Ответы по Методам Исследования. 1. двухзондовый метод

• Название: 1. двухзондовый метод
• Анкор: Ответы по Методам Исследования.docx
• Дата: 06.03.2018
• Размер: 4.56 Mb.
• Имя файла: Ответы по Методам Исследования.docx
• Тип: Документы; #16303
• страница: 5 из 6

30. Для регистрации спектра могут использоваться полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счётчики, либо детекторы на базе ПЗС линейки или ПЗС матрицы. Спектрометры могут различаться по спектральному диапазону, спектральной чувствительности, оптической схеме. При интерпретации спектров в большинстве случаев производится сравнение полученного спектра со спектром вещества известного состава. Ранние спектроскопы представляли собой простые призмы с градуировкой, обозначающей длины волн света, в современных приборах также используется дифракционная решётка.

Анализаторы задерживающего поля

Наиболее простое устройство имеют анализаторы первого класса. Начнем с самого простого случая - одномерного, и выясним, как можно измерить распределение электронов по энергиям. Пусть имеем плоский конденсатор, в котором одной из обкладок является эмитирующая поверхность - катод. Энергетическая схема для такой системы приведена на рис.2.11.1. в случае, когда у поверхности катода имеется тормозящее электроны поле. Из нее следует, что анода достигнут только те электроны, нормальная компонента энергии E_z которых достаточна для преодоления максимума потенциального барьера, т.е. E_z>еV_ист. Величина составляющей скорости электронов вдоль поверхности при этом не имеет значения. Чтобы определить распределение электронов в потоке по энергиям N(E_z)=zzdEdν нужно установить, сколько электронов имеют энергию в интервале от E_z до E_z+dE_z. Для этого достаточно измерить изменение эмиссионного тока при изменении высоты потенциального барьера на величину eΔV.



Рисунок Рис.2.11.1. При изменении напряжения между электродами

на величину ΔV эмиссионный ток изменяется на Δj за счет электронов

имеющих энергию в этом интервале энергий eΔV.

при малой величине амплитуды модулирующего напряжения, что позволяет пренебречь вторым и последующими слагаемыми, измерение переменного сигнала на основной частоте позволяет получить производную тока по напряжению, которая пропорциональна числу электронов, обладающих энергией, задаваемой величиной V₀. Измерение при удвоенной частоте дает величину dN(E)/dE, интегрирование которой также позволяет получить распределение частиц по энергии. Этот прием оказывается крайне полезным и широко используется в тех случаях, когда интересующая группа электронов располагается на пьедестале из большого по величине, но слабо изменяющегося с энергией фонового сигнала. Дифференцирование устраняет медленно изменяющийся фоновый ток и позволяет использовать более высокие коэффициенты усиления регистрирующей аппаратуры.

Переменный сигнал регистрируется узкополосным усилителем. Оптимальным для этих целей является синхронный детектор, полоса пропускания которого может быть доведена до тысячной Гц, что улучшает соотношение сигнал/шум. В случае плоских электродов может быть исследовано распределение только по одной составляющей энергии, соответствующей нормальной к поверхности компоненте скорости. Величина компоненты скорости вдоль поверхности не влияет на вероятность перехода электрона от катода к аноду.

В настоящее время разработана аппаратура, позволяющая исследовать распределение по полным энергиям. Анализ по отдельным составляющим уже не соответствует современному экспериментальному уровню.

Вопрос 31. Электронная оже-спектроскопия (ЭОС). Механизм эмиссии оже-электронов. Глубина выхода оже-электронов.

Оже-эффект(открыт Пьером Оже в 1925г) заключается в следующем: На рисунке показан фрагмент электронной структуры атома, в состав которого входят 3 электронных уровня, частично или полностью занятые электронами. При обстреливании ускоренными электронами е, энергия которых выше потенциала ионизации K уровня, то существует вероятность ионизации этого уровня, в результате образуется вакансия(белый кружок). После чего вакансия заполняется при переходе электрона с L1, в ходе которого выделяется энергия, равная разности энергий связи электрона на уровнях. В дальнейшем процесс может идти двумя путями: либо будет испущен рентгеновский фотон, либо эта энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, находящемуся, например, на уровне L2 . Если этой энергии будет достаточно, то произойдет ионизация уровня L2 , в результате чего будет испущен электрон (стрелка 2 на рис. 1). Реализация второй возможности и есть собственно оже-процесс, а эмитируемый электрон называют оже-электроном.

