Metode şi tehnici de studiu a suprafeţelor

2011-2012

Strategii de cercetare in fizica suprafetelor

O alta abordare: masuratori:

(a) in timp real in situ (XRD, Mössbauer, infrared, EXAFS)

(b) dupa “inghetarea” starii investigate

Conditii reale (p =1 atm, T ridicate)

Materiale/suprafete reale

UHV Monocristale

Completarea informatiilor ulterioare prin:

(i) modelare pe monocristale

(ii) recurgerea la tehnici UHV

Tehnici care ar putea fi devoltate în acest curs (subiecte la alegere)

1. Temperature programmed techniques (TPD) 1a. Temperature programmed reduction (TPR)

1b. Temperature programmed sulfidation (TPS) – cataliza 1c. Temperature programmed reaction spectroscopy (TPRS).

2. Spectroscopii de fotoemisie 2a. X-ray Photoelectron spectroscopy (XPS) 2b. Ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS)

- Auger Emission spectroscopy

3. Spectroscopii ionice 3a. Secondary ion mass spectrometry (SIMS)

3b. Secondary neutral mass spectrometry (SNMS) 3c. Rutherford backscattering (RBS) 3d. Low-energy ion scattering (LEIS)

Tehnici care ar putea fi devoltate în acest curs (II)

4. Spectroscopii Moessbauer 4a. Moessbauer absorption spectroscopy (MAS) 4b. Moessbauer emission spectroscopy (MES)

5. Metode de difractie (X-ray diffraction=XRD, Low-energy electron diffraction=LEED) si EXAFS (Extended X-ray absorption fine structure).

6. Microscopie si imagistica 6a. Transmission electron microscopy (TEM) 6b. Scanning electron microscopy (SEM) 6c. Electron microprobe analysis (EMA) 6d. Energy dispersive X-ray Analysis (EDX/EDAX) 6e. Field emission microscopy (FEM)

Tehnici care ar putea fi devoltate în acest curs (III)

6f. Field ion microscopy (FIM) 6g. Atomic force microscopy (AFM) 6h. Scanning tunneling microscopy (STM) 6i. Photoemission electron microscopy (PEEM) 6j. Ellipsometry microscopy for surface imaging (EMSI)

7. Spectroscopii de vibratie 7a. Infrared spectroscopy (IS) 7b. Transmission infrared spectroscopy (TIS) 7c. Diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIS) 7d. Raman spectroscopy 7e. Electron energy loss spectroscopy (EELS)

8. Wettabilitate, unghi de contact, energia libera de suprafata 8a. Sessile drop: metode statice, metode dinamice 8b. Hidrofobicitate-hidrofilicitate

Regimuri de curgere a gazelor

A.  Curgere vâscoasă •  Presiunea > 10-4 mbar

•  Drumul liber mediu – scurt

•  Procese de ciocnire: moleculă-moleculă

•  Transfer de impuls intre molecule

•  Gradienți de presiune semnificativi

•  Curgere: laminară, vâscoasă (Poiseuille), turbulenta

•  K < 0.01

B. Curgere moleculară

•  Presiunea < 10-4 mbar

•  Drumul liber mediu – lung

•  Procese de ciocnire: molecula-perete mult mai frecvente de cat molecula-molecula.

•  Gradienti de presiune neglijabili.

•  Efect de pompare prin ciocnire cu suprafete de pompare.

•  K > 1

K = λ/a, Nr. lui Knudsen

0.01 < K < 1 curgere in regim intermediar (Knudsen)

Echipamente într-un exemplu tipic Domenii de funcționare ale de incintă UHV pompelor standard

Echipamente pentru UHV

P(Torr)

Echipamente pentru UHV

Instalația XPS TU Eindhoven, Olanda (detaliu)

Instalația XPS UAIC (detaliu)

Notiuni de tehnica vidului

•  Limita dintre HV si UHV: 10-9 mbar.

•  Fluxul de particule spre o suprafață expusă:

•  Concentrația de molecule: Drumul liber mediu:

•  Timpul de formare a unui monostrat de molecule:

•  n0 - nr. de molecule de pe unitatea de suprafață (1015 cm-2 s-1)

Exemplu:

în cazul azotului (M = 28) la 300 K, 1ML se formează în aprox. 1s, la o presiune de 10-6 mbar. Același 1 ML se va forma în 100 s la 10-8 Torr.

1 Langmuir (1L) = doza de molecule de gaz încastă de 1 cm2 de suprafață, timp de o secundă din amosfera aflată în contact cu suprafața, în condiții de presiune de 10-6 Torr.

€

I =p

2πmkT

€

n =pkT

€

λ =1nσ

€

τ =n0I

=n0 2πmkT

p

Notiuni de tehnica vidului

p (Torr)

n (cm3)

I (cm-2 s-1)

λ τ

760 2×1019 3×1023 700 Å 3 ns

1 3×1016 4×1020 50 µm 2 µs

10-3 3×1013 4×1017 5 cm 2 ms

10-6 3×1010 4×1014 50 m 2 s

10-9 3×107 4×1011 50 km 1h

… Pentru probabilitate de adsorbtie = 1 Incintă

p

S C

QPompă

Sp

(a) Debitul de gaz este:

(b) Viteza de pompare:

(c) Conductanța conductei:

€

Q = p dVdt

(Torr l /s)

€

S =Qp

=dVdt

(l /s)

€

C =QΔp

(l /s)

-  conducte în paralel:

- - conducte în serie:

(pentru curgerea laminară, p ≤ 10-3 Torr) €

Cp = C1 + C2

€

1Cs

=1C1

+1C2

Noțiuni de tehnica vidului

Conductanța unei aperturi de arie A:

Conductanța unui tub cilindric de diametru D și lungime L,

Pompa+conductă: Presiunea limită (p=pmin=const):

Ecuația procesului de pompare:

QT: 3 surse! real leak virtual leak degazare

€

Ca =kT2πm

A

€

Ct =

D3

6L2πkTm

1+4D3L

≅12D3

L (l/s) pentru pd ≤ 0.1Torr⋅mm)

€

1Sef

=1

Spomp+1C

€

−V dpdt

= Sp −QT €

Spmin =QT ⇒ pmin =QT

S

€

Ct ≅137D4[cm4 ]L[cm]

p[mbar] (l/s) pentru pd ≥10 mbar mm)

Presiunea de vapori a unor gaze

Un exemplu tipic de spectru de masă RGA

Presiunea de vapori a unor solide

Tipuri de racord

Etanșare cu elastomeri O-RING

Etansare cu metal

(OFHC Cu) - CONFLAT

•  reutilizabilă, •  ieftină, •  până la 10-7 mbar, dar max. 150 °C.

•  non-reutilizabilă, cuțite - fragile. •  scumpă (materiale de înaltă puritate (Cu Ag), •  pâna la 10-13 mbar.

Pompe de vid preliminar. Pompa rotativa cu ulei

Pompe cu sorbție

4, 6 = Sită moleculara (zeolit)

cu suprafata specifica foarte mare - 2500 m2/g, răcită cu azot lichid (5).

-  reactivare: 200 °C.

-  domeniul de presiune: 1 atm – 10-3 mbar.

-  randament scăzut pentru pomparea gazelor nobile, a oxigenului si hidrogenului.

-  ieftină, fără contaminanți (ulei).

1 - port de racord cu incinta

2 - port de degazare (regenerare)

3 - suport mecanic