Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Поскольку один фотоэлектрон может возбудитьпоследовательно несколько плазмонных колебаний, обычно в спектре наблюдается серия из равноудаленных друг от друга плазмонных сателлитов с энергиями E pl = k=ω pl , где k=1, 2, 3..., интенсивность которых уменьшается с увеличением k.В РФЭ спектрах плазмонные сателлиты наблюдаются для простых металлов (Na, Al, Mg) и полупроводников (Si, Ge). Характерные энергии плазмонных потерь составляют 5÷15 эВ. Так, дляалюминия энергия объемного плазмона равна =ω pl = 15.3 эВ, а97поверхностного – =ω surf = 10.8 эВ. Типичный спектр плазмонныхсателлитов для линии Al 2s приведен на рис.2.28.2.6.3.
Эффект статической зарядкинепроводящих образцовЭффект зарядки происходит в том случае, когда исследуется непроводящий (диэлектрический) или проводящий, но изолированный от контакта со спектрометром образец. В процессе РФЭС анализа в системе «образец-спектрометр» устанавливается равновесиемежду током I 1 эмиссии фото-, оже- и вторичных электронов, покидающих образец, и током I 2 падающих на образец вторичныхэлектронов, возбуждаемых рентгеновским излучением в стенкахвакуумной камеры, держателе образца и прочее.
В результате, в зависимости от соотношения токов I 1 и I 2 на образце устанавливается равновесный статический заряд.Рассмотрим характерные области формирования заряда в образце, взяв за начало отсчета поверхность образца, и направим ось z вглубь образца к держателю. Пусть h ~ 1 мм – толщина исследуемого образца. Область проникновения рентгеновского излучения вобразец составляет Rhv ~ 0.1 ÷ 10 мкм. В пределах этой областипроисходит рождение фото- и оже-электронов, а также вторичныхэлектронов с энергиями KE ≤ hv . Покинут образец только те электроны, которые образовались в пределах приповерхностной области образца, ограниченной несколькими значениями длины свободного пробега электронов λ , определяющейся их кинетическойэнергией (см.
рис.2.6). Длина пробега остовных фотоэлектронов иоже-электронов для металлов составляет λ ~ 1 ÷ 3 нм, для диэлектриков - λ ~ 4 ÷ 10 нм. Для вторичных электронов с малыми кинетическими энергиями KE ≤ 10 эВ глубина выхода, определяемаядлиной пробега, составляет s ~ 10 нм для металлов и s ~ 100 нмдля диэлектриков. Таким образом, получаем следующую иерархиюхарактерных глубин:λ < s << Rhv << h << w ,(2.76)98где w – расстояние от поверхности образца до входной щели анализатора электронов.В соответствии с (2.76), объемный заряд образуется в приповерхностном слое образца глубиной s. Электроны, рожденные впределах области s < z < Rhv не покинут образец, и будут захвачены ионизованными атомами, так что электронейтральность этойобласти не изменяется.
Предположим, что ток эмиссии электроновиз образца превышает ток падающих на образец электронов нейтрализации, так что образец заряжается положительно. Пусть ρ[Кл/см3] – объемная, а σ [Кл/см2] – поверхностная плотность заряда, формирующего потенциал V s = V ( z = 0) на поверхности образца. Для определения распределения электрического поля, создаваемого объемными зарядами в образце и вне его, необходимо решить уравнение Пуассона, которое в одномерном случае (для однородного по поверхности образца) имеет вид:d 2Vρ ( z)=−,2εdz(2.77)где ε – диэлектрическая проницаемость непроводящего образца.Граничные условия, в случае заземленного спектрометра и держателя образца, определяются равенством нулю потенциала держателя V ( h ) = 0 и анализатора V ( −w) = 0 .
Интегрирование уравнения(2.77) с учетом указанных граничных условий приводит к выражению для потенциала на поверхности образцаV s = V ( z = 0) =σ ( h − s / 2).(ε + h / w)(2.78)При условии s << h и h << w , что обычно выполняется, имеемVs =σh,ε(2.79)что совпадает с известным выражением для потенциала на обкладке плоскопараллельного конденсатора с диэлектриком толщиной h,диэлектрической проницаемостью ε и поверхностной плотностьюзаряда σ = Q / S . В нашем случае роль обкладок конденсатора играют заземленный металлический держатель и поверхностный слойобразца с захваченным объемным зарядом.99Поверхностный потенциал образца эффективно изменяет егоработу выхода, приводя к сдвигу всего фотоэлектронного спектрана величину eV s .
Для диэлектрических образцов (например, кристалла NaCl) сдвиг из-за статической зарядки составляетΔBE = eVs ~ 5 эВ. С помощью выражения (2.79) можно оценитьплотность заряда в приповерхностном слое образца. При h = 1 мм,s = 100 нм, ε = 4.9 (NaCl) получаем поверхностную плотностьзаряда σ = εV s / h ~ 3 ⋅ 10 −11 Кл/см2 и объемную плотностьρ = σ / s ~ 3 ⋅ 10 −6 Кл/см3. Отсюда объемная концентрация захваченного заряда (т.е. концентрация ловушек) n = ρ / e ~ 2 ⋅ 1013 см-3,что составляет n / n 0 ~ 10 −9 долю от общей концентрации атомов.Таким образом, только 0.0000001% атомов поверхностного слоязахватывают положительный заряд, что, однако, приводит к существенному поверхностному потенциалу в 5 В.2.7.
