbar ultravákuum nagyvákuum vákuum rotációs abszorpciós iongetter titánszublimációs krio(ab)szorpciós turbomolekuláris olajdiffúziós vákuumszivattyúk vákuummérők gyártmányokhoz kapcsolódó vákuum ionizációs hővezetőképesség Bayard-Alpert cső Piráni kapacitív, piezoelektromos nyomásérzékelők ultravákuum technológia nanoelektronika nagy integráltságú áramkör nanotechnológia ürtechnika izzólámpa rádiócsövek tranzisztor, integrált áramkör mikroelektronikai ipar kisülési csövek neonok, reklámcsövek

3 ultravákuumtechnikai ipar (UHV technika)
a vákuumtechnika rohamos fejlődését és iparággá fejlődését alapvetően ösztönözte az izzólámpagyártás valamint a tv-rádió gyártásban alkalmazott eletroncsövek (dióda, trióda, pentóda) előállításának tömegigénye; az 1950-es években megjelent mikroelektronika (dióda, tranzisztor gyártás) szükségessé tette a vákuumtechnika további fejlesztését, s így átléptünk az ultravákuum technika korába; UHV technikára szakosodott világcégek létrejötte Vacuum Generators Ltd. Kurt Lesker Company Balzers Ltd., Kratos Ltd Leybold Ltd, stb. nagyfokú szabványosítás, modulrendszerű építkezés beszállítói hálózat kiépítése szakkatalógusok megjelenése internetes tájékoztatás

4 UHV alkatrész csoportok I.
vákuumszivattyúk UHV kamratestek iongetter rotációs turbomolekuláris

5 UHV alkatrész csoportok II.
vákuummérők ion források Piráni mérők betekintő ablakok ionizációs mérők szelepek

6 UHV alkatrész csoportok III.
elektromos bevezetők manipulátorok További lehetséges alkatrészek: UHV kompatilis ragasztó és kenő anyagok, fém-üveg átmenetek, olajszűrők, hűthető-fűthető minta-tartók, a mérési feledathoz szükséges analizátorok (tömegspetrométek, elektron-energia analizátorok, párologtató források, kifűtő sátrak.

7 Legfontosabb elektronenergia analizátorok
Félgömb analizátor (hemispherical analyzer) HA /UPS, XPS, ESCA Hengertükör analizátor (cylindicar mirror analyzer) CMA /AES, ELS Fékező rácsos analizátor (retarding field analyzer) RFA /AES-LEED 127o-os analizátor / HREELS, ARUPS

8 az UHV kompatíbilis felületanallitikai nagyberendezésekben végezhető kutatási és fejlesztési munka elengedhetetlen eszközei nagytisztaságú anyagok (sokszor szilárdtest egykrisytályfelületek) és gázok (pl. 5N tisztaság legalább % tömegszázalékos tisztaságot jelet) az alábbi néhány legfontosabb felületanalitikai módszer közül legalább két-hármat kombinálni kell egy készülékben AES (Auger-elektron spektroszkópia), SAM (pásztázó Auger-elektron mikroszkópia) XPS-UPS-ESCA (fotoelektron spektroszkópia), MS-TPD (termikus deszorpciós tömegspektrometria), SPM (pásztázó atomszondás mikroszkópia), RAIRS (reflexiós abszorpciós infravörös spektroszkópia), HREELS (nagyfelbontóképességű elektronenergiaveszteségi spektroszkópia), SIMS (szekundérion tömegspektrometria), LEED (kis energiájú elektron diffrakció), RHEED (reflexiós nagyenergiájú elektrondiffrakció), NEXAFS (abszorpciós-él finomszerkezet röntgen-fotoelektron spektroszkópia); a minták kezeléséhez feltétlenül szükséges egy megfelelő fűthető mintatartó valamint egy kisenergiájú Ar ionágyú a felületi szennyezések leporlasztására

9 Az elemi részecskék tanulmányozására kialakított részecske gyorsítók lehetővé tettek egy speciális alkalmazást, nevezetesen az igen széles frekvencia tartományban jó intenzitású fotonnyalábot biztosító szinktrotront, amely lényegében egy speciális elektrongyorsító kiegészítve foton-kicsatolást lehetővé tevő munkaállomásokkal (folytonos frekvencia színkép, nagy intenzitás) Trieste Barcelona ALBA, Barcelona, Spain ANKA, Karlsruhe, Germany BESSY, Berlin, Germany DELTA, Dortmund University, Germany DESY, Hamburg, Germany DIAMOND, Oxon, UK ELSA, Bonn University, Germany ESFR, Grenoble, France NSA, University of Aarhus, Denmark LURE, Orsay, France MAX-LAB, Lund University, Sweden SLS, Villigen, Switzerland SRS, Daresbury, UK 3. kiszolgáló épületek 2. tároló gyűrű 1. lineáris gyorsító

10 A szinkrotron forrás (tárológyűrű) köré települt munkaállomások (beamline) előre meghatározott, speciális anyagtudományi célra építve

11 LINAC Például: Maximum Beam Energy 2 GeV ; Injection Beam Energy 1
LINAC Például: Maximum Beam Energy 2 GeV ; Injection Beam Energy 1.0 GeV Current at 80 ns 30 mA; Energy Spread < ± 0.5 % Az így létrehozott elektron-impulzus csomagot bejuttatják a tárológyűrűbe (injektálás), fokozatosan növelik az energiáját, stabilizálják, majd mágneses kicsatolással elektromágneses sugárzást (foton nyalábot) állítanak elő, amely megfelelő kezelés (fokuszálás, monokromatizásálás) után a munkaállomásokra kerül, s gerjesztő fotonokként szolgál különböző fotoelektronspektroszkópiai módszerekhez.