Если обозначить оже-процесс обычным образом через последовательность уровней, принимающих в нем участие, КL1L2 , то в первом приближении энергия оже-электронов Е(КL1L2) определяется формулой Е(КL1L2) = E(K) – E(L1) – E(L2), где Е(K), E(L1) и E(L2) – энергии связи электронов на уровнях К, L1 , L2.

Глубина выхода оже-электронов

Главным преимуществом ОЭС по сравнению со многими другими методами является очень малая глубина анализа, что делает эту методику пригодной для исследования поверхности. В свою очередь, глубина анализа определяется длиной свободного пробега электронов в твердом теле в смысле неупругих взаимодействий. Понятно, почему это так. Если зародившийся в твердом теле оже-электрон при движении к поверхности испытает хоть одно неупругое взаимодействие (например, совершит ионизацию атома), то он потеряет часть энергии и не будет зарегистрирован в интересующем нас месте энергетического спектра вторичных электронов, который формируется при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. То есть оже-электроны, рожденные на глубине большей, чем длина свободного пробега, не будут нести информацию о нахождении атомов данного сорта. Длина свободного пробега в сильной степени зависит от скорости движения, а следовательно, и от энергии электронов. Обычно исследуются оже-электроны с энергиями от нескольких десятков электронвольт до нескольких килоэлектронвольт. Во всех материалах длина свободного пробега (а следовательно, и глубина анализа) таких электронов не превышает 2-3 нм, то есть величины, сопоставимой с периодом кристаллической решетки твердого тела. При этом львиная доля информации поступает с глубины 0,5-1,0 нм, что и делает ОЭС уникальным методом исследования поверхности.

Вопрос 32. Экспериментальная техника для ЭОС. Количественный анализ. Применение оже-спектроскопии.

Проведение оже-анализа требует высокого вакуума. Цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА) содержит внутреннюю электронную пушку, пучок которой сфокусирован в точку на образце в области фокуса ЦЗА. Электроны, испущенные из образца, проходят через входную апертуру, отклоняются, а затем через выходную апертуру ЦЗА направляются к электронному умножителю. Пропускаемая энергия Eпропорциональна потенциалу, приложенному к внешнему цилиндру, а диапазонΔЕпрошедших электронов определяется разрешением R = ΔЕ/Е (R = 0.2-0.5%).

Оже-электронные переходы обычно проявляются как небольшие особенности, наложенные на большой фон вторичных электронов. Поэтому обычно используется диффиринцирующая техника и получение dN(E)/dE. Выход оже-электронов YAдля свободного атома определяется произведением сечения ионизации электронныым ударом и веротяности испускания оже-электрона YA σe (1 – ωX)

На выход влияют первичные электроны, которые проникают в поверхностый слов и испытывают обратно рассеяние, если их энергия превышает энергию связи, углы падения и испускания. Вероятность выхода из шероховатой поверхности меньше, чем из гладкой. Оже-электронная спектроскопия является поверхностно-чувствительной методикой.

32.



Применение.





Одним из преимуществ оже-электронной спектроскопии является её чувствительность к примесям с малой массой атом, таким как углерод или кислород, которые обычно загрязняют поверхность и границы раздела, что играет разрушающую роль в реакциях в тонких пленках, замедляя взаимнуюдиффузию.

Оже-спектроскопия с послойным распылением применяется при анализе многослойных пленок. Она способна давать полуколичественный профиль распределения в многослойной пленки элементов, соседствующих впериодической таблице.


Вопрос 33. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС-XPS). Физические основы метода.

При облучении поверхности вещества фотонами могут протекать различные процессы, в том числе образование фотоэлектронов, рассеяние фотонов, фотодесорбция атомов и молекул с поверхности (рис. 1.1).



Рис.1.1. Процессы на поверхности при облучении ее фотонами

Суть метода РФС состоит в получении фотоэлектронных спектров, т.е.измерении кинетической энергии внутреннего или валентного электрона, выбитого квантом известной энергии электромагнитного излучения.

Физические принципы метода основаны на явлении фотоэффекта. В спектрометре монохроматический пучок рентгеновских лучей с энергией фотонов падает на исследуемое вещество, атомы которого поглощают фотоны. Связанный электрон переходит в свободное состояние и вылетает за пределы образца с энергией, которая в идеальном случае должна удовлетворять уравнению (1.1).

