سیستم‌های خلاء پمپ شده تفاضلی برای تصویربرداری طیف‌سنجی

تصویربرداری طیف سنجی برای چندین دهه برای ترسیم ترکیب شیمیایی سطوح مواد با وضوح در مقیاس اتمی استفاده شده است. به منظور دستیابی به ویژگی شیمیایی و وضوح فضایی کافی در طول تصویربرداری، هم نمونه ماده و هم سیستم تصویربرداری تحت خلاء زیاد یا فوق العاده بالا (UHV) قرار می گیرند. در عمل، مواد اغلب در خارج از محیط های خلاء استفاده می شوند و بنابراین ارزیابی خواص سطحی آنها در فشار بالاتر یا محیطی نیز ضروری است. پمپاژ دیفرانسیل کلید طراحی سیستم های خلاء برای تصویربرداری طیف سنجی است که در آن نمونه را می توان در فشار بالاتر نگه داشت در حالی که طیف سنج در فشارهای کمتر (یا خلاء بالا) مورد نیاز برای دستیابی به کیفیت تصویر خوب کار می کند.

طیف سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس با فشار محیط

طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) یک نمونه بارز از تکنیک تصویربرداری است که به طور گسترده در تحقیق و توسعه برای توصیف خواص شیمیایی و الکترونیکی در سطح یک ماده استفاده شده است. در XPS، پرتوهای ایکس در 10 نانومتر اول نمونه ماده برهمکنش می‌کنند تا از طریق اثر فوتوالکتریک، الکترون‌ها را از اوربیتال‌های اتمی خود خارج کنند . همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، الکترون ها به سمت یک تحلیلگر انرژی و آشکارساز در سیستم XPS متمرکز شده اند.
نموداری که اصل عملکرد کلی در پشت XPS را نشان می دهد
شکل 1. اصل عملکرد کلی در پشت XPS. منبع تصویر: Bvcrist .

انرژی اتصال هر الکترون شناسایی شده تعیین می شود و سپس برای ایجاد یک نمودار مشخصه که مربوط به یک عنصر شیمیایی خاص است، ثبت می شود که به وضوح در شکل 2 نشان داده شده است.

نمودار تعداد الکترون های با انرژی اتصال معین
شکل 2. نمودار مشخصه تعداد الکترون های با انرژی اتصال معین را نشان می دهد و برای شناسایی یک عنصر شیمیایی خاص استفاده می شود. منبع تصویر: Bvcrist .

یک اشکال XPS این است که نیاز دارد که نمونه و سیستم در خلاء بالا یا UHV نگهداری شوند. XPS فشار محیط (APXPS) در ابتدا در اوایل دهه 1970 در دانشگاه اوپسالا توسعه یافت تا ارزیابی سطوح مواد را در فشار بالاتر در حالی که اجزای سیستم XPS در خلاء بالا باقی می‌مانند امکان‌پذیر سازد. از آن زمان، و به ویژه در ده سال گذشته، این فناوری با افزایش پنج برابری تعداد انتشارات و نصب ابزار، رشد فوق العاده ای را تجربه کرده است.

تا حد زیادی، APXPS با طراحی سیستم‌های خلاء پمپاژ متفاوت چند مرحله‌ای فعال شد که به آشکارساز اجازه می‌دهد تا در UHV به کار خود ادامه دهد در حالی که خود نمونه می‌تواند در معرض فشارهای بالاتری قرار گیرد. پمپاژ دیفرانسیل از طریق دیافراگم های کوچک در ترکیب با فوکوس الکترواستاتیکی با موفقیت در بسیاری از طراحی های مدرن استفاده شده است، یک مثال در شکل 3 نشان داده شده است.

مکانیزم اساسی برای پیاده سازی APXPS با استفاده از پمپاژ دیفرانسیل و فوکوس الکترواستاتیک که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد
شکل 3. یک طرح رایج برای اجرای APXPS با استفاده از پمپاژ تفاضلی و تمرکز الکترواستاتیک. شکل
در مقیاس ترسیم نشده است.

سیستم‌های تجاری APXPS در ده سال گذشته در دسترس قرار گرفته‌اند و از طیف وسیعی از روش‌ها از جمله طرح اولیه نشان داده شده در بالا استفاده می‌کنند.

شبیه سازی جریان مولکولی پمپاژ دیفرانسیل

هنگام طراحی سیستم‌های پیچیده، مانند سیستم‌هایی برای APXPS که نیاز به پمپاژ متفاوت خلاء و تمرکز الکترون الکترواستاتیکی دارند، به طور کلی روش خوبی است که ابتدا سیستم را مدل‌سازی کنید. نتایج شبیه سازی می تواند به عنوان یک راهنما در تصمیم گیری های طراحی مراحل اولیه و در سراسر فرآیند بهینه سازی سیستم باشد.

مدلی از جریان مولکولی در یک سیستم خلاء پمپ شده متفاوت در حال حاضر در گالری مدل COMSOL موجود است. امکان توسعه این مدل برای ایجاد مدل‌های پیچیده‌تر سیستم خلاء برای کاربرد خود وجود دارد. در مدل، دو محفظه خلاء توسط یک لوله کوچک به هم متصل شده اند. محفظه a در فشار حالت پایدار بالاتر نسبت به محفظه b نگه داشته می شود . محفظه b مستقیماً به پمپ خلاء متصل می شود. شماتیکی که مفهوم و هندسه مدل واقعی را در محیط COMSOL نشان می دهد، به ترتیب در شکل 4 و 5 نشان داده شده است.

