헬륨 원자 산란

헬륨 원자 산란(HAS)은 재료 과학에서 사용되는 표면 분석 기법이다.HAS는 시료에 입사한 단색 헬륨빔에서 회절된 원자를 측정함으로써 물질의 표면구조와 격자역학 정보를 제공한다.

역사

최초의 He 회절 실험은 1930년 에스터만과 스턴[1]에 의해 플루오르화 리튬의 결정면에 대해 완료되었다.이것은 충돌 원자의 드 브로글리 파장 θ가 물질의 원자간 간격에 있을 때 원자 회절의 가능성을 실험적으로 입증했다.당시 이 방법의 실험 분해능에 대한 주요 한계는 헬륨 빔의 빠른 속도 확산 때문이었다.1970년대에 강렬하고 강한 단색 빔을 생성할 수 있는 고압 노즐 소스가 개발되고 나서야 표면 구조 탐사로 인기를 얻었다.희소가스와 고체 표면의 충돌에 대한 연구는 항공학과 당시의 우주 문제와의 연관성에 의해 도움을 받았다.1970년대에 헬륨 원자 산란을 이용한 재료의 회절 패턴의 미세 구조를 보여주는 많은 연구가 발표되었습니다.하지만, 1980년경에 3세대 노즐 빔 소스가 개발되고 나서야 표면 포논에 대한 연구가 헬륨 원자 산란으로 이루어졌습니다.이러한 노즐 빔 소스는 에너지 분해능이 1meV 미만인 헬륨 원자 빔을 생성할 수 있었고, 헬륨 원자의 비탄성 충돌로 인한 매우 작은 에너지 변화를 고체 표면의 진동 모드와 명확하게 해결할 수 있었기 때문에 HAS는 이제 격자 역학을 탐사하는 데 사용될 수 있었다.그러한 표면 포논 분산 곡선의 첫 번째 측정은 1981년 [3]에 보고되었고, 헬륨 원자 산란 애플리케이션, 특히 표면 역학 연구에 대한 새로운 관심을 이끌어냈다.

기본 원칙

표면 감도

일반적으로 표면 접합은 재료의 부피 내 접합과는 다릅니다.재료의 표면 특성과 특성을 정확하게 모델링하고 설명하기 위해서는 표면에서 작동하는 특정 접합 메커니즘을 이해할 필요가 있습니다.이를 위해서는 표면만 탐사할 수 있는 기술을 사용해야 하며, 우리는 이러한 기술을 "표면 민감"이라고 부릅니다.즉, '관찰하는' 입자는 (전자, 중성자, 원자 등) 표면만 볼 수 있어야 한다.입사 입자의 침투 깊이가 시료에 너무 깊으면 검출을 위해 시료에서 수행하는 정보에는 표면뿐만 아니라 벌크 재료의 기여가 포함됩니다.저에너지 전자 회절(LEED)과 같이 물질의 처음 몇 개의 단분자층만 탐사하는 여러 기술이 있지만, 헬륨 원자 산란은 표본의 표면을 전혀 관통하지 않는다는 점에서 독특합니다!실제로 헬륨 원자의 산란 '반전' 지점은 물질상의 원자 표면보다 3-4 앵스트롬 위입니다.따라서 산란된 헬륨 원자에서 수행되는 정보는 샘플의 표면에서만 나옵니다.헬륨 산란과 전자 산란의 시각적 비교는 다음과 같습니다.

열에너지의 헬륨은 경질 전위벽으로부터의 산란으로서 고전적으로 모델화할 수 있으며 산란점의 위치는 일정한 전자밀도 표면을 나타낸다.단일 산란이 헬륨-표면 상호작용을 지배하기 때문에 수집된 헬륨 신호는 여러 전자 산란 이벤트를 고려하는 복잡함 없이 표면 구조에 대한 정보를 쉽게 제공합니다(LEED 등).

산란 기구

입사 헬륨 원자와 표본 표면의 원자 사이의 탄성 1차원 상호작용 전위의 정성적 스케치는 다음과 같다.