Аппаратура для РФЭСБлок-схема установки для РФЭС представлена на рис.2.29.Блок-схемаРис.2.29.основныхэлементоврентгеновского фотоэлектронного спектрометра [7]100Основными элементами спектрометра являются помещенные вСВВ камеру источник рентгеновского излучения (рентгеновскаяпушка), энергоанализатор электронов и детектор электронов, атакже электронный модуль регистрации спектров и управления режимами работы спектрометра. Далее рассмотрим подробно каждыйиз указанных элементов.2.7.1.
Источник рентгеновского излученияСхема рентгеновского источника представлена на рис.2.30.Рис. 2.30. Устройство и принцип работы рентгеновского источника: а – диаграммаэнергетических уровней Al, иллюстрирующая излучательный переход электрона сзаполненного уровня 2p на свободный уровень 1s и эмиссией характеристическогорентгеновского излучения AlKα; б – спектр излучения рентгеновского источника,состоящий из узкой линии характеристического рентгеновского излучения на широком фоне тормозного рентгеновского излучения; в – спектр линии Kα характеристического рентгеновского излучения, разложенный на две компоненты Al Kα1и Al Kα2, отвечающие переходам с уровня 2р1/2 и 2р3/2 и отстоящие друг от другана ~0.43 эВ, что приводит к суммарной ширине рентгеновской линии ~0.85 эВ приширине каждой из компонент ~0.5 эВ; г – схематическое изображение двойногоанода рентгеновского источника в разрезе [19]101Он состоит из катода и анода. Катод представляет собой нить накала и служит источником электронов, работающим на эффекте термоэлектронной эмиссии.
Разность потенциалов, прикладываемаямежду катодом и анодом, ускоряет электроны, торможение которых в материале анода сопровождается эмиссией тормозного и характеристического рентгеновского излучения.Тормозное рентгеновское излучение характеризуется непрерывным энергетическим спектром в пределах 0 < hv ≤ E e , гдеE e = mv 2 / 2 – кинетическая энергия тормозящихся электронов.Максимум интенсивности тормозного излучения приходится примерно на половину максимальной энергии (рис.2.31), а сама интенсивность определяется током эмиссии катода, ускоряющим напряжением между катодом и анодом и материалом анода.Рис.2.31. Рентгеновский эмиссионный спектр Al анода, бомбардируемого электронами с кинетической энергией 15 кэВ, состоящий из линии характеристическогоизлучения Al Kαс энергией ~1.5 кэВ и широкого спектра тормозного излучения[15]Характеристическое рентгеновское излучение возникаетвследствие ионизации электронным ударом остовных электронныхуровней атомов материала анода и последующих процессов излучательной рекомбинации.
При этом энергия рентгеновского излучения определяется разницей энергий связи уровней, участвующих впереходе (рис.2.32).102Рис.2.32. Схема излучательного перехода с эмиссией характеристического рентгеновского излученияКоэффициент полезного действие преобразования энергии быстрых электронов в энергию характеристического рентгеновскогоизлучения составляет ~1% вследствие малой вероятности излучательных переходов по сравнению с безызлучательными. Следствием малости КПД также является нагрев анода.
По этой причиневнутри анода устроен канал для водяного охлаждения. Величина hvв общем случае тем больше, чем больше атомный номер элементаматериала анода, однако увеличение энергии излучения сопровождается уширением линии Whv , что снижает разрешение спектрометра.Поскольку в рентгеновском спектре эмиссии анода присутствуеткак тормозное, так и характеристическое излучение, необходимоосуществить фильтрацию спектра, оставив лишь наиболее интенсивную линию характеристического излучения.
Для обрезания хвоста спектра тормозного излучения между анодом и образцом устанавливают специальную сетку-анод («окно»), которая поглощаетчасть рентгеновского излучения, а также задерживает электроны,рассеянные на аноде. Материал окна зависит от энергии характеристического излучения, определяющейся материалом анода. Так, длямагниевого источника с линией Mg K α ( hv = 1253.6 эВ) используют алюминиевое окно.
Интенсивность прошедшего через окноизлучения определяется выражениемI = I 0 e − ρχ ( hv ) z ,(2.80)где I 0 – интенсивность падающего излучения, ρ – плотность ма-териала окна, z – толщина окна и χ (hv ) – массовый коэффициентпоглощения. Зависимость коэффициента поглощения от энергииизлучения схематически показана на рис.2.33.103ЗависимостьРис.2.33.коэффициента поглощения алюминиевого окнаи интенсивности рентгеновского излучения линии Mg Kα от энергиирентгеновского излучения [7]Пик поглощения на энергии hv = 1486.6 эВ обусловлен ионизацией оболочки Al 1s . Таким образом, окно «вырезает» из рентгеновского спектра излучение в области энергий hv > 1486.6 эВ.
Насамом деле определенное ослабление интенсивности происходит идля энергий hv < 1486.6 эВ, поэтому окно должно быть достаточно тонким. Обычно для этой цели используют фольгу толщинойнесколько сотен микрон. Кроме алюминия, в качестве материалаокна можно также использовать бериллиевую фольгу.В качестве материала анода используют различные элементы,дающие рентгеновские линии с энергиями от сотен до десятков тысяч электронвольт. Помимо энергии, они различаются также шириной линии. Данные о наиболее часто используемых источникахпредставлены в табл. 2.5.Таблица 2.5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
