Światowe standardy metrologii powierzchni powstają w Polsce

Badanie powierzchniowych warstw materiałów metodami spektroskopowymi, niezwykle istotne dla nanotechnologii, inżynierii materiałowej, mikroelektroniki i wielu innych dziedzin, wymaga znajomości pewnych parametrów dostępnych w bazach danych rozprowadzanych obecnie przez amerykański Narodowy Instytut Technologii i Standaryzacji NIST. Bazy te, wykorzystywane przez naukowców z całego świata, powstają dzięki prof. dr. hab. Aleksandrowi Jabłońskiemu z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

Zewnętrzne warstwy materiałów, grubości zaledwie kilku-kilkunastu warstw atomowych, odgrywają główną rolę w tak ważnych dziedzinach jak mikroelektronika i tak istotnych procesach jak kataliza czy korozja. Warstwy te bada się obecnie za pomocą tzw. powierzchniowo czułych metod spektroskopowych. Skuteczna analiza pomiarów wymaga jednak uwzględnienia pewnych parametrów, dostępnych w bazach danych rozprowadzanych przez amerykański Narodowy Instytut Technologii i Standardyzacji w Waszyngtonie (National Institute of Standards and Technology, NIST). Bazy te powstają dzięki pracy prof. dr hab. Aleksandra Jabłońskiego z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk. Wprowadzenie do dystrybucji najnowszej z nich zbiega się z uhonorowaniem osiągnięć prof. Jabłońskiego prestiżową Nagrodą Naukową im. Marii Skłodowskiej-Curie, przyznawaną przez Polską Akademię Nauk.

Powierzchnia materiałów decyduje o sposobie, w jaki oddziałują one z otoczeniem. Obecność zanieczyszczeń może jednak zmienić powierzchnię w sposób trudny do przewidzenia. „Nawet wtedy, gdy w materiale znajduje się zaledwie kilka obcych cząsteczek na milion, zanieczyszczenia mogą wypłynąć na zewnątrz i pokryć całą próbkę. Powierzchniowe własności takiej substancji będą wówczas inne niż wnętrza materiału” – mówi prof. Jabłoński i podkreśla, że wiedza o rzeczywistych własnościach fizycznych i chemicznych powierzchni materiałów ma ogromne znaczenie dla przemysłu korzystającego z najnowszych osiągnięć inżynierii materiałowej, mikroelektroniki oraz rozmaitych nanotechnologii.

Do badania powierzchni stosuje się najczęściej dwie metody badawcze: spektroskopię fotoelektronową oraz spektroskopię elektronów Augera. W pierwszej z nich powierzchnię próbki oświetla się promieniowaniem rentgenowskim i obserwuje elektrony wybite z warstw powierzchniowych przez fotony. W drugiej metodzie materiał jest bombardowany monochromatyczną wiązką elektronów; bada się wówczas energie elektronów emitowanych wskutek wewnątrzatomowych przejść bezpromienistych (a więc takich, którym nie towarzyszy emisja fotonu). Ponieważ wyłącznie elektrony wyrzucone z atomów przy powierzchni mają szansę wydostać się poza próbkę bez straty energii, obie metody „widzą” tylko kilka najbardziej zewnętrznych warstw atomowych materiału.

Za pomocą spektroskopii fotoelektronowej można analizować m.in. wartościowość i formę chemiczną pierwiastków oraz rozkład związków chemicznych na powierzchni materiałów, w tym nieprzewodzących, takich jak substancje pochodzenia biologicznego, ceramiki czy tworzywa sztuczne. Ponieważ wiązkę elektronów łatwiej skupić niż promieniowanie rentgenowskie, spektroskopia elektronów Augera pozwala z kolei otrzymać większą rozdzielczość rozkładu pierwiastków na powierzchni, dochodzącą w najnowszych urządzeniach do zaledwie 10 nanometrów.

Wykonanie poprawnych analiz za pomocą spektroskopii powierzchniowo czułych wiąże się z koniecznością opracowania wiarygodnej teorii transportu elektronów w obszarze powierzchniowym materii skondensowanej. Do formalizmu matematycznego opisującego to zjawisko wprowadzono pewne parametry umożliwiające ilościową analizę powierzchni. Rozszerzenie teorii dokonane przez prof. Jabłońskiego oraz jego propozycje nowych parametrów zaowocowały stworzeniem obszernych baz danych, ułatwiających pracę użytkownikom spektroskopii elektronowych. Kompilacje te – zawierające takie parametry jak przekroje czynne na rozpraszanie elektronów, średnie drogi swobodne elektronów oraz drogi pochłaniania elektronów – wzbudziły zainteresowanie amerykańskiego Narodowego Instytutu Technologii i Standardyzacji NIST, który podjął się ich dystrybucji. W rezultacie w latach 2001-2010 rozprowadzono ponad 2000 pakietów programowych zawierających bazy danych przygotowane w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Bazy te są wykorzystywane powszechnie przez naukowców z całego świata. Niedawno prof. Jabłoński zakończył testy kolejnej bazy danych, SRD 154, tym razem zawierającej tzw. modyfikowane czynniki wstecznego rozpraszania. Baza ta zostanie wkrótce wprowadzona do dystrybucji przez NIST.

Za prace nad zwiększaniem dokładności analiz powierzchni za pomocą technik spektroskopowych, w tym za przygotowanie baz danych dla NIST, prof. Jabłoński właśnie otrzymał prestiżową Nagrodę Naukową im. Marii Skłodowskiej-Curie. Nagroda jest przyznawaną przez Wydział III Nauk Matematycznych, Fizycznych i Chemicznych Polskiej Akademii Nauk corocznie, naprzemiennie z fizyki i chemii. Jej laureatami zostają polscy naukowcy nie będący członkami PAN, których wybitne i twórcze prace w szczególny sposób przyczyniły się do rozwoju nauki. Uroczyste wręczenie nagrody prof. Jabłońskiemu odbędzie się w najbliższych dniach.

Attached files
  • Spektrometr wielokomorowy w Instytucie Chemii Fizycznej PAN. Urządzenie umożliwia przeprowadzanie pomiarów za pomocą powierzchniowo czułych technik analitycznych, takich jak spektroskopia fotoelektronow i spektroskopia elektronów Augera. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)
  • PDF file
  • Prof. dr hab. Aleksander Jabłoński (po lewej) przy spektrometrze wielokomorowym w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie podczas wizyty ambasadora Japonii. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

Other content in...

Categories

Keywords

Regions