이 전위는 큰 이격 거리를 지배하는 반데르발스 힘과 단거리를 지배하는 양성핵의 정전기 반발로 인한 가파른 반발력에 의해 매력적인 부분으로 나눌 수 있다.2차원 표면의 전위를 수정하기 위해 샘플의 표면 원자 파쇄를 기술하는 기능이 추가된다.결과 3차원 전위는 [4]와 같이 파형 모스 전위로 모델링할 수 있습니다.

${\displaystyle V(z)=D{\big \{}exp\left[-2\alpha (z-z_{m}\right]-2exp\left[-\alpha (z-z_{m}>)\right]{\big \}+2\beta Dexp\left[2\alpha (z_{m}\right]\xxi,y}$

첫 번째 항은 z = z의_m 최소 깊이 D와 적합 매개변수α의 전위인 가로 방향 표면 전위에 대한 항이고, 두 번째 항은 표면 및 적합 매개변수 β와 동일한 주기성을 갖는 파형 함수 δ(x,y)에 의해 수정된 반발 전위에 대한 항이다.

헬륨 원자는 일반적으로 탄성적으로(결정 표면에서 에너지가 전달되지 않고) 또는 표면 진동 모드의 들뜸 또는 들뜸(폰 생성 또는 소멸)을 통해 비탄성적으로 산란될 수 있습니다.이러한 산란 결과는 재료 표면의 다른 특성을 연구하기 위해 사용할 수 있습니다.

헬륨 원자는 왜 사용하는가?

표면을 탐사하고 그 구조와 포논 역학을 연구하기 위해 X선, 중성자, 전자와 비교하여 헬륨 원자를 사용하는 것에는 몇 가지 이점이 있습니다.앞서 언급했듯이 열 에너지에서 경량 헬륨 원자는 연구 대상 물질의 대부분에 침투하지 않습니다.즉, 엄밀하게 표면에 민감할 뿐만 아니라 실제로 샘플을 파괴하지 않습니다.드 브로글리 파장은 물질의 원자간 간격과 비슷하기 때문에 입자를 탐사하는 것이 이상적입니다.헬륨 원자는 중성이기 때문에 표면 전하에 민감하지 않습니다.헬륨 원자는 희가스로서 화학적으로 불활성이다.일반적인 시나리오와 같이 열 에너지에서 사용되는 경우 헬륨 원자 빔은 비활성 프로브(화학, 전기, 자기 및 기계)입니다.따라서 반응성 또는 준안정성 표면을 포함한 다양한 재료의 표면 구조와 역학을 연구할 수 있습니다.헬륨 원자 빔은 전자장의 존재와 초고진공 표면 처리 중에 진행 중인 프로세스를 방해하지 않고 표면을 탐사할 수 있습니다.이 때문에 헬륨 원자는 스패터링 또는 아닐링 측정을 하고 층 퇴적을 흡착하는 데 유용할 수 있습니다.마지막으로, 열헬륨 원자는 회전 및 진동 자유도가 없고 이용 가능한 전자 전이가 없기 때문에 표면에 대한 정보를 추출하기 위해 입사 및 산란빔의 변환 운동 에너지만 분석하면 됩니다.

인스트루먼트

첨부된 그림은 헬륨 원자 산란 실험 설정의 일반적인 도식입니다.노즐 빔 소스, 결정 조작기가 있는 초고진공 산란 챔버 및 검출 챔버로 구성됩니다.모든 시스템은 다른 배치와 설정을 가질 수 있지만, 대부분은 이러한 기본 구조를 가지고 있습니다.

원천

1meV 미만의 매우 좁은 에너지 확산을 가진 헬륨 원자 빔은 ~200bar의 압력에서 ~5-10μm의 작은 노즐을 통해 저진공 챔버로 헬륨의 자유 단열 팽창을 통해 생성됩니다[5].시스템 작동 온도 범위에 따라 생성되는 일반적인 헬륨 원자 에너지는 5-200meV가 될 수 있습니다.스키머라고 불리는 A와 B 사이의 원추형 개구부는 헬륨빔의 중심부를 추출한다.이 시점에서 헬륨 빔의 원자는 거의 균일한 속도로 움직여야 합니다.또한 섹션 B에는 나중에 논의할 비행 측정 시간을 생성하는 데 필요한 빔 펄스를 생성하는 역할을 하는 초퍼 시스템이 포함된다.

