Методы исследования поверхности

Исследование поверхности твердых тел играет ключевую роль в понимании процессов адсорбции, катализа, коррозии, роста кристаллов и других явлений, определяющих физико-химические свойства материалов. Поверхность отличается от объема кристалла наличием нарушенной симметрии, измененной электронной структуры и повышенной химической активности, что требует применения специализированных экспериментальных методик.

Классификация методов исследования поверхности

Методы можно условно разделить на несколько групп в зависимости от природы зонда и измеряемых характеристик:

  1. Методы структурного анализа — изучают атомную структуру и морфологию поверхности.
  2. Методы электронной спектроскопии — анализируют энергетическое распределение электронов, их химическую природу и электронную структуру.
  3. Методы зондовой микроскопии — дают атомно-разрешающие изображения топографии.
  4. Методы дифракции — позволяют определять порядок и периодичность атомных рядов на поверхности.
  5. Методы адсорбционно-количественного анализа — измеряют количество адсорбированных молекул и физико-химические параметры адсорбции.

Электронная спектроскопия поверхности

Фотоэлектронная спектроскопия (PES)

Принцип основан на фотоэффекте: под действием фотонов заданной энергии электроны выбиваются с поверхности, и измеряется их кинетическая энергия. По закону сохранения энергии определяют связывающую энергию электронов, что позволяет судить о химическом состоянии атомов.

  • XPS (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) — использует рентгеновские фотоны для зондирования атомных уровней. Чувствительна к верхнему слою толщиной 1–10 нм. Позволяет определять элементный состав и химические сдвиги.
  • UPS (ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия) — использует УФ-фотоны для анализа валентных зон и работы выхода.

Электронная спектроскопия с возбуждением электронным пучком

  • AES (авже-спектроскопия) — основана на регистрации вторичных Авже-электронов, возникающих при релаксации атома после ионизации. Высокая поверхностная чувствительность (1–3 нм) и возможность картирования элементного состава с пространственным разрешением до нескольких нанометров.

Методы дифракционного анализа поверхности

Дифракция низкоэнергетических электронов (LEED)

При облучении поверхности электронным пучком с энергией 20–200 эВ электроны дифрагируют на периодической структуре верхних атомных слоев. Получаемая дифракционная картина позволяет:

  • определять симметрию поверхности;
  • выявлять реконструкции и порядок адсорбированных слоев;
  • изучать кинетику адсорбции и десорбции.

Дифракция медленных позитронов (LEPD)

Аналог LEED, но с использованием позитронов, что снижает влияние заряда ионной решетки и повышает контраст.

Рентгеновская отражательная дифракция (XRR и GIXRD)

Используется для анализа толщины пленок, шероховатости и кристаллографической структуры при малых углах падения рентгеновского излучения.

Методы зондовой микроскопии

Сканирующая туннельная микроскопия (STM)

Основана на регистрации туннельного тока между острием металлического зонда и поверхностью, находящихся на расстоянии порядка ангстрема. Обеспечивает атомное разрешение и позволяет:

  • визуализировать отдельные атомы;
  • измерять локальную плотность электронных состояний;
  • манипулировать атомами.

Атомно-силовая микроскопия (AFM)

Измеряет силы взаимодействия между зондом и поверхностью. Применяется для:

  • исследования непроводящих образцов;
  • измерения топографии, твердости, упругости;
  • работы в жидких средах и при высоких температурах.

Ионно-зондовые методы

Вторичная ионная масс-спектрометрия (SIMS)

Поверхность бомбардируется ионным пучком, при этом выбиваются вторичные ионы. Их масс-спектральный анализ позволяет:

  • определять элементный и изотопный состав;
  • проводить глубинное профилирование;
  • выявлять загрязнения на уровне ppb.

Ионная рассеяние с обратным рассеянием (RBS)

Измеряется энергия ионов, упруго рассеивающихся на атомах поверхности. Дает информацию о массе и глубине залегания атомов.

Методы анализа морфологии и топографии

Оптическая и электронная микроскопия

  • Растровая электронная микроскопия (SEM) — визуализация микроструктуры с высоким разрешением, анализ рельефа, вторичных электронов и рентгеновского излучения.
  • Просвечивающая электронная микроскопия (TEM) — исследование внутренней и приповерхностной структуры с атомным разрешением.

Интерферометрия и профилометрия

Позволяют измерять микронные и субмикронные неровности поверхности, контролировать шероховатость и толщину пленок.

Методы адсорбционно-количественного анализа

Газовая адсорбция (метод БЭТ)

Измеряет количество газа, адсорбированного на поверхности, что позволяет вычислить удельную поверхность и пористость материала.

Кварцевые микровесы (QCM)

Регистрируют изменение частоты колебаний кварцевого резонатора при адсорбции молекул, обеспечивая высокую чувствительность к массе.

Комбинированные и in-situ методы

Для исследования динамических процессов на поверхности (рост пленок, реакций адсорбции, коррозии) применяются установки, сочетающие несколько методов:

  • STM + XPS — одновременная топография и химический анализ.
  • LEED + AES — структурное и элементное картирование.
  • In-situ AFM — наблюдение процессов в реальном времени при изменении температуры, давления или химической атмосферы.
Оглавление