Čo je to realita? Nad touto otázkou môže ľudstvo polemizovať dlhé hodiny. Avšak, ak už nevieme realitu definovať, aspoň sa ľudstvo snaží pochopiť, čo túto realitu sprevádza a pochopenie ich princípov je v zásade potrebné. V každom okamihu jej priebeh navyše aj menia. V priebehu celej doby vznikali nové teórie o porozumení realite a svetu okolo nás.
V súčasnosti, s rozvojom technológií, je možné skúmať realitu až na atomárnej úrovni. Na to sa využívajú rôzne fyzikálne princípy založené na osvedčených teóriách. Jednou z metód je využitie röntgenového žiarenia. Vďaka moderným technológiám, ako napríklad Central European Institute of Technology, je možné kombinovať tieto techniky a získať tak komplexné informácie.
Katódoluminiscencia (CL)
Jednou z metód charakterizácie materiálov je katódoluminiscencia (CL, Cathodoluminescence). Ide o jav, kedy materiál reaguje s dopadajúcimi elektrónmi, ktorá vďaka tejto nadobudnutej energii môže emitovať fotóny. Katódoluminiscencia je jeden z mnohých prípadov všeobecnejšieho javu luminiscencie (emitovanie svetla látkou z iného ako základného energetického stavu).
Ak prechod do základného stavu trvá kratšiu dobu ako 10−8 s, jedná sa o fluorescenciu. V prípade, že prechod trvá dlhšie, tento jav sa nazýva fosforescencia. Fosforescenčné deje prebiehajú prostredníctvom metastabilných energiových stavov. Pri nízkych teplotách môže nastať jav excitónu (viazaný stav páru elektrón-diera pri nízkych teplotách).
Energia emitovaného fotónu je daná vzťahom E = hν = hc/λ, kde h je Planckova konštanta a c je rýchlosť svetla vo vákuu. Spektrum katódoluminiscencie môže siahať od ultrafialovej oblasti, cez viditeľnú oblasť, alebo z blízkej infračervenej oblasti.
Prečítajte si tiež: Vlastníctvo zbraní na Slovensku
Kvantitatívny popis tvorby CL signálu
Pri priamych prechodoch (keď je hybnosť elektrónu, kde h̄ je redukovaná Planckova konštanta a k je vlnový vektor) systému zachovaná, prechody elektrónov sú priame, t.j. elektrón prechádza priamo z minima vodivostného a maxima valenčného pásu. Pri nepriamych prechodoch je potrebná účasť fonónov. Ak sa na prechode zúčastnil aj fonón, prechod a emisia fotónov je pomerne slabá.
Po dopade elektrónu s energiou Ef dochádza k prechodom elektrónov v pásovej štruktúre polovodiča. Proces 1 je prechod elektrónu v rámci vodivostného pásu. Tieto prechody vedú k zmene rovnováhy v kryštalickej mriežke a následnej luminiscenciu. Najčastejšie dochádza k rekombinácii elektrónu vo vodivostnom páse a dierou vo valenčnom páse a následnú emisiu fotónu o energii hν ∼= Eg. Energia fotónu môže byť dokonca desiatky meV.
V páse zakázaných energií sa môžu nachádzať aj defekty atómov (napríklad donorov a akceptorov). Na popis procesov sa často využíva porovnanie absorpčných a emisných luminiscenčných spektier, užívajúceho takzvanú konfiguračnú súradnicu Q. Pomocou Franckovho-Condonovho princípu je možné znázorniť reprezentáciu prechodov elektrónu v systéme. Prechod do excitovaného stavu (horná krivka) môže nastať iba z tohto miesta. Rozdelenie prechodov elektrónu do jednotlivých pozícií (v závislosti od konfiguračnej súradnice Q) je rovnako definovaný aj pás emisie, podobne ako pri fotoluminiscencii. Pri katódoluminiscencii jeden elektrón vygeneruje iba jeden pár elektrón-diera, v porovnaní s fotoluminiscenciou.