산란실

산란실(영역 C)에는 일반적으로 결정 표면을 특징짓는 데 사용할 수 있는 결정 조작기 및 기타 분석 기기가 포함되어 있습니다.주산란실에 포함할 수 있는 기기는 LEED 스크린(표면 구조의 상보적 측정을 하기 위한), 오거 분석 시스템(표면의 오염 수준을 결정하기 위한), 질량 분석계(진공 품질 및 잔류 가스 조성을 감시하기 위한), 금속 표면 작업용,이온 건(샘플 표면의 스패터 클리닝용).깨끗한 표면을 유지하기 위해서는 산란실 내의 압력이 10~10Pa⁻⁹ 범위여야⁻⁸ 한다.이를 위해서는 터보 분자 또는 극저온 진공 펌프를 사용해야 합니다.

수정 조작기

결정 조작기는 샘플의 최소 세 가지 다른 움직임을 허용합니다.방위 회전을 통해 결정체가 표면 원자의 방향을 변경할 수 있고, 경사각을 사용하여 산란 평면에 있는 결정의 법선을 설정할 수 있으며, Z축을 중심으로 한 조작기의 회전에 따라 빔 입사각이 변경됩니다.크리스털 머니퓰레이터는 또한 크리스털의 온도를 제어하는 시스템을 통합해야 합니다.

검출기

빔은 결정면에서 산란된 후 검출 영역 D로 들어간다.가장 일반적으로 사용되는 검출기 설정은 질량 필터와 전자 증배기에 이은 전자 충격 이온원이다.빔은 검출기에 닿기 전에 노이즈 대 신호 비율을 감소시키는 일련의 차등 펌핑 단계를 통과합니다.비행 시간 분석기는 검출기를 따라 에너지 손실 측정을 수행할 수 있습니다.

탄성 측정

탄성 회절 산란이 지배적인 조건에서 회절 피크의 상대 각도 위치는 검사되는 표면의 기하학적 특성을 반영한다.즉, 회절 피크의 위치는 관찰된 결정 표면을 특징짓는 2차원 공간 그룹의 대칭을 드러냅니다.회절 피크의 폭은 빔의 에너지 확산을 반영합니다.탄성 산란은 에너지 보존과 결정과 평행한 운동량 성분의 에너지라는 두 가지 운동학적 조건에 의해 제어된다.

E_f = E_i => ki² = k²_G = k²_Gz + k² _G

k _G = k _i + G

여기서 G는 역격자 벡터이고_G k와_i k는 헬륨 원자의 최종 및 초기(사고)파 벡터이다.Ewald 구 구조는 볼 수 있는 회절된 빔과 그것들이 나타날 산란 각도를 결정합니다.표면의 주기성에 의해 결정되는 특징적인 회절 패턴이 전자 및 X선 회절에서의 브래그 산란과 유사한 방식으로 나타납니다.대부분의 헬륨 원자 산란 연구는 들어오는 원자 빔 방향과 표면 법선으로 정의된 평면에서 검출기를 스캔하여 다음과 같이 산란 평면에 있는 상호 격자 봉만 교차하는 반지름 R=k의₀ 원으로 Ewald 구체를 감소시킨다.

회절 피크의 강도는 정적 가스 표면 상호작용 전위에 대한 정보를 제공합니다.서로 다른 입사 빔 조건에서 회절 피크 강도를 측정하면 표면에서 가장 바깥쪽 원자의 표면 파동(표면 전자 밀도)이 드러날 수 있습니다.

헬륨 원자의 검출은 전자보다 훨씬 덜 효율적이기 때문에 산란 강도는 한 번에 k-공간에서 한 점만 결정할 수 있습니다.이상적인 표면의 경우, 관찰된 회절 피크 사이에 탄성 산란 강도가 없어야 한다.여기에 강도가 있는 것은 스텝이나 아다툼 등의 표면 결함 때문입니다.피크의 각도 위치, 폭 및 강도로부터 표면 구조 및 대칭과 표면 특징의 순서에 관한 정보를 얻을 수 있다.

