At spille pool med atomer

(PhysOrg.com) - Forskeren, der udviklede verdens mest følsomme spektrometer til at identificere atomer på et materiales overflade, kom til Lehigh for nylig for at holde en tale i det eneste amerikanske laboratorium, der er udstyret med hans banebrydende instrument.

Hidde Brongersma, professor ved Imperial College i London, England, holdt hovedtalen på Lehigh University Surface Analysis Symposium.

Begivenheden, afholdt i Whitaker Laboratory, trak 150 videnskabsmænd fra industrien og den akademiske verden.

Brongersma, som tidligere var tilknyttet Eindhoven University of Technology i Holland, er opfinderen af ​​ION-TOF Qtac100 High Sensitivity-Low Energy Ion Scattering Spectrometer (HS-LEIS). Lavenergi-ionspredning er den eneste teknik, der kan identificere de atomer, der er til stede på det yderste lag af en fast overflade (~0,3 nanometer dybdeopløsning; 1 nm er lig med en milliardtedel af en meter).

"Uanset om du forsøger at udvikle en ny katalysator, fremstille en mindre transistor, eller forbedre klæbeegenskaberne af en polymeroverflade, sagde Brongersma, ”det er ekstremt vigtigt at kunne kontrollere overfladeegenskaber på atomniveau.

"For at gøre dette, du skal kunne analysere overfladesammensætningen med samme præcision.”

Et kraftfuldt par

For at analysere overfladen af ​​en prøve, man skal ikke kun identificere de tilstedeværende atomer, men også bestemme deres kemiske natur, såsom oxidationstilstanden.

Lehigh er også heldig at have et af de mest kraftfulde højopløselige røntgenfotoelektronspektrometre (HR-XPS), der er i stand til at bestemme den kemiske natur af atomerne i overfladeregionen. Universitetets Scienta ESCA 300, en af ​​11 i verden, er den eneste af slagsen i USA

"Mens XPS ikke er så overfladefølsom som HS-LEIS, det kan give meget nyttig kemisk information fra de øverste 10-20 atomlag i et materiale, ” sagde Israel E. Wachs, G. Whitney Snyder professor i kemiteknik.

"At kombinere data fra begge disse teknikker gør det muligt for Lehigh og gæsteforskere at få et nyt perspektiv på overfladerne af mange af nutidens teknologisk vigtige materialer.

"Den hidtil usete og grundlæggende indsigt, som disse overfladeteknikker giver, er allerede begyndt at ændre vores forståelse af overfladerne af teknologisk vigtige materialer, samtidig med at der etableres grundlæggende struktur-ydelsesforhold, der hjælper med at designe avancerede materialer."

En køkugle af ædle gasioner

De fysiske principper bag HS-LEIS-teknikken ligner principperne for et spil pool, men i stedet for en kø, ædelgas ioner, såsom helium eller neon, affyres på overfladen af ​​en prøve.

Gasionen interagerer med et overfladeatom svarende til den måde, hvorpå en stødbold rammer en anden poolbold. Den kan enten hoppe lige tilbage fra prøven eller afbøjes i en vinkel, og en brøkdel af dets momentum (eller energi) overføres til overfladeatomet.

Mængden af ​​tabt energi er direkte relateret til overfladeatomets atomvægt. Energien af ​​de rebounding ædelgas-ioner måles i spektrometeret, som derefter kan relateres tilbage til utvetydigt at bestemme identiteten af ​​det atom, hvorfra det blev spredt.

Det unikke design af instrumentets toroidale Qtac100 energianalysator, som inkluderer en positionsfølsom detektor og time-of-flight massefilter, tilbyder en 3, 000-fold forbedring i følsomhed i forhold til sine forgængere og giver også mulighed for todimensionel overfladekortlægning.

Andre præsentationer i workshoppen blev holdt af Wachs, der leder Lehighs Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Laboratory; Alfred Miller, en forsker, der leder Scienta XPS-laboratoriet; og Andriy Kovalskiy, en forskningsmedarbejder tilknyttet Lehighs International Materials Institute for New Functionality in Glass, som er støttet af National Science Foundation.