Tomografie s atomární sondou

Že je hmota složená z atomů, základních, nedělitelných částic, věřili učenci už v antickém Řecku. Tento původně filozofický koncept začal nabírat vědečtější obrysy ke konci 18. století, kdy se podařilo prokázat existenci chemických prvků. Na základě vnějších tvarů krystalů vznikla myšlenka, že se atomy uspořádávají do pravidelných mřížek – tu se však podařilo potvrdit až na začátku 20. století. I dnes je nahlédnutí do krystalové struktury náročné a téměř vždy je založeno na lokálním pravidelném uspořádání atomů v prostoru, díky kterému dochází k rozptylu například rentgenových paprsků nebo elektronového svazku. Existuje ale experimentální metoda, která rozptyl nevyužívá, a naopak pravidelně uspořádané atomy z mřížky jeden po druhém odebírá, aby pak z naměřených dat zpětně rekonstruovala trojrozměrný počítačový obraz struktury hmoty. Takovou metodou je tomografie s atomární sondou (APT z anglického Atom Probe Tomography).

Princip tomografie s atomární sondou stojí na řízeném odpařování atomů z povrchu materiálu. Z materiálu je třeba vyrobit velmi ostrou mikroskopickou jehlu, jejíž špička má v průměru sotva sto nanometrů. Na ni je přivedeno vysoké kladné napětí, typicky až kolem deseti kilovoltů. V okolí špičky vzniká velmi silné elektrické pole. To způsobuje ionizaci atomů na povrchu a jejich následné odtržení procesem označovaným jako odpařování elektrickým polem. Pokud odpařování polem není možné jako například u nevodivých materiálů, lze atomy alternativně ionizovat a uvolňovat z povrchu také pomocí laserového paprsku.

1. A. Mechanismus odpařování jednotlivých iontů pomocí pulzů elektrického pole: pod konstantním polem se materiál hrotu jehly silně polarizuje a na atomy působí elektrostatická síla blízká síle potřebné k odpaření. Při pulzu je tato mez překročena, pole urychluje odpařený kladný iont pryč od špičky a jehla odvádí uvolněný elektron směrem ke kladnému pólu napětí. B. Princip použití lokální elektrody a iontového zrcadla (reflektronu) při řízení dráhy letu ze sondy na detektor – na doprovodném snímku (z optického mikroskopu) je na pozadí vidět další jehla připravená pro následující experiment. C. Zařízení 3D APT provozované v Ústavu termomechaniky AV ČR.

Pole odpařené ionty urychlí směrem k prostorově citlivému detektoru. Místo v prostoru, odkud iont při vypaření vyletěl, poznáme podle místa dopadu na detektor, zatímco doba letu poskytuje informaci o poměru jeho hmotnosti a náboje. Spojením obou údajů lze určit chemickou identitu iontu a následně rekonstruovat jeho původní polohu ve vzorku. Nicméně aby bylo možné pro daný iont určit dobu jeho letu od vzorku na detektor, musí přístroj znát okamžik, kdy iont ze vzorku odletěl. Proto tomografie s atomární sondou pracuje v pulzním režimu (obr. 1A). Ke konstantnímu elektrickému poli se přidávají krátké napěťové nebo laserové pulzy, které v přesně definovaném okamžiku vyvolají odpaření iontů z povrchu špičky. Je nezbytné, aby při každém pulzním zatížení byl odpařen maximálně jeden jediný iont – jen potom lze pro každý zaznamenaný dopad na detektor spolehlivě určit dráhu a dobu letu.

Měření probíhá v analytické komoře za ultravysokého vakua. To je důležité proto, aby se v komoře nacházelo co nejméně zbytkových plynů: jejich ionizace by zvyšovala pozadí měření a dopady iontů těchto plynů na detektor by vedly k falešným záznamům. Vzorek se zároveň pomocí heliového kryostatu chladí na velmi nízkou teplotu, obvykle na desítky kelvinů. Nízká teplota omezuje pohyb atomů po povrchu vzorku a snižuje riziko jejich nežádoucího tepelného odpařování. Jinými slovy pomáhá zajistit, aby atomy z povrchu odcházely převážně v okamžiku vyvolaném pulzem a aby jejich poloha v rekonstrukci co nejlépe odpovídala původnímu uspořádání ve vzorku.

Nejmodernější systémy tomografie s atomární sondou ještě používají dva triky, které dělají měření přesnějším a rychlejším (obr. 1B). Prvním z nich je lokální elektroda, která má tvar obráceného trychtýře umístěného přímo proti hrotu jehly, a to v její bezprostřední blízkosti. Elektroda tvaruje elektrostatické pole tak, aby odpařené ionty prolétávaly otvorem v jejím středu. Zajišťuje zároveň, aby k odpařování docházelo právě na té jehle, ke které je elektroda nejblíže – v komoře tak může být nachystáno několik jehel různých materiálů, pro analýzu kteréhokoliv z nich stačí danou jehlu posunout proti vrcholu elektrody. Druhým trikem je použití iontového zrcadla, neboli reflektronu. Zrcadlo pomocí elektrostatického pole mění dráhu iontů a kompenzuje rozdíly v jejich kinetické energii. Ionty stejného druhu, pokud do reflektronu vstupují s různou rychlostí, v něm urazí různě dlouhou dráhu, takže se rozdíly v jejich době letu zmenší. Reflektron zároveň celkovou dráhu iontů prodlužuje. To obojí výrazně zlepšuje hmotnostní rozlišení, takže tomografie s atomární sondou dokáže spolehlivě rozpoznat různé izotopy téhož prvku. Zařízení vybavená lokální elektrodou a iontovou čočkou se označují zkratkou LEAP (Local Electrode Atom Probe) a patří mezi ně i aparatura LEAP 6000 XR, provozovaná v Ústavu termomechaniky AV ČR (obr. 1C).