Objem, v ktorom dochádza k interakcii elektrónov a ich chaotickému rozptylu pod povrchom bombardovanej látky, môže spravidla dosahovať niekoľko mikrometrov v priemere. Tento objem je ovplyvnený energiou elektrónov a vlastnosťami materiálu. Vplyv na veľkosť oblasti má aj spätný odraz elektrónov.
Intenzita CL signálu je úmerná prebytku nosičov náboja na jednotku objemu. Tento prebytok sa šíri difúzne. Nie všetky rekombinácie vedú k emisii fotónu. Pravdepodobnosť, že rekombinácia povedie k žiarivému javu, je daná podielom τnr/τrr, pričom τrr je žiarivá rekombinačná doba života a τnr nežiarivá. Množstvo vyžiarených fotónov je dané vzťahom ∆n(r)η/τ, kde η je kvantová účinnosť žiarivým procesom, t.j. ∆n(r)η/τ vnútri materiálu.
Prečítajte si tiež: Zbraň a podnikanie: Kedy je to povolené?
Pre priestorové rozloženie CL signálu neexistuje žiadny analytický výraz, ktorý by ho popísal. Na zber CL signálu sa používajú rôzne optické systémy, napríklad šošovky, prípadne eliptické zrkadlo. Cieľom je maximalizovať množstvo zozbieraného svetla a efektívne ho preniesť k detektoru. Kvalitný detektor by mal mať nízku hladinu šumu.
Ak je veľkosť stopy elektrónového zväzku väčšia ako oblasť, z ktorej pochádza CL signál, priestorové rozlíšenie je nižšie. Preto je snahou veľkosť stopy minimalizovať. Existujú rôzne spôsoby, ako zmenšiť veľkosť elektrónového zväzku, ako zvýšiť priestorové rozlíšenie. Jednou z možností je aplikácia magnetického poľa, v ktorom sa vzorka nachádza. Magnetické pole ovplyvňuje dráhu elektrónov a tým zmenšuje veľkosť stopy. Zber CL signálu je nutné prispôsobiť konštrukciu a vákuovú kompatibilitu.
Metódy spracovania CL signálu
Na detekciu CL signálu sa používa optické vlákno, ktoré dokáže viesť CL signál až k detektoru. Existuje aj klasická verzia SNOM. V tejto konfigurácii dopadal na vzorku hybný elektrónový zväzok pod uhlom. Vzorka bola natočená tak, aby elektrónový zväzok dopadal priamo pod hrot sondy. Sonda zbierala vyžiarené svetlo a viedla ho do optického vlákna, ktoré bolo nad ňou. Optické vlákno transportovalo tento signál až k detektoru, ktorý sa nachádzal mimo komory. Neskôr bol elektrónový zväzok vychyľovaný o 60° pomocou vychyľovača.
Intenzita detegovaného CL signálu je ovplyvnená polohou SNOM sondy voči sebe. Prílišná blízkosť sondy môže mať za následok tvorbu parazitného signálu. Pri rastrovaní elektrónovým zväzkom je vzorka a SNOM sonda nehybná. Alternatívou je meranie s nehybným elektrónovým zväzkom a vzorkou, pričom SNOM sonda sa pohybuje.
CL spektrum je možné získať z vybranej oblasti. Je možné zobraziť aj CL mapy. Prostredníctvom filtra je možné prepustiť iba určitý interval prispievajúcich vlnových dĺžok svetla. Taktiež je možné merať emisiu z bodu alebo vybranej oblasti v závislosti od vlnovej dĺžky svetla. Tieto metódy závisia od použitého detekčného systému.
