3.3.3. Зондування поверхні молекулярними пучками

Методи типу "Атоми, молекули – атоми, молекули" /3-3/

Метод рмп – розсіяння молекулярного пучка

При взаємодії з поверхнею твердого тіла пучок первинних частинок (атомів та молекул) з енергією, близькою до E_П=3/2kT (при кімнатній температурі приблизно 0,02 еВ), розсіюється під дією потенціалу атомів першого поверхневого шару [2]. У методі РМП вимірюють кількість, склад, швидкість і кутовий розподіл розсіяних первинних частинок або продуктів їх взаємодії з поверхнею. Взаємодія первинних частинок із поверхнею може бути пружною або непружною. При пружній взаємодії спостерігається дифракція первинних частинок на поверхні кристала (частинці газу масою M при температурі T відповідає довжина хвилі де-Бройля ). Для легких молекул та атомів (H₂, H, He) при кімнатній температурі =0,05–0,15 нм, тобто співрозмірна з відстанями між атомами у твердому тілі. Важливу інформацію про властивості поверхні несе кутовий розподіл відбитих частинок, оскільки його ширина пропорційна до висоти нерівностей поверхні.

При непружній взаємодії пучка первинних частинок із поверхнею відбувається обмін енергіями, в результаті у твердому тілі виникають або знищуються фонони. При цьому первинна частинка може бути адсорбована на поверхню або ж втратити частину енергії й повернутися в газову фазу. Характер непружного розсіяння несе інформацію про масу й температуру поверхневих атомів.

3.3.4. Інфрачервоні методи (іч)

3.3.4.1. "ІЧ–іон" /4-2/

ЛМС – лазерна мас-спектрометрія

У ЛМС поверхня зразка зондується сфокусованим випромінюванням лазера (інфрачервоного або видимого діапазону) [2,3]. При достатній енергії випромінювання в результаті сильного локального нагрівання речовини відбувається її випаровування й утворення плазми. Мас- спектрометричне визначення складу, кількості й заряду іонів цієї плазми дозволяє визначити локальний хімічний склад речовини. Характер взаємодії випромінювання з речовиною залежить від густини потоку випромінювання D і тривалості імпульсу лазера. У ЛМС в основному використовуються два режими роботи лазера: вільної генерації й модульованої добротності (гігантського імпульсу).

Імпульси випромінювання лазера, який працює в режимі вільної генерації тривалістю порядку 10^–4 с (D=10⁶–10⁸ Вт/см²), складаються з послідовних порцій випромінювання тривалістю 10^–6 с. Випромінювання практично повністю поглинається в шарі товщиною 10^–6–10^–5 см, внаслідок чого відбувається локальне нагрівання зі швидкістю 10¹⁰ К/с. Через швидке нагрівання до кількох тисяч кельвінів речовина плавиться й відбувається викид газу та пари з утвореного кратера. Розмір кратерів у кілька разів перевищує діаметр лазерного пучка (десятки мікрометрів).

Енергія випромінювання лазера в режимі модульованої добротності приблизно така ж, але тривалість імпульсів порядку 10^–8 с. Через це потужність лазера збільшується на кілька порядків. При густині енергії D=10⁹ Вт/см² лазер в основному використовується на сублімацію й утворення плазми. Утворені іони аналізуються мас- спектрометром, що дозволяє здійснювати хімічний аналіз поверхні. Чутливість визначення наявності атомів домішки складає 10^–3–10^–7 %.

3.3.4.2. "ІЧ–ІЧ" /4-4/

ІЧС – Методи інфрачервоної спектроскопії

Методами ІЧС отримують молекулярні спектри поглинання й відбивання ІЧ-випромінювання [2,3]. ІЧ-область спектра умовно поділяють на ближню (=0,74–2,5 мкм), середню (=2,5–50 мкм) й далеку (=50–2000 мкм). Особливості молекулярних спектрів зумовлені тим, що в молекулах, одночасно з рухом електронів відбуваються періодичні зміни відносного положення ядер (коливальний рух молекул) та періодична зміна орієнтації молекул (обертальний рух молекул). В ІЧ-області розміщено більшість коливальних й обертальних спектрів молекул: у ближній області – коливальні (окремі смуги), а в далекій – обертальні (окремі лінії).

Поглинання ІЧ-випромінювання має селективний характер і відбувається на частотах, які збігаються з деякими власними частотами коливань атомів у молекулах або з частотами обертання молекули як цілого. Внаслідок такого поглинання інтенсивність ІЧ-випромінювання на даних частотах різко зменшується й виникають смуги поглинання (спектр ІЧ-поглинання). Кількісний зв'язок між інтенсивністю І випромінювання, яке пройшло через зразок, та інтенсивністю І_П падаючого випромінювання описується законом Бугера – Ламберта

, (3.3)

де d – товщина поглинаючого шару речовини; k – показник поглинання, який залежить від довжини хвилі випромінювання, хімічної природи й стану речовини.

ІЧ-спектри характеризуються кількістю, шириною та формою смуг поглинання, а також величиною поглинання. Вивчення коливальних і обертальних спектрів із допомогою ІЧС дозволяє визначати структуру молекул, їх хімічний склад, моменти інерції молекул тощо. Тому метод ІЧС широко використовують для вивчення адсорбції та каталізу.