«Электронная структура» — шестая по внутренней нумерации станция первой очереди Центра коллективного пользования «Сибирский кольцевой источник фотонов». Ресурсы станции направлены на исследование поверхностей функциональных материалов, в числе которых катализаторы, а также на изучение объектов микроэлектроники. С помощью метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, применяя мягкий диапазон рентгеновского излучения, ученые смогут изучать все элементы таблицы Менделеева, проводить in situ/operando эксперименты.
«Инициатором создания станции “Электронная структура” и ее концепции выступает ФИЦ “Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН” — один из лидеров по использованию метода фотоэлектронной рентгеновской спектроскопии, который будет реализован в двух направлениях: фотоэлектронная спектроскопия высокого давления и фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением. Первое применяется при исследовании состава, электронной структуры активных слоев функционирующих каталитических систем при повышенном давлении, а также для проведения экспериментов с катализаторами в условиях протекания каталитической реакции, изменения химического состояния атомов в составе активного компонента на поверхности. Второе направление нужно для изучения объектов микроэлектроники, когда требуется подробная информация об электронной структуре полупроводниковых материалов. Предполагается, что станция будет пользоваться высоким спросом среди научного сообщества», — рассказал заместитель директора ЦКП СКИФ по научной работе доктор физико-математических наук Ян Витаутасович Зубавичус.
Эскиз станции «Электронная структура»
Кто занимается созданием станции и поставкой оборудования для нее?
Созданием экспериментальной станции «Электронная структура» занимается Томский политехнический университет совместно с партнерами, в числе которых ООО «Финансово-производственная компания в атомной энергетике» и ООО «КР-Аналитика». Они поставят рентгенооптическое оборудование, а также два вакуумных и два измерительных стенда. Томский политех выступает интегратором, инженеры университета будут работать над ограничительными конструкциями — хатчами (от англ. hutch — бункер/хижина), инженерными системами станции, программно-аппаратным комплексом, а также выполнять работы по монтажу, шефмонтажу, шефналадке оборудования.
«Благодаря исследованиям с использованием фотоэлектронной спектроскопии мы сможем получать информацию, необходимую для улучшения существующих и разработки новых катализаторов с оптимальными характеристиками, которые важны в промышленных каталитических процессах. Также метод позволит исследовать инновационные функциональные материалы, например многослойные полупроводниковые структуры, углеродные композиционные и наноструктурированные материалы. Работа второй секции станции будет основана на методе фотоэлектронной спектроскопии с угловым и спиновым разрешением. Она позволит изучать электронную и спиновую структуру твердых тел для решения актуальных задач физики полупроводников, развития компонентной базы и новых принципов дизайна устройств молекулярной электроники, наноэлектроники и спинтроники», — отметил проректор по науке и стратегическим проектам ТПУ кандидат физико-математических наук Алексей Сергеевич Гоголев.
Что такое рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и где она применяется?
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия развивается с конца 1970-х годов. Одним из ключевых событий, ставшим импульсом для продвижения метода в научном сообществе, послужило присуждение Нобелевской премии по физике шведскому ученому Каю Манне Бёрье Сигбану «за вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения». Благодаря технологическому прогрессу и созданию источников синхротронного излучения метод фотоэлектронной спектроскопии активно прогрессирует и используется учеными всего мира. Сегодня рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, именуемая также фотоэмиссионной спектроскопией или электронной спектроскопией для химического анализа, относится к одним из наиболее востребованных экспериментальных методов физико-химического анализа, в особенности для наук о поверхности. Фотоэлектронная спектроскопия позволяет получить информацию о химическом зарядовом состоянии элементов, об элементном составе исследуемых образцов вплоть до количественного анализа, об атомном строении материалов, что способствует определению их реакционной способности в явлениях адсорбции и катализа.
«Станция 1-6 реализует фотоэлектронную спектроскопию в двух секциях, одна из которых — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия высокого давления, которая позволяет при повышенном давлении проводить эксперименты в режимах in situ/operando. Под воздействием газовой или реакционной среды образец можно нагреть, оценить его каталитические характеристики — каким образом он ведет себя в реакции, одновременно с этим измерить его фотоэлектронные спектры и получить информацию о процессах на поверхности материала. Эти знания крайне важны для катализа, потому что абсолютно все гетерогенные каталитические процессы происходят именно на поверхности. Под воздействием реакционной среды катализатор может менять свою структуру и химическое состояние, in situ/operando исследования дают понимание, какие активные центры ответственны за изменения каталитических характеристик. Это помогает разобраться, почему катализатор активируется или деактивируется либо совсем не работает. Такие знания способствуют оптимизации процесса приготовления катализатора — позволяют создать его с определенной структурой и, соответственно, задавать каталитические характеристики, в числе которых активность, селективность и стабильность. Ресурсы станции не ограничены работой только с катализаторами — она подходит для изучения любых твердых материалов и поверхностей», — рассказал заведующий отделом синхротронных исследований ЦКП СКИФ, координатор создания станции «Электронная структура», научный сотрудник лаборатории исследования поверхности ИК СО РАН доктор химических наук Андрей Валерьевич Бухтияров.