12 A munkaállomások kezdő pontja, az energia kicsatolást végző „undulátor” alapelve:
Az elektron mozgása Mágneses térben Z Dipole Figyelem: az x-irányú sebesség kezdetben zéró, de az eltérrülés előrehaladtával megnő Lorentz törvény N e- S S X direction out of screen Dipole Bo (-ve) S Electron Trajectory Bo (+ ve) X

13 665 . E B = e e- e- gyorsuló töltés által kibocsájtott foton emisszió
(eltérítő mágnes okozta sugárzás) minden gyorsuló töltött részecske elektromágneses sugárzást bocsájt ki q Tároló gyűrű Dipol sugárzás Arc munkaállomás e- pályat Dt = 0 pillanatnyi emisszió Emission Cone Opening Angle a e- a S Az emissziós pont érintője Instantaneous Emission Point X Az emittált foton karakterisztikus energiájának értéke ec – karakterisztikusfoton energia [keV] E – elektron energia [GeV] Bo – mágneses indukció [Tesla] 2 665 . E B c o = e A teljes eltérítés (körív) során létrejött fotoemisszió e- sugárzási kúp

14 e- A kibocsájtott sugárzás jellegzetességei Mágneses eltérítő
Alkalmazott mágnes anyagok : NdFeB, Sm2Co17 Mágneses eltérítő A kibocsájtott sugárzás jellegzetességei t1 e- a A kimenet mindenképpen egy a látószögre terjed ki megfigyelő Dte görbületi sugár undulator a megfigyelő által látott elektromos tér E(t) Dtd a fotoemisszió intenzitása Fourier transzf. karakterisztikus energia e t1 Time ec A Fourier transzformáció (FT) alapvető tulajdonsága az, hogy minél keskenyebb az impulzus, annál szélesebb az FT során megjelenő frekvecia tartomány

15 L = L0 k 1 - k = c2 m0 m = k v2 Relativisztikus hatás
A GeV energiájú elektronok erősen relativisztikusan viselkednek (a Newton törvények nem érvényesek). Vezessük be a relativisztikus paramétert: g , ahol g értéke meghatározza a sugárzás szögdiszperzitását: a = 1/ g [radians] E = 3GeV esetén g = 5871 így a = 0.17 mrad = 0.01° L = L0 k v2 relativisztikus távolságcsökkenés k = 1 - c2 m0 m = relativisztikus tömegnövekedés k

16 e- az undulátor (kicsatoló) alapelve lu Z S qmax S X
ellentétes irányban eltérítő mágnesek sorozata K eltérülési paraméter K = lu [mm] Bo [T] Milyen lesz az indukált foton sugárzás jellege ? K << 1: nagyon kis mágneses tér nagyon rövid periodicitás lu Z lu x (N periódus) e- É D É D É D S D É D É D É 7 Lorentz lu kontrakció Doppler-hatás lu Combined lr Effect ~GeV energia esetén 2g2 ~ 10 vagyis lu ~ mm lr ~ A X S max eltérülés qmax = K / g qmax Tehát makroszkopikus mágnes sorozat hatására nm-es hullámhosszban kapunk elektromágneses sugárzást.

17 Mágneses eltérítés által indukált elektromágnese sugárzás:
A szinkrotron források müködéséhez szükséges legfontosabb fizikai elvek összefoglalása tekintve, hogy a felgyorsított elektronok sebessége a működési energiákon akár %-ra megközelíti a fénysebességet, igy az ebből adódó hatások figyelembevétele elkerülhetetlen Mágneses eltérítés által indukált elektromágnese sugárzás: mágneses térben a törltött részecskék gyorsulnak és eközben eletromágneses sugárzást (fotonokat) keltenek Relativisztikus hatás: fénysebesség közelében az elektron tömege a relativitás elmélet alapján jelentősen nő, s ezt a elektron nyaláb „kezelésekor” figyelembe kell venni. Továbbá, a nagy sebessége miatt az álló tárgyakat sokkal rövidebbnek „látja” az elektron, mint az álló tárgy kordináta rendszerében lenne (Lorentz-kontrakció). Doppler effektus: A sebesség következtében, hasonlóan a hanghullámok esetéhez, a mozgó tárgyról (a nagy energiájú elektron) kibocsátott hullám rekvenciája megnő (hullámhossza lecsökken) az álló megfigyelő számára.

18 Néhány fontos kutatási téma, amelyek csak szinkrotron-források
mellett művelhető Nagyon gyors és nagy laterális felbontásó XPS UPS mérések Molekulaszerkezeti vizsgálatok fotodiffrakciós mérésekkel Egyéb diffrakciós mérések szilárdtestfelületeken Felületi reakciók „real time” követése Nanoszerkezetek tanulmányozása fotoelektronspektroszkópiával Komplex molekulák szerkezete EXAFS, NEXAFS módszerekkel Gyógyszer-, fehérje-, génkutatás