Laboratorium spektroskopii elektronowych
Wielokomorowy system analityczny UHV (ultra-wysokiej próżni) firmy Prevac (Polska) przeznaczony jest do kompleksowych badań właściwości powierzchni wieloskładnikowych litych (kryształy, folie, filmy, naparowane warstwy) i proszkowych materiałów i nanomateriałów, w szerokim zakresie temperatury i ciśnienia. Możliwa jest niezależna i równoczesna praca wieloma technikami w różnych komorach. Przenoszenie próbek pomiędzy komorami badawczymi zapewnia karuzelowa komora dystrybucyjna. Ogromną zaletą systemu jest możliwość analizowania różnymi technikami tej samej próbki, bez kontaktu z powietrzem, zwykle zmieniającym skład, budowę i właściwości powierzchni ciał stałych.
System UHV wyposażony jest w kilka technik spektroskopii elektronowych, wykorzystujących hemisferyczny analizator R4000 (Scienta) energii elektronów:
- spektroskopię fotoelektronów XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) wzbudzanych monochromatycznym (anoda Al, MX-650, Scienta) lub achromatycznym (anoda Mg/Al) promieniowaniem rentgenowskim
- spektroskopię elektronów Augera AES (Auger Electron Spectroscopy)
- spektroskopię jonów dodatnio naładowanych ISS (Ion Scattering Spectroscopy)
- spektroskopię fotoelektronów UPS (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) wzbudzanych monochromatycznym promieniowaniem UV (plazmowe źródło helowe VUV5000 z monochromatorem VUV 5040, Scienta).
Dzięki projektowi CNF system UHV uzupełniono w:
- wysokorozdzielczą spektroskopię strat energii elektronów HREELS (High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy), z działem monochromatycznym ELS 5000 (LK Technologies)
- spektroskopię w podczerwieni – transmisyjną, zewnętrznego odbicia z modulacją polaryzacji PM-IRRAS (Polarization Modulation Infrared Reflection Absorption Spectroscopy) oraz rozproszonego odbicia od niejednorodnych powierzchni DRIFTS (Diffuse Reflectance Infrared Fourier Transform Spectroscopy), ze specjalną komorą próżniową (Prevac) oraz adaptowanym próżniowym spektrometrem FTIR Vertex 80v (Bruker), o zakresie od bliskiej do dalekiej podczerwieni. W komorze zainstalowany jest układ pomiarowy do temperaturowo-programowanej desorpcji TPD ze spektrometrem masowym 200 amu, zapewniający jednoczesną analizę nie tylko stanu powierzchni materiału, ale także desorbowanych związków. Poza systemem UHV spektrometr umożliwia badania wszystkimi technikami spektroskopii IR oraz mikroobrazowania spektralnego (Hyperion 2000, Bruker).
Spektroskopie XPS, AES, UPS i ISS są narzędziami o uniwersalnym zastosowaniu do analiz powierzchni ciał stałych. Spektroskopia XPS umożliwia identyfikację i analizę składu ilościowego nie tylko pierwiastków, ale także rodzaju ich jonów znajdujących się w warstwie powierzchniowej ciał stałych, do głębokości 2-5 nm, czyli od kilku do kilkunastu podpowierzchniowych warstw atomów. AES dostarcza informacji o składzie pierwiastkowym najbardziej zewnętrznych warstw powierzchni. Wysoka czułość AES pozwala na wykrywanie pierwiastków nawet w bardzo małych ilościach, rzędu 1% monowarstwy. Technika ISS również pozwala na określenie składu pierwiastkowego powierzchni ciał stałych, przy czym uzyskane informacje dotyczą tylko jej pierwszej, górnej warstwy. Technika UPS umożliwia poznanie elektronowego pasma walencyjnego powierzchniowej warstwy ciał stałych, stosowana jest również w badaniach chemisorpcji gazów pod niskimi ciśnieniami. HREELS i IR umożliwiają określenie struktury cząsteczek chemicznych zaadsorbowanych na powierzchniach bardzo dobrze scharakteryzowanych innymi technikami. Możliwe jest uzyskanie informacji o grupach strukturalnych charakterystycznych dla danego związku, sposobie oddziaływania cząsteczek chemicznych i ich wiązaniach z powierzchnią ciała stałego. Cząsteczki-sondy dostarczają informacji o rodzaju, liczbie, mocy i rozkładzie centrów aktywnych na powierzchni. Spektroskopia w podczerwieni daje także informację o strukturze budowy powierzchni, lokalnym środowisku kationów metali w sieci krystalicznej materiałów tlenkowych oraz o lokalnych zaburzeniach sieci krystalicznej.
Uzupełnieniem metod spektroskopowych systemu UHV są techniki:
- dyfrakcji niskoenergetycznych elektronów LEED (Low Energy Electron Diffraction, BDL800, OCI), przeznaczonej do określania struktury krystalograficznej powierzchni kryształów
- temperaturowo-programowanej desorpcji TPD, z kwadrupolowymi spektrometrami masowymi o zakresach 100 i 200 amu, przeznaczonej do badań heterogeniczności powierzchni; dostarczającej informacji o rozkładzie (udziale) i sile miejsc adsorpcyjnych, chemisorpcyjnych i aktywnych, o różnej reaktywności i aktywności katalitycznej.
Jedną komór systemu UHV jest zmienno-temperaturowy mikroskop SPM 700 (RHK Technology), z opcjami skaningowej mikroskopii tunelowej i mikroskopii sił atomowych (STM/AFM). Umożliwia badania budowy powierzchni i dostarcza obrazów topografii powierzchni ciał stałych z atomową rozdzielczością.
System UHV wyposażony jest w komorę preparacyjną do przygotowania (obróbka próbek w atmosferze redukującej lub utleniającej w szerokim zakresie temperatur, preparowanie próbek metodami napylania w warunkach próżniowych) oraz czyszczenia (za pomocą argonowego działa jonowego lub mechanicznego) powierzchni próbek. Do badań katalizatorów i nanomateriałów katalitycznych przeznaczona jest wysokociśnieniowa komora-przepływowy reaktor katalityczny (130-920K, do 20 bar) ze spektrometrem masowym (do 200 amu), umożliwiająca określenie składu chemicznego, budowy i właściwości chemisorpcyjnych warstwy powierzchniowej, przygotowanej w warunkach takich, w jakich katalizatory są rzeczywiście stosowane.
W skład systemu UHV wchodzą także urządzenia pomocnicze do ładowania i magazynowania próbek, mechanicznego łupania twardych próbek, dozowania gazów do komór, wytwarzania i kontroli próżni, pomiaru i regulacji temperatury próbek, sterowania oraz układy zabezpieczeń awaryjnych.