Prečítajte si tiež: Zbraň v práci: Slovenské právo
Proces depozície parylénu
Parylény sú polyméry, ktoré sa vyznačujú dobrou spracovateľnosťou tvorby a nízku ekonomickú náročnosť. Parylénové vrstvy majú vynikajúce dielektrické vlastnosti a sú odolné voči rôznym podmienkam, ako je napríklad pôsobenie vzduchu. Depozícia parylénu prebieha z plynnej fázy (CVD, Chemical Vapour Deposition). Čistota vstupného prášku hrá veľkú rolu v kvalite vytvorenej vrstvy. Samotná depozícia prebieha pri izbovej teplote.
Existuje celý rad derivátov di-para-xylylenu, ktorých existuje celý rad. Najčastejšie užívané patria napríklad parylény C, D a N. V prípade parylénu N sa jedná o najjednoduchší typ parylénu, ktorý neobsahuje žiadne ďalšie skupiny. Parylén C je charakterizovaný chemickou reakciou, pri ktorej je viazaný chlórový atóm namiesto vodíku. Naviazaním dvoch chlórových atómov na benzénové jadro vzniká parylén D.
Neskôr William F. Gorham zistil, že ako východiskovú látku je možné použiť di-para-xylylén. Pri izbovej teplote tvorí na substráte súvislú vrstvu bez defektov. Tvarovo sa odlišuje od vrstvy, ktorá vznikne po použití kvapaliny. Na depozíciu sa používa depozičný systém SCS Labcoter 2. Polymér sa vloží do vaporizéra, kde sa začne vyparovať a vzniká dimérový plyn. Následne prebieha pyrolýza za vysokej teploty (okolo 600 °C), pri ktorej sa dimér rozloží na monomér. Monomér následne v depozičnej komore vytvorí vrstvu parylénu, polymér. Je dôležité zabezpečiť uniformné vytvorenie parylénovej vrstvy. Teplota v cryotrape sa udržuje nízka (napríklad za použitia tekutého dusíku).
Iónové naprašovanie
Alternatívou ku klasickému naprašovaniu je použitie asistujúceho iónového zväzku (IBAD, Ion Beam Assisted Deposition). Zariadenie pre iónové naprašovanie využíva inertný plyn ako médium v primárnom iónovom zdroji. Ióny po dopade odovzdávajú energiu atómom terča, čím ich vyrážajú. Aby atómy z terča dopadali priamo na substrát, kde vzniká vrstva naprášeného materiálu, je potrebné vysoké vákuum. Rýchlosť depozície je možné ovplyvniť pomocou kremenného kryštálu umiestneného v blízkosti substrátu. Pri metóde IBAD je použitý aj sekundárny iónový zdroj. Ióny zo sekundárneho zdroja dosahujú energiu nižšiu ako ióny z primárneho zdroja a slúžia na úpravu vlastností vrstvy, ako je napríklad jej stochiometria. Zloženie iónového zväzku je možné ovplyvniť vpúšťaním vhodného plynu do komory aparatúry. Substrát a terč sú elektricky uzemnené.
Príprava ladičiek a tvorba nevodivej vrstvy
Pred samotným meraním elektrónovým mikroskopom je nutné ladičky špeciálne upraviť. Vylepšeniami sa z časti zautomatizovala úprava vlákien. Užitie optického vlákna je základným východiskom. Problém môže nastať, ak signál, ktorý vzniká interakciou elektrónov so vzorkou, vytvára parazitný signál. Preto sa používa leptanie. Na hrot vlákna sa nanáša vrstvu s hrúbkou okolo stovky nanometrov. Centrálna časť pokoveného hrotu sa odstráni pomocou techniky FIB. Problémom môže byť kontaminácia po leptaní, pokovení alebo transporte vlákna.
