Диссертация (Морфология и электрофизические свойства фоточувствительных слоев на основе PbS), страница 9

сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)2. атомно-силовая микроскопия (АСМ), включая:542.a. контактный режим2.b. неконтактный режим2.c. полуконтактный режим.2.3.3.Электронно-ионный микроскоп Helios NanoLab 600Методикаисследованийобразцов посредством ПЭМ налагаетдостаточно жесткие ограничения по качеству приготовления образцов. Вопервых, они должны быть достаточно тонкими (около 100 нм), чтобыявляться прозрачными для электронов, во-вторых, поверхность образцадолжна иметь минимум органических загрязнений и аморфизованного слоя.В связи с данными требованиями, была выбрана методика приготовленияобразцов для ПЭМ посредством фокусированного ионного пучка (ФИП)растрового электронно-инонного микроскопа (РЭИМ) Helios NanoLab 600(FEI, США) (рисунок 2.13).Рисунок 2.13 – Внешний вид прибора Helios NanoLab 600i (FEI, США)Системы с фокусированным ионным пучком (ФИП) по своему принципуработы напоминают сканирующий электронный микроскоп, с той разницей,что в ФИП в качестве зонда используется сильно сфокусированный пучокионов.

ФИП позволяет не только получать изображение поверхности55образца, но и модифицировать его поверхность, получать поперечноесечение образца.В установке Helios NanoLab 600 электронный пучок используется дляполучения изображения в режимах детектирования вторичных или обратнорассеянныхэлектронов,дляэнергодисперсионногорентгеновскогомикроанализа (ЭДРМА) и для напыления пленок на поверхность образца.Установкаоснащенасистемойэнергетическогодисперсионногорентгеновского микроанализа (ЭДРМА) (EDAX, США) с ультратонкимокном. Программное обеспечение, работающее в среде Microsoft Windows,позволяет осуществлять качественный и количественный микроанализ отбора до урана без применения эталонов.Фокусированныйионныйпучок(ФИП),систочникомGa +,используется: для исследования образца.

При этом контраст изображения врежиме генерации вторичных электронов ионами существенновыше, чем при использовании первичного пучка электронов; для травления образца с целью создания микро- (нано-) структур,в том числе тонких мембран для исследований методами ПЭМ ипросвечивающей растровой ЭМ (ПРЭМ); для напыления пленок.Ускоряющее напряжение электронного пучка 0,5-30 кэВ, ионного –2-30 кэВ. Ток электронного пучка – до 28 нА, ионного – до 21 нА.Прибор оборудован 4 системами газовой инжекции на основе нафталина(для напыления углерода), а также для напыления Pt и W.На рисунке 2.14 представлено более детальное описание колоннымикроскопа.Предел разрешения, полученный на нанотехнологическом комплексеNova 600 NanoLab, составляет 7 нм для графитового образца.56Рисунок 2.14 – Описание колонны микроскопа:а) система энергодисперсионного рентгеновского структурного микроанализаматериалов; б) газовая инжекционная система осаждения платины (Pt); в) ионная колоннаMagnum с галлиевым жидкометаллическим источником ионов; г) газовая инжекционнаясистема селективного травления диэлектриков (Delineation Etch); д) газовая инжекционнаясистема селективного травления токопроводящих материалов; е) вакуумная камера; ж)блок управления предметным столиком камерыПосле изготовления с помощью ФИП тонких мембран их перенос впросвечивающий электронный микроскоп для проведения исследованийосуществлялся с помощью микроманипулятора Omniprobe (Omniprobe,США) и вольфрамовой иглы, к острию которой образец привариваетсянапылением углерода, вольфрама или платины.

После переноса образцаобласть сварки разрезается с помощью ФИП. Точность позиционированияиглы по трем осям составляет 1 нм.2.3.4. Растровый электронный микроскоп VEGA II SBUРастровый электронный микроскоп VEGA II SBU фирмы Tescan(рисунок 2.15) имеет следующие характеристики:57Рисунок 2.15 – Растровыйэлектронный микроскоп VEGA II SBU Вольфрамовый катод с термоэмиссией. Разрешение в режиме высокого вакуума (SE): 3,0 нм при 30 кВ. Непрерывное изменение увеличения от 4x до 1000000x. Ускоряющее напряжение от 200 В до 30 кВ с шагом 10 В. Ток пучка электронов от 1 пА до 2 мкА. Диаметр камеры 160 мм. Механическая подвеска. Высота образца не более 33 мм.2.3.5. Просвечивающие электронные микроскопы Tecnai G2 20TWIN и S/TEM Titan 80-300 (FEI, США)Tecnai G2 20 TWIN (рисунок 2.16) – просвечивающий электронныймикроскоп высокого разрешения с укоряющим напряжением от 20 до 200 кВ,с термоэмиссионным катодом из гексаборида лантана La2B6.

Микроскоппредназначен для проведения структурных исследований объектов и иххимического состава.58Рисунок 2.16 – Внешний вид просвечивающего электронного микроскопа Tecnai G220Вакуумная система микроскопа включает ротационный форвакуумный,паромасляный и два гетероионных насоса, обеспечивающих ультравысокийвакуум в пушке и электронно-оптической колонне микроскопа (давление 10–7– 10–9Па). Объективная линза типа TWIN обеспечивает разрешение поточкам 0,27 нм, разрешение по линиям 0,144 нм.