(1.1)

Однако на практике при работе с твердыми образцами необходимо еще учитывать работу выхода спектрометра, поэтому уравнение (1.2) примет вид

(1.2)

Электроны возбуждаются со всех уровней атома, на которых . Зная величину и , которую измеряют с помощью электронного спектрометра, можно определить энергию связи электрона на том или ином уровне атома. Для каждого элемента периодической системы Менделеева характерно свое строение атома, поэтому по спектрам фотоэлектронов можно провести соответствующую классификацию. Энергетическая диаграмма РФС при выбивании электрона с К-оболочки атома представлена на рис. 1.2.



Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма РФС Рис. 1.3. Зависимость средней длины свободного пробега электронов от их кинетической энергии

Глубина выхода выбитых электронов из образца определяется длиной свободного пробега электрона относительно неупругих столкновений и составляет – 1 - 10 нм (рис. 1.3). Источником излучения в спектрометре является рентгеновская трубка, которая генерирует рентгеновское излучение, состоящее из тормозного и характеризующего излучений (рис. 1.4). Идеальный рентгеновский источник для РФС должен давать монохроматическое излучение с энергией, достаточной для ионизации внутренних электронов всех химических элементов периодической системы. Монохроматичность необходима, поскольку ширина линии рентгеновского излучения, падающего на образец, влияет на ширину фотоэлектронной линии, от которой зависит разрешающая способность спектрометра.



Рис. 1.4Спектральное распределение интенсивности излучения рентгеновской трубки (алюминиевый или магниевый анод при 10 кВ)

Вопрос 34. Источники фотонов. Требования к энергетическому разрешению. Энергоанализаторы электронов.

В РФС обычно применяют - рентгеновское излучение Al или Mg. Оно дает самые узкие линии. В табл. 1.1 приведены данные по некоторым источникам, используемым в РФС. Для поглощения тормозного излучения рентгеновские лучи направляют на образец через алюминиевый или магниевый экран. Применяют также монохромацию излучения. Дополнительнаямонохромация излучения позволяет уменьшить полуширину линии до 0,2 эВ.

Таблица 1.1

Рентгеновские источники РФС

Рентгеновские лучи	Энергия, эВ	Ширина линии, эВ
	8048	2,5
	4511	1,4
	1487	0,9
	1254	0,8

Исследуемые образцы могут находиться в твердом или жидком состоянии (жидкость требует особой методики измерений). Образец должен быть установлен достаточно близко к оптической системе анализатора, чтобы испущенные электроны попадали в анализатор с большой эффективностью. Вещество образцов не должно разлагаться в вакууме и под действием рентгеновского излучения. При исследовании адсорбированных процессов требования по вакууму достаточно высокие, до 10-8 Па.

Для выделения и фокусировки фотоэлектронов определенной энергии используются магнитные или электростатические энергоанализаторы. С целью уменьшения рассеяния электронов на молекулах остаточных газов в анализаторе требуется поддерживать вакуум не хуже 10-3 Па. Необходима также компенсация рассеянных магнитных полей применяют катушки Гельмгольца или магнитные экраны.

Энергоанализаторы подразделяются на два типа: с задерживающим потенциалом (с тормозящей сеткой) и дисперсионные. В спектрометре с тормозящей сеткой анализ кинетической энергии электрона проводится методом задерживающего потенциала, согласно которому электроны до их регистрации проходят через тормозящее поле. В случае дисперсионных анализаторов электроны могут быть диспергированы или сепарированы по энергиям в магнитном или электростатическом поле. Большинство современных спектрометров являются дисперсионными приборами с электростатическим полем. В них используются анализаторы различной геометрии: отклоняющий сферический секторный конденсатор, отклоняющее цилиндрическое зеркало и бездисперсионный энергетический фильтр. Схематическое изображение анализаторов первых двух типов представлены на рис. 1.5 и 1.6.



Рис. 1.5. Схема секторного сферического анализатора

С помощью ЭСХА (РФС) по спектру фотоэлектронов можно проводить качественный и количественный анализ состава поверхности. Спектр фотоэлектронов представляет собой зависимость числа фотоэлектронов, попадающих в детектор, от величины их кинетической энергии. По кинетической энергии, учитывая поправку на работу выхода спектрометра, находят энергию связи. Окончательный анализ химического состава образца проводится по спектру интенсивности фотоэлектронов от энергии связи. На рис. 6. 5 в качестве примера представлен спектр золотой фольги, на которой адсорбировано некоторое количество ртути. С помощью ЭСХА – спектрометра можно определить менее, чем 0,1 % монослояHg на поверхности Au.