تشخیص اتم‌های سطحی یک ماده جامد

دانشگاه Lehigh در آمریکا تنها مرکزی است که دو دستگاه قدرتمند برای تشخیص اتم‌های سطحی یک ماده جامد را در اختیار دارد. این دو دستگاه HS-LEIS و HR_XPS هستند. با استفاده از این دو دستگاه هم می‌توان هویت اتم‌های سطحی یک ماده را تشخیص داد و هم ماهیت شیمیایی آنها (همانند حالت اکسیداسیون) را تعیین کرد.

پروفسور هیده برونگرسما از کالج سلطنتی لندن که حساس‌ترین طیف‌سنج دنیا را
برای تشخیص اتم‌ها در سطح یک ماده تولید کرده است، اخیراً برای ایراد یک
سخنرانی به دانشگاه Lehigh آمریکا دعوت شده است. این دانشگاه تنها مرکز در
آمریکاست که این طیف‌سنج پیشرفته را دارد.

برونگرسما که قبلا با دانشگاه آیندهوون در هلند همکاری داشته است، مخترع
دستگاه ION-TOF Qtac 100 است که یک طیف‌سنج پراش یونی با حساسیت بالا و
انرژی پایین (HS-LEIS) است. پراش یونی با اشعه پایین تنها روشی است که می‌تواند
اتم‌های خارجی‌ترین لایه یک سطح جامد را شناسایی کند (تفکیک‌پذیری عمقی
حدود ۳/۰ نانومتر).

 
برونگرسما می‌گوید: « توانایی کنترل
ویژگی‌های سطحی یک ماده در مقیاس اتمی اهمیت بسیار بالایی دارد، چه بخواهید
یک کاتالیزور جدید تولید کنید، یا یک ترانزیستور کوچک‌تر بسازید و یا
ویژگی‌های چسبندگی سطح یک پلیمر را بهبود دهید. برای انجام این کار باید
بتوانید ترکیب سطح ماده را با همان دقت شناسایی کنید».

یک زوج قدرتمند
برای آنالیز سطح یک نمونه نه تنها باید اتم‌های موجود در سطح را تشخیص
دهیم، بلکه باید بتوانیم طبیعت شیمیایی آنها، همچون حالت اکسیداسیون را
شناسایی نماییم.

دانشگاه Lehigh همچنین یکی از قدرتمندترین دستگاه‌های XPS با تفکیک‌پذیری
بالا (HR-XPS) را نیز در اختیار دارد که می‌تواند طبیعت شیمیایی اتم‌ها را
در سطح ماده تعیین کند. این طیف‌سنج فتوالکترونی اشعه ایکس که تنها ۱۱ عدد
از آن در کل دنیا وجود دارد، تنها دستگاه از این نوع در آمریکا به‌شمار
می‌رود.

در روش HS-LEIS از شلیک یون‌های یک گاز بی‌اثر همچون هلیوم یا نئون به سطح
ماده استفاده می‌شود. این یون‌ها با اتم‌های سطحی ماده برهمکنش می‌کنند. در
نتیجه این برهمکنش یا یون‌ها به سطح برخورد کرده و همانند برخورد یک توپ با
یک سطح به سمت عقب بازمی‌گردند و یا اینکه در اثر برخورد با اتم‌های سطحی
مسیر حرکت آنها عوض می‌شود. بدین ترتیب مقداری از ممان یا انرژی یون‌ها به
اتم‌های سطحی منتقل می‌شود. مقدار این انرژی دقیقاً با وزن اتمی اتم‌های
سطح متناسب است. مقدار انرژی یون‌های بازگشتی توسط طیف‌سنج اندازه گرفته
شده و از آن، هویت اتم‌های سطحی استنتاج می‌شود.

حساسیت این دستگاه جدید ۳۰۰۰ برابر بیشتر از دستگاه‌های قبلی بوده و امکان
نقشه‌برداری دوبعدی از سطح نیز با استفاده از آن فراهم می‌شود.