Veľkosť apertúry ovplyvňuje priestorové rozlíšenie. Priestorové rozlíšenie je dané vzťahom d = 0.61λ/NA, kde d je priemer apertúry a λ je vlnová dĺžka prepúšťaného svetla. Čím menšia apertúra, tým je priestorové rozlíšenie vyššia. Optické vlákno je upevnené na piezoelektrický kremenný rezonátor, takzvanú ladičku. Hrot vlákna vyčnieva mimo ramienka ladičky. Ladička v princípe tvorí oscilačný RLC obvod. Hrot vlákna je v tesnej blízkosti povrchu vzorky. Interakcia medzi hrotom a vzorkou je merateľná. Ladička osciluje s relatívne presne definovanou rezonančnou frekvenciou. Vzájomná vzdialenosť hrotu od vzorky je najčastejšie okolo desiatok nanometrov, bez jeho poškodenia.
Počas merania prevláda šmyková zložka sily (shear force) spôsobená interakciou. Môže ísť o horizontálnu polohu vlákna s ladičkou. Pri normálovej zložke sily (normal force) pôsobí na povrch vzorky prevažne normálová zložka sily. Horizontálna poloha vlákna s ladičkou osciluje s rezonančnou frekvenciou v rádoch jednotiek megahertzov. Týmto spôsobom je možné zobraziť vlastnosti povrchu vzorky.
Použité optické vlákno má názvom S405-XP. Jadro vlákna má vyšší index lomu ako materiál, ktorý tvorí jadro. Vlákno je uchytené v držiaku sondy pomocou spojky od firmy Swagelok. Veľkosť teflónového tesnenia je 1/8′′. Spojka je následne deformované v radiálnom i axiálnom smere. Pri vyvedení vlákna mimo vákua je nutná špeciálna úprava vákuovej príruby (dvierka vákuovej komory SEM Vega2). Montáž a demontáž prírub na tieto priechodky je veľmi rýchla a jednoduchá. Príruba je umiestnená excentricky. Je potrebné dávať pozor, aby sa teflónové tesnenie nepoškodilo.
Optické vlákno je následne pripojené k detektoru, respektíve k spektrometru. Na hrote vlákna je vytvorená apertúra technikou FIB. Pri výrobe sondy je potrebné prevliecť vlákno cez dieru v izolačnej časti obalu kremennej ladičky. Diera má priemer 0,3 až 0,4 mm. Použitie dlhých vrtákov môže spôsobiť zničenie ladičky a jej piezoelektrických vlastností. Preto je najvhodnejšie použitie dostatočne krátkych vrtákov. Následne sa používa ručný pilník k miernemu zbrúseniu kovového krytu, aby sa mohla ladička pohybovať po podložke. Počas tohto postupu môže nastať poškodenie ladičky.
Na vytvorenie izolačnej vrstvy na povrchu ladičky bolo použitých niekoľko techník. Jednou z nich je dip-coating, ktorá spočíva v namáčaní ladičiek do kvapalného polymérového laku. Ide o veľmi rýchlu metódu, u ktorej však nastáva niekoľko kritických problémov, ako je napríklad zmena rezonančnej frekvencie v dôsledku zaťaženia kremenných ramienok lakom. Ďalším problémom je nerovnomerná hrúbka vrstvy v okolí hrán ramienok. Alternatívou je depozícia parylénovej vrstvy. Parylénová vrstva zaisťovala minimálnu zmätkovitosť. Kondenzátor na povrchu kremenných ramienok zabezpečuje nulovú kapacitanciu. Bez izolačnej vrstvy nie je možné ladičku elektricky rozkmitať do stavu rezonancie.
Pred samotným leptaním je nutné zbaviť vlákno ochranného polymérového obalu na dĺžke približne 2 mm. Odhalený koniec vlákna sa ponorí do kyseliny fluorovodíkovej (HF). Doba, počas ktorej sú vlákna ponorené v takto pripravenej HF, je viac ako 50 minút. Doba leptania má vplyv na výsledný geometrický tvar hrotu vlákna. Počas manipulácie s leptanými vláknami je potrebné dbať na opatrnosť, aby sa hrot nepoškodil. Aj samotné meranie môže spôsobiť nevratné zničenie hrotu. V takom prípade je nutné vlákno opakovane leptať.