Madala energiaga ioonide hajumise spektroskoopia

Madala energiaga ioonide hajumise spektroskoopia (LEIS ehk "low-energy ion scattering spectroscopy)" ehk lihtsamalt ioonhajumismeetodil spektroskoopia on väga 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 spektroskoopiat ehk RBS "Rutherford backscattering spectroscopy"'t), erinedes nendest meetoditest peamiselt pinda skaneeriva ioonkiire energiavahemike poolest. Kuigi suur osa LEIS-i abiga kogutud informatsioonist materjalide kohta on teostatav ka teiste pinna-analüüsi tehnikatega, siis LEIS-i 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.
Aparatuuri ehitus.
LEIS-süsteemi ülesehitus ja komponendid:
Ioonide ja pinna vastastikuse toime füüsika.
Ioonkiirega üle prooviobjekti skaneerimisel leiab aset mitmeid sündmusi, 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.
Elemendiline koostis ja kahe keha kokkupõrke mudel.
Ioonhajumusmeetodites käsitletakse osakese ja pinna interaktsiooni klassikalise kahe keha absoluutselt elastse põrke mudeli järgi. Termiliste vibratsioonide, foononite ostsillatsioonide ja aatomitevaheliste sidemete mõjusid ei arvestata, kuna ioonide hajumise eksperimentides kasutatavad energiavahemikud on tunduvalt suuremad (mõne eV suurusjärgus vs eksperimendi energiavahemik &gt; 500 eV). Pinna elemendilist koostist saab määrata elastselt hajunud ioonide energiate mõõtmisel järgneval viisil:
Absoluutselt elastsete kehade põrge lähtub energia ja impulsi jäävuse põhimõttest. Kui osake massiga mx, kiirusega v0, ja energiaga formula_1 põrkab kokku teise paigalseisva osakesega, massiga my, siis nende osakeste energiad pärast kokkupõrget on vastavalt formula_2 esimesel osakesel ja formula_3 teisel osakesel. 
Koguenergia enne ja pärast põrget on sama väärtusega, seega formula_4 ehk formula_5. 
Kui on teada seos formula_6, siis trigonomeetria abil on võimalik leida kummagi osakese energiad:
ja
Kindlate parameetritega eksperimentides on primaarsete ioonide energia ja mass (vastavalt E0 ja mx) ning hajumise ja tagasipeegeldumise geomeetria teadaolevad suurused, seega E1 või E2 ja my vastastikusest sõltuvusest on võimalik määrata pinna elemendilist koostist. Kõrgemad energia hajumismaksimumid spektris vastavad raskematele aatomitele ja madalamad maksimumid vastavad kergematele aatomitele.
Kvantitatiivse väärtuse saamine.
Kui kvalitatiivse informatsiooni saamine uuritava pinna elemendilise koostise kohta on võrdlemisi lihtne, siis kvantitatiivse informatsiooni saamiseks on vaja aru saada ioonide ja pinna-aatomite interaktsiooni statistilisest ristlõikepindalast. Kvantitatiivseid tulemusi ei saa vaadelda absoluutselt elastse põrke mudeli järgi, kuna see ei arvesta tekkivaid Coulombi tõukejõude ega elektronide tekitatud laengu ekraniseerimisest tingitud efekte. MEIS- ja RBS-eksperimentides esineb sellist probleemi harvem kui LEIS-analüüsis. Coulombi tõukejõud tekivad positiivselt laetud primaarsete ioonide ja pinna-aatomite tuumade vahel. Interaktsioonipotentsiaal on kirjeldatud valemiga:
Kus formula_7 ja formula_8 on vastavalt primaarse iooni ja pinna-aatomi aatomnumbrid, formula_9 on elementaarlaeng, formula_10 on aatomitevaheline kaugus ja formula_11 on ekraniseerimise funktsioon. formula_11 arvestab kummagi tuuma ümber tiirlevate elektronide interferentsiga. MEIS- ja RBS-analüüsides kasutatakse seda potentsiaali Rutherfordi hajumise ristlõikepindala arvutamiseks formula_13:
formula_14 tähistab pealelangeva osakese mingit lõplikku piirkonda, formula_15 tähistab hajumisele järgnevat pidevat hajumisnurka. LEIS-is kasutusel olevate väärisgaaside ioonkiirte korral on suur tõenäosus, et ioonid neutraliseeruvad kokkupuutel uuritava pinnaga (nähtusel on tugev nurksõltuvus), kuna ioonid eelistavad olla neutraalses seisundis, kus väliskiht on elektronidega täielikult täidetud. See omakorda põhjustab nõrka sekundaarelektronide voolu. Probleemi vältimise võimalust käsitlevad AISS- ja TOF-SARS-meetodid allpool.
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: formula_16 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 formula_17, selline teekond on neile blokeeritud ja seega on varjestavast koonusest saanud nüüd blokeeriv koonus. Efekti tõttu on voolutihedus suurendatud kriitilise nurga formula_17 juures.
Nii varjestamise kui ka blokeerimise nähtuste korral on osakeste trajektooridel võimalik siseneda „keelatud“ piirkondadesse, kui pealelangevate ioonide massid on suuremad kui pinna-aatomite 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. LEIS-i 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 suurem 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 formula_19. 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.
Tehnika variatsioonid.
Sõltuvalt konkreetsest eksperimentaalsest ülesehitusest võib LEIS-i kasutada proovi kohta väga erineva informatsiooni saamiseks. Kasutatakse näiteks järgmisi meetodeid:
LEIS-rakendused.
LEIS ja TOF-SIMS on teineteist täiendavad uurimismeetodid, mille kombineerimisel on võimalik väga täpselt uurida üliõhukeste materjalikihtide struktuurilist ehitust, osakestevahelisi kaugusi, elemendilist koostist ja eri elementide paiknemist materjalis. Üliõhukeste 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 ("Low-energy ion scattering").