W Polsce powstają światowe standardy metrologii powierzchni

źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Badanie powierzchniowych warstw materiałów metodami spektroskopowymi - niezwykle istotne dla nanotechnologii, inżynierii materiałowej, mikroelektroniki i wielu innych dziedzin - wymaga znajomości pewnych parametrów, dostępnych w bazach danych rozprowadzanych obecnie przez amerykański Narodowy Instytut Technologii i Standaryzacji (NIST). Bazy te, wykorzystywane przez naukowców z całego świata, powstają dzięki Polakowi - prof. dr. hab. Aleksandrowi Jabłońskiemu z Instytutu Chemii Fizycznej (IChF) PAN w Warszawie. 

Wprowadzenie do dystrybucji najnowszej takiej bazy zbiega się z uhonorowaniem osiągnięć prof. Jabłońskiego prestiżową Nagrodą Naukową im. Marii Skłodowskiej-Curie, przyznawaną przez Wydział III Nauk Matematycznych, Fizycznych i Chemicznych Polskiej Akademii Nauk.

Jej laureatami zostają polscy naukowcy nie będący członkami PAN, których wybitne i twórcze osiągnięcia w szczególny sposób przyczyniły się do rozwoju nauki. Uroczyste wręczenie nagrody profesorowi Jabłońskiemu odbędzie się w najbliższych dniach.

Jak tłumaczą eksperci z IChF, zewnętrzne warstwy materiałów, grubości zaledwie kilku-kilkunastu warstw atomowych, odgrywają główną rolę w wielu ważnych dziedzinach - np. w mikroelektronice i procesach - np. katalizie i korozji.

Do badania takich warstw wykorzystuje się obecnie tzw. powierzchniowo czułe metody spektroskopowe. Jednak, aby ich analiza była skuteczna i rzetelna, potrzebne są pewne dodatkowe parametry, dostępne w bazach danych rozprowadzanych przez amerykański Narodowy Instytut Technologii i Standardyzacji w Waszyngtonie (National Institute of Standards and Technology, NIST). Z baz tych korzystają uczeni z laboratoriów na całym świecie, a powstają one właśnie dzięki pracy prof. Jabłońskiego.

Powierzchnia materiałów decyduje o sposobie, w jaki oddziałują one z otoczeniem. Obecność zanieczyszczeń może jednak zmienić tę powierzchnię w sposób trudny do przewidzenia.

"Nawet wtedy, gdy w materiale znajduje się zaledwie kilka obcych cząsteczek na milion, zanieczyszczenia mogą wypłynąć na zewnątrz i pokryć całą próbkę. Powierzchniowe własności takiej substancji będą wówczas inne niż wnętrza materiału" - mówi prof. Jabłoński i podkreśla, że wiedza o rzeczywistych własnościach fizycznych i chemicznych powierzchni materiałów ma ogromne znaczenie dla przemysłu korzystającego z najnowszych osiągnięć inżynierii materiałowej, mikroelektroniki oraz rozmaitych nanotechnologii.

Do badania powierzchni stosuje się najczęściej dwie metody badawcze: spektroskopię fotoelektronową oraz spektroskopię elektronów Augera.

W pierwszej z nich powierzchnię próbki oświetla się promieniowaniem rentgenowskim i obserwuje elektrony wybite z warstw powierzchniowych przez fotony. W drugiej metodzie materiał jest bombardowany monochromatyczną wiązką elektronów, co umożliwia badanie energii elektronów emitowanych wskutek wewnątrzatomowych przejść bezpromienistych (takich, którym nie towarzyszy emisja fotonu). Ponieważ wyłącznie elektrony wyrzucone z atomów przy powierzchni mają szansę wydostać się poza próbkę bez straty energii, obie metody "widzą" tylko kilka najbardziej zewnętrznych warstw atomowych materiału.

Specjaliści z IChF PAN tłumaczą, że za pomocą spektroskopii fotoelektronowej można analizować m.in. wartościowość i formę chemiczną pierwiastków oraz rozkład związków chemicznych na powierzchni materiałów, w tym nieprzewodzących, takich jak substancje pochodzenia biologicznego, ceramiki czy tworzywa sztuczne.

Spektroskopia elektronów Augera pozwala z kolei otrzymać większą rozdzielczość rozkładu pierwiastków na powierzchni, dochodzącą w najnowszych urządzeniach do zaledwie 10 nanometrów.

Wykonanie poprawnych analiz za pomocą spektroskopii powierzchniowo czułych wiąże się z koniecznością opracowania wiarygodnej teorii transportu elektronów w obszarze powierzchniowym materii skondensowanej. Dlatego też do procedur matematycznych opisujących to zjawisko trzeba było wprowadzić pewne parametry, umożliwiające ilościową analizę powierzchni. Rozszerzenie teorii dokonane przez prof. Jabłońskiego oraz jego propozycje nowych parametrów zaowocowały stworzeniem obszernych baz danych, ułatwiających pracę użytkownikom spektroskopii elektronowych.

Prace prof. Jabłońskiego wzbudziły zainteresowanie amerykańskiego Narodowego Instytutu Technologii i Standardyzacji NIST, który podjął się dystrybucji jego baz danych. W rezultacie w latach 2001-2010 rozprowadzono ponad 2000 pakietów programowych zawierających bazy danych przygotowane w IChF PAN.

W ostatnim czasie profesor zakończył testy najnowszej bazy danych - SRD 154. Zawiera ona tzw. modyfikowane czynniki wstecznego rozpraszania i już wkrótce zostanie wprowadzona do dystrybucji przez NIST.

Prof. dr hab. Aleksander Jabłoński studiował na Wydziale Chemicznym Politechniki Szczecińskiej. W 1975 roku otrzymał tytuł doktora, a w 1982 doktora habilitowanego. W latach 1983-84 roku w ramach stypendium Fundacji Humboldta odbywał staż naukowy w laboratorium prof. Gerharda Ertla, światowej klasy specjalisty z zakresu chemii powierzchni. Profesorem został w 1990 roku, a od 2003 jest dyrektorem naczelnym Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

W 1995 roku przyznano mu Złoty Krzyż Zasługi za wybitne osiągnięcia naukowe. W 2007 został poproszony przez redaktorów czasopisma Surface Science o napisanie artykułu "Quantification of Surface Sensitive Electron Spectroscopies" do specjalnego tomu wydanego dla uhonorowania Nagrody Nobla przyznanej prof. Ertlowi za badanie elementarnych procesów zachodzących na powierzchni ciał stałych.

Prof. Jabłoński jest członkiem rad naukowych kilku polskich instytucji naukowych, komitetów redakcyjnych czasopism branżowych i współorganizatorem wielu konferencji.

IChF PAN