비탄성 측정

헬륨 원자 빔의 비탄성 산란은 물질의 표면 포논 분산을 드러냅니다.경사각 또는 회절각에서 멀리 떨어진 산란각에서는 순서면의 산란강도는 비탄성 충돌에 의해 지배된다.

단일폰의 기여만으로 헬륨 원자 빔의 비탄성 산란을 연구하기 위해서는 산란된 원자에 대한 에너지 분석이 필요하다.가장 일반적인 방법은 비행시간(TOF) 분석을 사용하는 것입니다.TOF 분석을 위해서는 빔이 기계식 초퍼를 통해 펄스를 일으켜 '비행 시간'(TOF)을 갖는 시준 빔 '패킷'을 생성해야 합니다.비탄성적으로 산란하는 빔은 표면과 접촉하면서 에너지를 잃게 되고, 따라서 산란 후 속도가 입사 당시와는 다릅니다.따라서 표면 포논의 생성 또는 소멸은 산란된 빔의 에너지 변화에 의해 측정될 수 있습니다.산란각 또는 입사빔 에너지를 변경함으로써 비탄성 산란을 에너지 및 운동량 전달의 다른 값으로 샘플링할 수 있어 표면 모드의 분산 관계를 매핑할 수 있다.분산 곡선을 분석하면 표면 구조 및 접합에 대한 원하는 정보가 나타납니다.TOF 분석 그림은 시간 함수로 강도 피크를 보여준다.주 피크(가장 높은 강도)는 비산란 헬륨 빔 '패킷'에 대한 피크입니다.왼쪽에 있는 봉우리가 포논을 없애기 위한 봉우리입니다.포논 작성 프로세스가 발생했을 경우는, 오른쪽의 피크로 표시됩니다.

위의 정성 스케치는 회절각 근처의 비행 시간 그림이 어떻게 보일 수 있는지를 보여줍니다.그러나 결정체가 회절각에서 멀어짐에 따라 탄성(주) 피크가 강하한다.그러나 표면 결함에 따른 일관되지 않은 탄성 산란으로 인해 강도는 회절 조건에서 멀리 떨어져도 0으로 줄어들지 않습니다.따라서 일관성이 없는 탄성 피크의 강도와 산란 각도에 의존하는 것은 결정의 표면 결함에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다.

포논 소멸 또는 생성 과정의 운동학은 매우 간단하며, 에너지 보존과 운동량을 결합하여 충돌 과정 중의 에너지 교환 δE와 운동량 교환 q에 대한 방정식을 생성할 수 있습니다.이 비탄성 산란 과정은 에너지 δE=γ 및 파동 벡터 q의 포논으로 설명된다.격자의 진동 모드는 포논파 벡터 q의 함수로서 가능한 포논 주파수 θ를 제공하는 분산 관계 θ(q)로 설명할 수 있다.

표면포논 검출뿐만 아니라 헬륨빔의 에너지가 낮기 때문에 흡착액의 저주파 진동을 검출할 수 있어 그 위치 에너지를 결정할 수 있다.

레퍼런스

1. Estermann, I.; Stern, O. (1930). "Beugung von Molekularstrahlen". Zeitschrift für Physik (in German). Springer Science and Business Media LLC. 61 (1–2): 95–125. doi:10.1007/bf01340293. ISSN 1434-6001.
2. E. Hulpke(Ed.), 표면으로부터의 헬륨 원자 산란, 표면 과학의 스프링어 시리즈 27(1992)
3. Brusdeylins, G.; Doak, R. Bruce; Toennies, J. Peter (1981-02-09). "Measurement of the Dispersion Relation for Rayleigh Surface Phonons of LiF(001) by Inelastic Scattering of He Atoms". Physical Review Letters. American Physical Society (APS). 46 (6): 437–439. doi:10.1103/physrevlett.46.437. ISSN 0031-9007.
4. 케임브리지 대학 헬륨 원자 산란 개요
5. M.C. Desjonqueres, D. Spanjaard, 표면물리학 개념, 제2판, 스프링어(1996년)
6. G. 스콜스(Ed.), 원자 및 분자 빔 방법, 제2권, 뉴욕 옥스포드 대학 출판부(1992)
7. J. B. 허드슨, 서피스 사이언스 - 소개, John Wiley & Sons, Inc., New York (1998)