Вторая секция — рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с угловым и спиновым разрешением, она используется для изучения электрофизических свойств тонкопленочных и низкоразмерных материалов, необходимых в дизайне устройств микро- и наноэлектроники. Если в первой секции образцы окружены условиями, приближенными к реальным, то здесь ученые будут изучать поверхности чистых систем, например монокристаллов, металлов, полупроводников и их гетероструктур, в сверхвысоковакуумной среде, так как для исследования идеальных поверхностей нужно их подготавливать и сохранять длительное время в чистом состоянии в течение эксперимента.
«Исходно фотоэлектронная спектроскопия позволяет нам получать данные об элементном составе, химическом составе поверхности, но если перейти в ультрафиолетовый диапазон либо ближний рентгеновский, то мы сможем изучить структуру зон внутри твердого тела. Фотоэлектроны, вылетающие в процессе фотоэмиссии в вакуум, несут в себе информацию об энергетическом состоянии электрона в твердом теле, а также о моменте импульса, который электрон имел внутри твердого тела. В вакууме моменту импульса соответствует угол эмиссии фотоэлектронов относительно поверхности. Если мы измеряем распределение фотоэлектронов по углам и по энергиям, то мы напрямую измеряем дисперсию зон электронных состояний в твердом теле. Дисперсия зон — очень важная характеристика полупроводниковых материалов, которая описывает то, как электроны будут вести себя при электронном транспорте и как они будут поглощать свет, что важно для фотоэлектронных приборов. Также метод дает информацию о влиянии эффектов межэлектронного взаимодействия на зонную структуру. Поэтому к развитию фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением в современном виде привела потребность в изучении сверхпроводников. Все знания, полученные на станции “Электронная структура”, в будущем помогут создавать устройства, работающие на совершенно других принципах, на основе изученных новых материалов», — пояснил научный сотрудник лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Андреевич Голяшов.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия считается универсальным методом, позволяющим изучать все элементы периодической таблицы Менделеева, в том числе и водород, несмотря на то, что у него один электрон и фотоэмиссия проходит слабо.
Из каких элементов будет состоять станция?
В качестве источника синхротронного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения на станции планируют использовать электромагнитный эллиптический ондулятор, который представляет собой модификацию изготовленного Институтом ядерной физики им. Г. И. Будкера для Paul Scherrer Institut (Швейцария) ондулятора. Также для транспортировки мягкого рентгеновского и ультрафиолетового излучения из накопителя к экспериментальной станции 1-6 будет применяться безфольговый фронтенд. Он осуществляет сопряжение вакуума накопителя с вакуумом канала излучения и защиту в случае аварийного прорыва атмосферы в канал или накопитель.
Фронтендом канала синхротронного излучения называют группу элементов канала, расположенных в тоннеле накопителя и осуществляющих технические функции по предварительному формированию размера пучка, сопряжению вакуума накопителя с вакуумом канала транспортировки СИ, обеспечению вакуумной и радиационной безопасности.
Секции станции «Электронная структура» будут работать поочередно. Для этого планируется использовать общую оптическую линию и фокусирующие зеркала для доставки монохроматизированного синхротронного излучения на образец каждой из секций. Оптическая схема имеет семь отражающих элементов, пять фокусирующих зеркал, одно плоское отражающее зеркало и одну плоскую отражающую решетку. Также на станции будут блоки и мониторы рентгеновского пучка и ионизационная камера для калибровки спектрального разрешения монохроматора, камеры для работы с образцами.
«Работа в мягком рентгеновском диапазоне накладывает ограничения на использование оптики. На каждом отражении пучок теряет свою интенсивность излучения. С одной стороны, возможности ондулятора позволяют получить интенсивный и узконаправленный пучок, а с другой — этот пучок несет огромную тепловую нагрузку на зеркала, что негативно на них сказывается. В условиях вакуума с точной геометрией охлаждать зеркала сложно. Поэтому на станцию поставляется оптика лучших зарубежных производителей, отличающаяся высоким качеством и работоспособностью в разных экспериментальных условиях», — отметил Андрей Бухтияров.
Схема станции дает возможность организовать две независимые секции с взаимодополняющими функциональными возможностями. Пучок синхротронного излучения будет направляться с оптической оси одной секции на оптическую ось второй при помощи зеркала. Первая секция «Электронной структуры» позволит на мировом уровне проводить исследования каталитических систем и функциональных материалов в режимах in situ/operando при повышенных температурах и давлении в реакционной среде. Вторая секция нацелена на решение важнейших задач в области физики полупроводников, развития новых материалов и новых принципов дизайна устройств молекулярной электроники, наноэлектроники и спинтроники. Обе секции будут широко востребованы научным сообществом.
Кирилл Сергеевич
Изображения предоставлены Андреем Бухтияровым
