Начнем с нагрева поверхности
Начнем с нагрева поверхности
Горячее вещество, как нам известно, испаряется интенсивнее, чем холодное. Испарившиеся молекулы можно анализировать масс-спектрометром (прибором для определения масс молекул), как любые молекулы, имеющиеся в вакууме.
Воздействие метода на объект зависит от того, до какой температуры мы будем нагревать образец. Например, если надо исследовать сорбцию газа на металле, то часто нагрев для десорбции газа нужен слабый. Газ десорбируется и анализируется, а нагрев на образец влияет мало. Но если попытаться так же исследовать состав собственной поверхности образца, а не сорбированных газов, то нагрев нужен сильный, и такой нагрев обычно изменяет состав поверхности. В принципе, анализируемая глубина может составлять монослой, так как испаряется всегда наружный атом. Анализируемый участок может составлять сотые доли миллиметра. Но чем меньше произведение скорости испарения на площадь, тем меньшее количество анализируемого элемента поступает в анализатор. Широкого распространения метод не получил — при температурах, когда скорость испарения велика, материалы обычно не эксплуатируют, а значит, и исследования в таких условиях менее интересны. А вот исследование методом термодесорбции сорбированных газов применяется часто. Этим методом удается определять, какой именно газ или смесь газов была сорбирована и какова энергия сорбции, т. е. какую энергию должны иметь атомы, чтобы оторваться от поверхности.
Можно применять и локальный нагрев маленькой «молнией» — микроразрядом (искровая масс-спектроскопия) или лучом лазера (лазерная масс-спектроскопия), или электронным лучом. Следует, однако, с огорчением отметить, что глубина кратера при микроразряде или уколе лазерным лучом составляет около 1 мкм, так что методами анализа поверхности эти методы могут быть названы лишь с некоторой натяжкой.
Электромагнитное излучение, возникающее при нагреве, для исследования поверхности пока не используют, так как плохо известно, как связать излучение и строение поверхности. Однако явление эмиссии ионов и электронов при нагреве для исследования поверхности используется. Начнем с электронов.
Эмиссия электронов при нагреве зависит от работы выхода (энергии, которая нужна, чтобы вырвать электрон из вещества), а работа выхода — от структуры поверхности (у одного и того же материала она различна для разных граней кристалла) и от наличия сорбированных атомов. К сожалению, нагрев, необходимый для изучения термоэмиссии, часто бывает достаточен, чтобы влиять на свойства объекта. По анализируемой глубине метод заслуживает названия «поверхностный», ибо работа выхода обычно зависит от состояния нескольких наружных слоев атомов. Размер анализируемого участка может быть довольно мал и составлять сотые доли микрометра. Для достижения такого высокого разрешения электроны, эмиттиро-ванные сравнительно малым участком поверхности, распределяют по большому экрану и определяют ток, приходящий на разные его участки. Такой прибор называется эмиссионным микроскопом. Чувствительность метода позволяет определять наличие сотых долей монослоя сорбированных веществ на поверхности, ибо именно такие концентрации заметно изменяют эмиттируемый ток.
При нагреве происходит эмиссия не только электронов, но и ионов — основного материала или сорбированного. Испаряется, конечно, атом, но, отлетев от поверхности, он может ионизоваться. Анализ ионов в продуктах испарения также позволяет получать данные о составе поверхности.
Следующая группа методов основана на воздействии на поверхность пучком нейтральных атомов или молекул. Эти методы не получили пока широкого распространения, прежде всего потому, что сформировать узкий пучок из нейтральных частиц, да так, чтобы у них были одинаковые энергии (а это, как мы скоро увидим, важно), трудно. В самом деле, на ионы и на электроны действует и электрическое, и магнитное поле, а на нейтральные частицы не действует ни то, ни другое.
Однако метод, в котором для анализа использованы нейтральные частицы, реально существует и называется он
«метод рассеивания молекулярного пучка». Диаграмма направленности — зависимость количества отраженных атомов от угла отражения — меняется с изменением шероховатости поверхности объекта и степени ее окисления и может использоваться для их исследования.