Zastosowania promieniowania synchrotronowego Paweł Zarębski WFIIS IS rok 2

Plan Zalety celowo wytworzonego promieniowania synchrotronowego Ogólny zarys zastosowań w różnych dziedzinach nauk Typowe techniki pomiarowe z użyciem p.s. LIGA EXAFS Inne zastosowania

Zalety p. s. w badaniach naukowych szeroki zakres widmowy: od p. podczerwonego aż do twardego p. rentgenowskiego silna kolimacja wiązki posiada strukturę czasowa intensywność naturalna polaryzacja liniowa wiązki, możliwość otrzymania kołowej

Przekrój ogólny zastosowań

Typowe techniki pomiarowe z użyciem źródła p.s. Rezonansowe rozpraszanie promieni X Magnetyczne rozpraszanie promieni X Spektroskopia absorpcji promieni X (XAS, XAFS) Spektroskopia absorpcji promieni X, extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) Spektroskopia absorpcji promieni X, near edge fine structure (NEXAFS, XANES) Wysoko-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów rentgenowskich (SXPS, PES) Spektroskopia elektronów augerowskich (AES), koincydencji itp.

Typowe techniki pomiarowe z użyciem źródła p.s. Mikroskopia za pomocą miekkich promieni X Spektroskopia absorpcji promieni UV Spektroskopia odbicia promieni UV Spektroskopia fluorescencyjna UV Spektroskopia luminescencji w zakresie UV Spektroskopia fotojonizacyjna UV Spektroskopia fotoelektronów UV (UPS) Kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów UV (ARPES) Kątowo–spinowo-rozdzielcza spektroskopia fotoelektronów UV (SPARPES)

Typowe techniki pomiarowe z użyciem źródła p.s. Obrazowanie powierzchni poprzez fotoelektrony (PEEM) Spektroskopia stanów wibracyjnych w podczerwieni Spektroskopia transmisji i odbicia w zakresie podczerwieni Spektroskopie czasowo rozdzielcze Magnetospektroskopie Mikrospektroskopia w zakresie podczerwieni (IRMS) Dichroizm kołowy UV (UV-CD) Fotonowo stymulowana desorpcja (PSD)

LIGA - wstęp Technologia składająca się z trzech procesów: litograficzne przygotowania formy (LIthographie) galwaniczne wypełnienie metalem (Galvanoformung) wielokrotne wytwarzanie struktury z tej samej formy (Abformtechnik)

LIGA - schemat procesu

LIGA - Litografia Przygotowanie maski pierwotny wzór tworzony przy użyciu tanich metod (fotolitografia z maska Cr, laserowa); grubość: 4μm pośrednia maska - wypełnienie luk substancja (zazwyczaj Au), usunięcie wzoru; za jej pomocą, używając miękkich promieni X, można już wytwarzać struktury o małej grubości maska produkcyjna, uzyskiwana poprzez powtórzenie kroku poprzedniego; przy użyciu twardego promieniowania X, proces produkcyjny w materiale o grubości od kilkuset μm do 1mm

LIGA - Litografia Warstwa kryjąca materiałem zazwyczaj stosowanym jako warstwa kryjąca (resist) jest poly(methylmethacrylate) (PMMA). Do przewodzącej powierzchni jest mocowany albo w procesie polimeryzacji in-situ, albo też przyklejany im grubsza warstwa PMMA, tym silniejsze promieniowanie jest wymagane: na powierzchni 20kJ/cm³, na dolnych warstwach 4kJ/cm³

LIGA - dalsze części procesu Galwanoplastyka używane związki: Ni, Cu, Au, NiFe i NiCo substancja jest albo metalem, albo pokryta jego cienką warstwą Formowanie odlewu używane związki: PMMA, polycarbonate PC, polysulfone PSU, poly(oxymethylene) POM, polyamide PA, poly(vinylidenefluoride) PVDF, poly(perfluoroalkoxyethylene) PFA, poly(butyleneterephthalate) PBT, poly(phenyleneether) PPE, poly(etheretherketone) PEEK, duroplasty i elastomery Liczne metody: wstrzykiwanie termoplastów, reakcje elastomerów i duroplastów, procesy sol-gel

LIGA - lustra Wytwarzanie lustra - podstawa: trójkąt równoboczny o boku 100nm, ściany nachylone pod kątem 45° (używany np. w dyskach twardych)

LIGA - mikrosoczewki Prosty proces wytwarzania mikrosoczewek: pod wpływem twardego promieniowania X zmieniają się właściwości naświetlanego materiału (PMMA), np. temperatura przejścia. Kolejnym etapem jest więc nagrzanie materiału. Nierówności soczewek rzędu 1nm.

