Диссертация (Создание высокоточных методов анализа твердых тел на основе расшифровки данных электронной спектроскопии методами инвариантного погружения), страница 2

Выполнена модификация решения уравнения переноса в малоугловом приближении. Получены аналитические решения для неупруго рассеянных электронов, а также слоев конечной толщины.64. Впервые указано на два основных физических эффекта, связанных с процессом упругого рассеяния электронов в задачах с внутренними источниками: эффект поворота «телаяркости» и влияние подстилающей поверхности.5. Описание энергетических спектров рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии дляобразоц Si, Al, Mg и Nb, выполненное с использованием сечений, восстановленных из эспектров характеристических потерь энергии, дает удовлетворительное согласие с экспериментальными данными без привлечения дополнительных механизмов потерь энергии,отсутствующих в спектрах характеристических потерь энергии.Практическая значимость диссертационной работыСозданы методики расчета, позволяющие выполнять решение прямых задач электроннойспектроскопии, обладающие необходимой производительностью и точностью для использованияпри решении обратных задач.

Модифицированы решения, полученные на основе малоугловогоприближения, погрешность метода для описания энергетических спектров отраженных электронов снижена до 10 ÷ 25%.Разработан метод точного численного расчета энергетических и угловых распределенийэлектроной и фотоэлектронной спектроскопии для слоев нонечной толщины. Задача описанияслоя является базовой для количественного и качественного анализа многослойных структур.Предложенный метод восстановления дифференциальных сечений неупругого рассеянияэлектронов позволяет получать данные, которые могут быть использованы для описания независимых экспериментальных данных, что позволяет ставить задачу об экспериментальном определении таблиц сечений.

Показана возможность восстановления сечений из спектров РФЭС безнеобходимости проведения измерений с использованием электронных пушек.Степень достоверности полученных результатов подтверждается математической строгостью всех преобразований, сравнением полученных результатов с другими методами (приближение однократного рассеяния, метод Монте-Карло, модифицированный метод дискретных ординатв скалярной форме (Будак В.П.)), с результатами, полученными другими исследователями (WernerW.S.M., Vos M., Жарников М.В., Горобченко В.Д., Серпученко И.Л., Бронштейн И.М., ПронинВ.П.), а путем сравнения с экспериментальными данными.Апробация работы.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованыв 18 работах в научных издания, входящих в перечень ВАК, в том числе: Vacuum, Journal of VacuumScience and Technology B, «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», «Известия Российской Академии Наук. Серия Физическая», «Вестник МЭИ». Научныерезультаты и материалы исследований докладывались и были опубликованы в материалах и сборников тезисов российских и международных конференциях, в том числе:– ХХ, XXI, XXII Международная конференция «Взаимодействию ионов с поверхностьюВИП» (2011, 2013, 2015 гг.);– IX, X, XI Курчатовская молодёжная научная школа (2011, 2012, 2013 гг.);– XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2012 г.);7– Национальная конференция «Повышение эффективности, надёжности и безопасности работы энергетического оборудования ТЭС и АЭС» (2012 г.);– XI, XII,XIII Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция«Быстрозакаленные материалы и покрытия» (2012, 2013, 2014 гг.);– XLII, XLII, XLIV, XLV Международная Тулиновская конференция по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (2012, 2013, 2014, 2015 гг.);– X International Vacuum Electron Sources Conference (IVESC) and II International Conferenceon Emission Electronics (ICEE) (2014 г.);– XIII Международная научно-техническая конференция «Быстрозакаленные материалы ипокрытия» (2014 г.).Личный вклад.

Материалы и результаты диссертационного исследования получены соискателем лично или с соавторами. Личный вклад автора для достижения полученных результатов носит определяющий характер и заключается в обобщении и стандартизации имеющихся сегодняприближенных методов решения уравнения переноса методом инвариантного погружения, создании численного метода решения этих уравнений, позволяющих определять парциальные вкладырассеянных электронов по кратностям неупругого рассеяния, и обобщении предложенного методана все основные методы электронной спектроскопии. Разработанные подходы были примененыдля описания энергетических спектров отраженных электронов, позволили восстановить сечениянеупругого рассеяния из спектров ХПЭ и РФЭС и успешно применить их для единообразногоописания независимой серии экспериментальных данных.Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.

Полный объём диссертации составляет 136 страниц с 73 рисунками и 1 таблицей. Списоклитературы содержит 129 наименований .8Глава 1. Современное состояние электронной спектроскопииЭлектронная спектроскопия является одним из основополагающих методов изучения качественного и количественного состава вещества.

С ее помощью можно получить представление осоставе мишени, ее структуре и электронном строении. Активное развитие данного метода началось в 80-е годы XX века [1] и продолжается сегодня. Среди всех электронно-спектроскопическихметодик отдельное внимание необходимо уделить рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и Оже-электронной спектроскопии. Если внимательно рассмотреть представленныйв работе рис. 1.1, станет понятно, что ученые всего мира с каждым годом все активнее используют данные методы анализа в своих исследованиях. Это неудивительно, так как РФЭС может бытьуспешно применена для анализа поверхности в самых различных областях науки: физике, химии,геологии, медицине, фармацевтике.Рисунок 1.1 — Развитие Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в числепубликаций в год [2].Из 100 установок, закупаемых для исследования поверхностей, 99 – это установки, реализующие РФЭС методику.

