Zastosowania promieniowania synchrotronowego

1. Zastosowania promieniowania synchrotronowego Paweł Zarębski WFIIS IS rok 2

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

3. 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

4. Przekrój ogólny zastosowań

5. 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.

6. 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)

7. 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)

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

9. LIGA - schemat procesu

10. 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

11. 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

12. 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, polycarbonatePC, 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

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

14. 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.

15. 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.

16. 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)

17. LIGA - przykładowe wytwory

18. EXAFS - Extended X-Ray Absorption Fine Structure • Wykorzystuje proces absorpcjifotoelektrycznej • linia absorpcji pokazujegwałtowny skokprawdopodobieństwa wyrwaniaelektronu z powłoki K • po dostarczeniu odpowiedniodużej energii wyrwany zostajeelektron z powłoki K(ucieka z atomu) i rozchodzisię w postaci fali

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

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

21. EXAFS Transmisja: współczynnik absorpcji μ(E)

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

23. 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.

24. EXAFS

25. Badania za pomocą rozproszenia promieniowania 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 Rozproszenie promieni X:

26. 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.

27. 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

28. 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.

29. 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