نمودار مفهوم پشت پمپاژ دیفرانسیل را نشان می دهد

شکل 4. شماتیک مفهوم پمپاژ دیفرانسیل را نشان می دهد.

هندسه مدل COMSOL یک سیستم خلاء پمپ شده متفاوت

شکل 5. مدل هندسه یک سیستم خلاء پمپ شده متفاوت در COMSOL. این مدل در گالری مدل موجود است .

هندسه مدل COMSOL شامل کل محفظه خلاء بالا، لوله اتصال و پورت به یک پمپ خلاء است. شرایط مرزی به گونه ای اعمال می شود که مدل سازی محفظه فشار قوی (محفظه a ) ضروری نیست.

مدل با استفاده از دو روش مختلف تنظیم و حل می شود. در روش اول، روش 1، یک شرط مرزی دیواره خروجی به خروجی لوله در سمت محفظه خلاء بالا اعمال می شود. لوله در این مورد در مدل گنجانده نشده است. شرایط مرزی جریان خروجی از لوله از محفظه خلاء کم را نشان می دهد. نرخ جریان جرمی در لوله از یک عبارت تحلیلی که توسط گالیس و همکاران توسعه داده شده است، تعیین می شود. که جریان همدما را فرض می کند.

در روش دوم برای حل مدل، رابط جریان مولکولی آزاد در ماژول جریان مولکولی، محصولی افزوده به COMSOL Multiphysics، برای حل نرخ جریان جرمی و فشار ورودی/خروجی لوله استفاده می‌شود. برای این مورد، لوله در هنگام حل مدل گنجانده شده است. در انتهای فشار بالای لوله، از شرایط مرزی مخزن برای تنظیم فشار حالت پایدار استفاده می شود. در هر دو روش، پمپ خلاء با سرعت ثابت کار می کند. نتایج با نتایج به دست آمده از بیان تحلیلی مورد استفاده در روش اول مقایسه شده است.

مقایسه روش‌های شبیه‌سازی جریان مولکولی

شار مولکولی فرودی روی سطح محفظه خلاء بالا رسم می شود که در آن فشار در محفظه خلاء کم 0.1 mTorr است. در شکل 6، جریان از طریق لوله با استفاده از عبارات Gallis و همکاران مدلسازی شد. در حالی که در شکل 7، جریان با استفاده از رابط جریان مولکولی آزاد و شرایط مرزی مخزن مدل سازی شده است.

شار مولکولی فرودی با استفاده از بیان تحلیلی تعیین شد

شکل 6. شار مولکولی رخدادی با استفاده از
بیان تحلیلی در روش 1 تعیین شد.

رابط جریان مولکولی آزاد برای تعیین شار مولکولی فرودی تعیین شده با روش 2 استفاده می شود

شکل 7. شار مولکولی رخدادی با استفاده از رابط جریان مولکولی آزاد در روش 2 تعیین شد.

توزیع شار مولکولی روی سطح در جایی که اثرات پرتوهای مولکولی قابل توجهی در شکل 7 روی دیواره در مقابل خروجی لوله مشاهده می شود متفاوت است. در استفاده از یک عبارت تحلیلی برای به دست آوردن نتایج در شکل 6، انتشار منتشر در خروجی در نظر گرفته شد در حالی که در عمل پرتوهای مولکولی رخ خواهد داد.

اگرچه می‌توان تفاوت‌های بین دو رویکرد را با استفاده از COMSOL حل کرد، اما مشخص شد که استفاده از عبارت در روش اول یک رویکرد نسبتاً دقیق است که برای طیف کامل اعداد نادسن و رژیم‌های جریان اعمال می‌شود. در رژیم جریان مولکولی که پرتوهای مولکولی بیشتر مشخص است، نرخ جریان جرمی به محفظه خلاء بالا با استفاده از روش‌های 1 و 2 به ترتیب 1.63×10-11 ^{کیلوگرم} بر ثانیه و 1.65×10-11 ^{کیلوگرم} بر ثانیه محاسبه شد. چگالی عدد در امتداد داخل لوله نیز با استفاده از هر دو روش تعیین شد و در شکل 8 مقایسه شده است.

نمودار چگالی اعداد
شکل 8. چگالی شماره در امتداد داخل لوله تعیین شد. نقاط داده گسسته سیاه و قرمز
با استفاده از روش 1 به صورت تحلیلی تعیین شد. خط آبی با استفاده از روش 2 تعیین شد.

نقاط داده منفرد که به صورت تحلیلی در ورودی و خروجی لوله تعیین می‌شوند، تطابق بسیار خوبی با نمودار خطی به‌دست‌آمده با استفاده از روش 2 نشان می‌دهند. بنابراین، رویکرد تحلیلی مورد استفاده در روش اول می‌تواند به طور قابل اعتمادی برای کاهش پیچیدگی محاسباتی و زمان حل در هنگام مدل‌سازی سیستم‌های خلاء پمپ شده متفاوت مورد استفاده قرار گیرد. در COMSOL.