Популярность РФЭС объясняется большими возможностями метода вопределении качественного и количественного состава поверхностных слоев объекта. Интересвызывает и высокая эффективность РФЭС в расшифровке сигнала в рамках простой модели, полностью игнорирующей процессы упругого рассеяния электрона (Strait Line Approximation), которая дает значительную погрешность, но удовлетворяет исследовательским потребностям. Помимоэтого, стоит почеркнуть, что сигнал РФЭС формируется поверхностным слоем образца, толщинакоторого составляет несколько нанометров.

В свою очередь Оже-спектроскопия привлекает исследователей возможностью выполнять поверхностное сканирование качественного состава мишеней с возрастающим разрешением.9Появление установок ЭС, обладающих высоким энергетическим разрешением, позволилопроводить спектроскопию пиков упруго отраженных электронов (СПУЭ), также известную какэлектронное резефордовское обратное рассеяние (ЭРОР) [3], по аналогии с широко используемым методом РОР, основанном на анализе энергетических спектров отраженных легких ионов,обладающих энергиями порядка мэВ. Метод СПУЭ, впервые реализованный в 60-е годы XX века[4], успешно развивался в 80-е годы [1].

В настоящее время метод СПУЭ активно применяется дляопределения длины свободного пробега электрона между неупругими соударениями – величинынеобходимой для реализации количественной ЭС. Одним из важных преимуществ ЭРОР считается возможность прямого наблюдения изотопов водорода и гелия [5] – элементов, регистрациякоторых в стандартных методиках ЭС невозможна.За последние несколько десятков лет в научную практику вошла спектроскопия отраженных электронов (СОЭ) – методика, определяющая послойный состав мишеней по энергетическимспектрам отраженных электронов, измеренных в широком интервале потерь энергии [6, 7].

МетодСОЭ обладает уникальными возможностями, однако основным его недостатком является сложнаяметодика расшифровки спектров [8].Если взять 80-е годы XX века за точку отсчета, можно заметить, что за прошедшее время качественно улучшилась элементная база электронной спектроскопии.

За это время энергетическоеразрешение энергоанализаторов было доведено до сотых долей процента. Теперь без измененийположения образца, энергоанализатора и зонда можно определить энергетические спектры в интервале углов визирования ±35◦ . При этом методы расшифровки спектров ЭС, созданные в 80-егоды [9, 10], не претерпели практически никаких изменений, что, как будет показано ниже, заметно ограничивает возможности ЭС.Сигнал ЭС является результатом регистрации плотности потока электронов, испытавших внеоднородном образце многократные упругие и неупругие рассеяния.

По этому сигналу мы должны восстановить качественный и количественный состав образца. Это обратная задача и относитсяданная проблема к классу некорректных задач математической физики [11]. Наиболее надежными обоснованным методом решения данной задачи является процедура подбора [11], реализациякоторой требует выполнения многократного решения прямой задачи с варьируемыми подгоночными параметрами, определяющими искомые характеристики исследуемой мишени.Основными методами обработки сигнала ЭС для получения информации о мишени былимоделирование методом Монте-Карло в приближении парных соударений, а также аналитическийподход на основе транспортного приближения (ТП) [9].

Однако, метод Монте-Карло не подходитдля решения обратных задач на основе фиттинга в силу недостаточного быстродействия. В своюочередь, аналитический подход, основанный на ТП, пригоден для оценки характеристик потокаэлектронов, прошедших в среде путь, превышающий величину транспортного пробега. Тем неменее указанное условие не всегда выполнимо в реальных ситуациях.Реализация ТП приближения на основе использования Н-функции Чандрасекхара ограничивает ТП только случаем однородных полубесконечных сред. Использование для расчетов в ТПприближенных формул приводит в ряде случаев к результатам, отличным от последовательно реализованного ТП.10Задачи определения характеристик объекта по данным рассеянного потока фотонов возникают в дистанционном зондировании атмосферы Земли. На основе спутниковых наблюдений прямого и отраженного от планеты солнечного излучения необходимо определить состав Земной атмосферы.

Поскольку данные задачи помимо научного интереса представляют и геополитический,и общечеловеческий интерес, то в решении задач дистанционного зондирования наблюдается значительный прогресс. Данные о составе атмосферы, на основе созданных программ, удается получать в режиме реального времени, с многократно возрастающим пространственным разрешением.Отметим, что задачи расшифровки оптических данных в ряде ситуаций полностью совпадают снеобходимостью анализа образцов на основе ЭС. Поэтому одной из задач настоящей работы является использование методов, развитых в дистанционном зондировании, для решения задач ЭС.В 40-е годы прошлого века Гаудсмит, Саундерсон [12, 13], Компанеец [14, 15] и Ландау [16]разработали малоугловую теорию многократного рассеяния атомных частиц.