Madala energiaga ioonide hajumise spektroskoopia

Madala energiaga ioonide hajumisspektroskoopia (LEIS ehk low-energy ion scattering spectroscopy), ehk lihtsamalt ioonhajumismeetodil spektroskoopia, on äärmiselt pinnatundlik analüüsimeetod materjalide keemilise ja struktuurilise koostise määramiseks. LEIS põhineb laetud osakeste, ehk ioonide, kimbu suunamisel vaadeldavale pinnale, kus toimub ioonide interakteerumine materjaliga ning uuritava pinnaga vastasmõjus olnud ioonide positsioonide, kiiruste ja energiate muutuste jälgimisel teostatakse pinna-analüüs. Sel moel kogutud andmete abil on võimalik tuletada informatsiooni materjali karakteristikute kohta: aatomite asukohad pinnavõres ja nende aatomite elemendiline päritolu. LEIS on tihedalt seotud teiste ioonhajumismeetoditega (keskmise energiaga ioonhajumine ehk MEIS medium-energy ion scattering, kõrge energiaga ioonhajumine ehk HEIS high-energy ion scattering, mida teatakse ka kui Rutherfordi tagasihajunud ioonide spektroskoopia ehk RBS Rutherford backscattering spectroscopy all), erinedes nendest meetoditest peamiselt pinda skaneeriva ioonkiire energiavahemike poolest. Kuigi suur osa LEISi abiga kogutud informatsioonist materjalide kohta on teostatav ka teiste pinna-analüüsi tehnikatega, siis LEISi tundlikkus pinna struktuuri ja koostise määramisel on ainulaadne. LEIS on ka üks väga vähestest pinnatundlikest meetoditest, mis suudavad vahetult vaadelda vesinikuaatomeid. See omadus võib oluliselt suurendada LEIS-meetodi tähtsust järjest päevakorralisema vesinikuenergeetika materjalide uurimisel.

Ioonide ja pinna vastastikuse toime füüsika

Ioonkiirega üle prooviobjekti skaneerides leiavad aset erinevad sündmused: näiteks elektronide või footonite emissioon, elektronide ülekanne (nii ioonidelt pinnale kui ka pinnalt ioonidele), hajumine, adsorptsioon ja ioonsöövitus (tolmustamine). Iga sellise sündmuse kohta on interaktsiooni ristlõike pindala, LEIS keskendub peamiselt hajumise nähtuse uurimisele.

Varjestamine ja blokeerimine

Varjestamine ja blokeerimine on ioonide ja tuumade tõukumisest tingitud nähtused, mis avalduvad peaaegu kõigis ioonide ja pinna vastasmõjude nähtustes. Jooniselt on näha, et kui ioonide vool langeb hajuvale tsentrile (tuumale) paralleelselt, siis ioonkiires hajub iga ioon vastavalt Coulombi tõukumisele. Selline efekt on tuntud kui varjestamine. Lihtsa Coulombi tõukumise mudeli kohaselt võtab hajuva tsentri taga sellest tsentrist kaugusel L olev „keelatud“ piirkond (kuhu ioonid ei satu) paraboloidi kuju. Paraboloidi raadius on antud valemiga:  Voolutihedus on suurem paraboloidi servades.
Blokeerimine on tihedalt seotud varjestamisega ja hõlmab hajunud ioonide ja hajuva naabertsentri (vajalik on vähemalt kahe hajuva tsentri olemasolu) interaktsiooni. Pildilt vaadates, esimeselt tuumalt hajunud ioonid on pärast teise tuumaga interakteerumist lahknevatel teekondadel. Selline interakteerumine tingib veel ühe „varjestava koonuse“ tekkimise. Esimeselt tuumalt hajunud ioonid ei ole suutelised hajuma nurga all, mis on väiksem kui , selline teekond on neile blokeeritud ja seega on varjestavast koonusest saanud nüüd blokeeriv koonus. Efekti tõttu on voolutihedus suurendatud kriitilise nurga  juures.
Nii varjestamise kui ka blokeerimise nähtuste korral on osakeste trajektooridel võimalik siseneda „keelatud“ piirkondadesse, kui pealelangevate ioonide massid on suuremad kui pinnaaatomite massid (nt Ar⁺ pommitamas Si või Al osakesi). Sel juhul on piirkonnas lõplik, kuid vähendatud voolutihedus.
MEIS- ja RBS-meetodites kasutatavate kõrgemate energiatega ioonide korral on domineerivad interaktsioonid ioonide ja tuumade vahel, elektronide ekraneerimise efektid on tühised ja seega on varjestamise ja blokeerimise nähtused üsna lihtsad. LEISi korral sekkuvad ekraneerimise efektid ioonide ja tuumade interaktsioonidega ja tõukuv potentsiaal muutub keerulisemaks. Analüüsi muudab keerulisemaks ka asjaolu, et korraga on tõenäolised arvukad hajumised. LEIS-meetodis kasutatavad madalama energiaga ioonide tõttu on analüüsile iseloomulik suur interaktsiooni ristlõikepindala ja varjestusel tekkiva koonuse raadius. Selletõttu on materjalis ioonide läbitungimise sügavus väike ja meetodil on palju kõrgem materjali esimese kihi pinnatundlikkus kui MEIS- või RBS-meetodil. Varjestamise ja blokeerimise kontseptsioonid on hädavajalikud kokkupõrke LEIS-andmeanalüüsis (kirjeldatud allpool).

Difraktsiooni mõju

LEIS-eksperimentides kasutatavate ioonide de Broglie lainepikkus avaldub valemiga . Ka kõige halvemini valitud väärtuste juures, nt 500 eV ⁴He⁺ ioonide jaoks, on λ väärtus endiselt 0,006 Å, mis on tugevalt alla aatomitevahelise 2-3 Å suuruse vahekauguse. De Broglie lainepikkuse väikese väärtuse tõttu ei ole difraktsiooni mõjud LEIS-eksperimentides märkimisväärsed.

LEIS-rakendused

LEIS ja TOF-SIMS on teineteist täiendavad uurimismeetodid, mille kombineerimisel on võimalik väga täpselt uurida üli-õhukeste materjalikihtide struktuurilist ehitust, osakestevahelisi kaugusi, elemendilist koostist ja erinevate elementide paiknemist materjalis. Üli-õhukeste materjalikihtidega puutuvad kokku näiteks aatomkihtsadestuse meetod ning nanoelektroonika ja seal kasutatavad materjalid.
Joonisel ALD-meetodil sadestatud ZrO₂ SiO₂ alusele high-k dielektrilise materjali valmistamiseks. Intensiivsuste piikidest on võimalik kindlaks teha kihipaksuste variatsioone: Zr piigi laienemine vasakult poolt vihjab mitme erineva aatomkihi olemasolule.
Käesolev viki artikkel on suures osas tõlgitud Wikipedia ingliskeelsest artiklist. Originaal on leitav Low-energy ion scattering nime all.