LIGA - MIA Mask that is integrated with micro-actuator Podczas gdy w zwykłym procesie LIGA absorber jest nieruchomy (a), po zastosowaniu oscylującej maski (b) substancja jest na- świetlana w róznym stopniu. Otrzymuje się struktury 3D o kącie nachylenia zależnym od szybkości oscylacji.

LIGA - MIA Skok w ruchomej masce (z lewej) i sama maska (z prawej) Element wytworzony metoda MIA (po lewej), otrzymane wgłębienie w powiększeniu (z prawej)

LIGA - przykładowe wytwory

EXAFS - Extended X-Ray Absorption Fine Structure Wykorzystuje proces absorpcji fotoelektrycznej linia absorpcji pokazuje gwałtowny skok prawdopodobieństwa wyrwania elektronu z powłoki K po dostarczeniu odpowiednio dużej energii wyrwany zostaje elektron z powłoki K (ucieka z atomu) i rozchodzi się w postaci fali

EXAFS Fotoelektron wyzwalany przez padający kwant energię kinetyczną: Fala fotoelektronu, rozchodząc się w próbce, napotyka sąsiednie atomy, od których się odbija.

EXAFS Odbita fala elektronu interferuje z falą biegnącą, czego wynikiem jest albo jej wzmocnienie, albo osłabienie (w zależności od odległości od sąsiadów).

współczynnik absorpcji EXAFS Transmisja: współczynnik absorpcji μ(E)

EXAFS Całkowity współczynnik absorpcji powyżej krawędzi można zapisać: gdzie: i k jest liczbą falową elektronu. Można uznać, że:

EXAFS Funkcję χ(k) można przedstawić następująco: 2kRj – odzwierciedla faz padającego i rozproszonego el. – przesunięcie fazowe – konsekwencja potencjału atomu centralnego i atomu rozpraszającego falę el.

EXAFS

Badania za pomocą rozproszenia promieniowania X Rozproszenie promieni X: Pod dużymi kątami daje informację o uporządkowaniu wewnątrz obszarów krystalicznych, jak i o zawartości skrystalizowanego materiału Pod małymi kątami dostarcza informacji o periodycznych strukturach utworzonych przez przestrzenną sekwencję obszarów na przemian krystalicznych i niekrystalicznych

Badanie polaryzacji powłok elektronowych Za pomocą spolaryzowanego kołowo promieniowania synchrotronowego mierzona jest polaryzacja magnetyczna poszczególnych powłok elektronowych pierwiastków w materiałach magnetycznych. Badane są na przykład materiały dla elektroniki, wykazujące silną zależność oporu elektrycznego od pola magnetycznego.

Mikrotomografia Badania medyczne i materiałowe, np. próbki kości Zdolność rozdzielcza: 1μm Wykorzystuje się różnice we własnościach absorpcyjnych Sposób tworzenia mapy 3D obiektu: sporządzenie serii zdjęć pod róznym kątem przy pomocy detektora (ekran rentgenowski o dużej rozdzielczości), komputerowa analiza zbioru

Dyfrakcja promieniowania magnetycznego w biologii Zamieszczony przykład dotyczy wykorzystania czasowo-rozdzielczych możliwosci, jakie stwarzają źródła p.s. Mioglobina to enzym istotny w transporcie tlenu do mięśni. Sekwencja błysków promieniowania synchrotronowego pozwala na rejestrację kolejnych obrazów dyfrakcyjnych, a przez to śledzenie procesu uwalniania cząsteczki CO2 i towarzyszących zmian konformacyjnych molekuły.

Podsumowanie - promieniowanie synchrotronowe Niezwykly potencjał w wielu dziedzinach badań i zastosowań ze względu na swe unikalne własności Szerokie spektrum uzyskiwanego promieniowania umożliwiające korzystanie z praktycznie każdego zakresu fal Podstawowe narzędzie badawcze dla wielu obszarów współczesnej nauki Ważne zastosowania w technice i przemyśle