Fortschritte in der Spektroskopie

Neue Methode zur Messung der Eigenschaften der Oberflächenschicht eines Materials

15.11.2022 - USA

Physiker der University of Texas in Arlington haben eine neue Technik entwickelt, mit der die Eigenschaften der obersten Atomschicht von Materialien gemessen werden können, ohne Informationen aus den darunter liegenden Schichten zu berücksichtigen.

Forscher des Positron-Labors im Fachbereich Physik der UTA nutzten ein Verfahren namens "auger-mediated positron sticking" (AMPS), um ein neuartiges spektroskopisches Instrument zur selektiven Messung der elektronischen Struktur der Oberfläche von Materialien zu entwickeln.

Ein neuer Artikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters (PRL) veröffentlicht wurde, beschreibt die neue Technik im Detail. Darüber hinaus veröffentlichte das Online-Magazin Physics einen Viewpoint-Artikel mit dem Titel "Spectroscopy That Doesn't Scratch the Surface", in dem erklärt wird, warum die Arbeit für das Fachgebiet wichtig ist.

Alex Fairchild, Postdoktorand im Positron-Labor, ist der Hauptautor der Studie. Zu den Co-Autoren gehören Varghese Chirayath, Assistenzprofessor für Forschung; Randall Gladen, Postdoktorand; Ali Koymen, Professor für Physik; und Alex Weiss, Professor und Vorsitzender des UTA-Fachbereichs für Physik. Bernardo Barbiellini, Professor für Physik an der Universität LUT in Finnland, hat ebenfalls zu dem Projekt beigetragen.

Der AMPS-Prozess, bei dem Positronen (Antimaterie von Elektronen) direkt an Oberflächen haften, gefolgt von Elektronenemission, wurde erstmals von Saurabh Mukherjee, einem Doktoranden, zusammen mit Weiss und anderen Kollegen im Jahr 2010 an der UTA beobachtet und beschrieben. Diese Ergebnisse wurden in einem Artikel in PRL veröffentlicht.

"Alex (Fairchild) und Varghese haben herausgefunden, wie man dieses Phänomen, das wir 2010 entdeckt haben, nutzen kann, um die oberste Schicht zu messen und Informationen über die elektronische Struktur und das Verhalten der Elektronen in der obersten Schicht zu erhalten", so Weiss. "Das bestimmt viele Eigenschaften eines Materials, einschließlich der Leitfähigkeit, und kann wichtige Auswirkungen auf den Bau von Geräten haben."

Laut Fairchild ist das AMPS-Verfahren einzigartig, weil es virtuelle Photonen zur Messung der obersten Atomschicht verwendet.

"Dies unterscheidet sich von typischen Techniken wie der Photoemissionsspektroskopie, bei der ein Photon mehrere Schichten in die Masse eines Materials eindringt und daher die kombinierten Informationen der Oberflächen- und der darunter liegenden Schichten enthält", so Fairchild.

"Unsere AMPS-Ergebnisse haben gezeigt, dass virtuelle Photonen, die nach einem Positronenstich emittiert werden, vorzugsweise mit Elektronen interagieren, die sich weiter ins Vakuum erstrecken, als mit Elektronen, die mehr auf den atomaren Ort beschränkt sind", sagte Chirayath. "Unsere Ergebnisse sind daher von grundlegender Bedeutung, um zu verstehen, wie Positronen mit Oberflächenelektronen wechselwirken, und sie sind äußerst wichtig für das Verständnis anderer, ähnlich oberflächenselektiver, positronenbasierter Techniken."

Weiss wies darauf hin, dass das UTA-Positronenlabor aufgrund der Fähigkeiten seines Positronenstrahls derzeit der einzige Ort ist, an dem diese Technik hätte entwickelt werden können.

"Zurzeit ist das UTA-Labor wahrscheinlich das einzige auf der Welt, das über einen Positronenstrahl verfügt, der die für die Beobachtung dieses Phänomens erforderlichen niedrigen Energien erreichen kann", so Weiss.

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Originalveröffentlichung

Alexander J. Fairchild et al.; Photoemission Spectroscopy Using Virtual Photons Emitted by Positron Sticking: A Complementary Probe for Top-Layer Surface Electronic Structures; Physical Review Letters; 2022.

Atsuo Kawasuso; Spectroscopy That Doesn’t Scratch the Surface; August 29, 2022; Physics 15, 129.

https://www.chemie.de/news/1178474/fortschritte-in-der-spektroskopie.html