Диапазон увеличениймикроскопа от 25 до 700 000 крат.В комплект микроскопа также входят блок сканирования пучка (STEMприставка) и две аналитические приставки (детектор EDX и HAADF детектор59–темнопольныйкольцевойдетектордлярегистрацииэлектронов,рассеянных на большие углы).Просвечивающий-растровый электронный микроскоп TITAN 80-300(FEI, США) (рисунок 2.17) обладает электронной пушкой с полевойэмиссией и ускоряющим напряжением 80-300 кВ, которая позволяет достичьразрешения в режиме параллельного освещения широким пучком уровня в0,1нм, а в растровом-просвечивающем режиме 0,07 нм. Прибор обладаеттеми же дополнительными приставками, что и Tecnai.ОбаэлектронныхрентгеновскиммикроскопаспектрометромснабженыEDAXэнергодисперсионнымпредназначеннымдляанализаэлементов от бора до урана с разрешением по энергии  138 эВ.

Типдетектора – Si (Li) с ультратонким окном. Анализатор обеспечиваетэлементный анализ в точке, распределение элементов вдоль линии, а такжепостроение двумерных карт распределения элементов в автоматическомрежиме управления системами микроскопа.Использованиерентгеновскогоспектрометравпросвечивающемэлектронном микроскопе позволяет изучать чрезвычайно малые областиобразцов, в которых электронный пучок может размываться лишьнезначительно.При EDАX анализе в ПЭМ TecnaiG2 20 детектор располагают близко кобразцу, и рентгеновские лучи могут собираться от всего образца, а нетолько в исследуемой области, освещенной сфокусированным пучком.60Рисунок 2.17 – Внешний вид прибора S/TEM Titan 80-300 (FEI, США)2.4.Рентгенофотоэлектронная и Оже спектроскопияфоточувствительных слоевРазличные методы спектроскопии электромагнитных излучений испектроскопии заряженных частиц могут использоваться для диагностикисостава (анализа) поверхности и приповерхностных слоев твердых тел.61Информация о химическом состоянии образующих твердое тело атомов(в первую очередь это степень окисления) часто оказывается необходимойдля понимания причин проявления тех или иных свойств материала.Эффективная степень окисления атома может быть определена на основанииданных об энергиях его внешних электронных уровней.

Наиболеераспространенными и универсальными методами исследования которыхявляются:рентгенофотоэлектроннаяспектроскопия(РФЭС)иОже-электронная спектроскопия. Приборы работают при сверхвысоком вакууме(10-7 –10-8 Па). Химический анализ состава поверхности фоточувствительныхслоев проводился на установке LHS-10 фирмы «Leybold-Heraeus», Германия(рисунок 2.18).абРисунок 2.18 – Внешний вид установки LHS-10 фирмы «Leybold-Heraeus» (а) исистема исследовательской камеры (б)62В данном методе пучок электронов (электронный зонд) взаимодействуетс приповерхностным участком образца глубиной менее нескольких микрон.В результате взаимодействия появляются многочисленные сигналы, которыеможно обнаружить с помощью разнообразных детекторов для полученияинформации об образце.К числу этих сигналов относится эмиссия вторичных электронов низкойэнергии,генерациятормозногоОже-электронов,рентгеновскогоэмиссияизлучения,характеристическогоэмиссияобратноирассеянных(отраженных) электронов, катодолюминесценция и др.

На рисунке 2.19схематическипредставленыпроцессывзаимодействияэлектроновсисследуемым веществом.Рисунок 2.19 – Схематическое представление процессов взаимодействия электроновв электронно-зондовых системахЭлектрон высокой энергии, взаимодействуя с атомом, выбивает один изэлектроноввнутреннейоболочки.Врезультатеатомпереходитвионизированное, или возбужденное состояние, с вакансией («дыркой») воболочке. Минимальная энергия, необходимая для выбивания электрона сопределенного уровня известна под названием «энергия края поглощениярентгеновского излучения». Таким образом, для того чтобы произошел такойпереход в возбужденное состояние, энергия падающего электрона должна63быть больше либо равна критической энергии. Критическая энергия имеетвеличину строго определенную для любого конкретного уровня электроннойоболочки атома – K, L, M, N.

Соответственно, и края поглощения называютсяK, L или M. Переход в нормальное состояние происходит, когда один изэлектронов внешней оболочки заполняет данную вакансию. Величинаизменения энергии определяется уникальной для каждого химическогоэлемента электронной структурой атома. На рисунке 2.20 изображена схемавозникновения К, L и М – характеристического рентгеновского излучения.Рисунок 2.20 – Схема возникновения К, L и М – характеристическогорентгеновского излученияТак как каждый атом имеет определенное конечное число уровней,междукоторымивозможныпереходытолькоопределенноготипа,возбуждаемое рентгеновское излучение дает дискретный линейчатый спектр,характеризующий конкретный возбужденный элемент.Объемзонывзаимодействияпучкаэлектроновсобразцомнепосредственно определяет пространственное разрешение и глубину, накоторой можно выполнить анализ.