Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Параметры основных источников рентгеновского излученияМатериаланода и линия переходаНе IНе+ IIY MζMg KαAl KαTi KαЭнергияhv, эВШирина линии Whv, эВИнтенсивностьлинии I, фотон/с.21.240.8132.80.0030.0170.4501·10121·10113·10111253.61486.64510.00.6800.8302.0001·10121·10125·1011104Из представленных в таблице источников He и Не+ представляют собой гелиевые лампы, используемые в УФС. Из твердотельныхисточников наиболее часто используемыми являются Mg и Al. Нарис. 2.34 схематически представлены электронные оболочки атомав твердом теле, возбуждаемые различными источниками рентгеновского излучения.Рис.2.34. Схематическое изображение остовных и валентных электронных оболочек атома в твердом теле и используемых в методе РФЭС источников возбуждающего рентгеновского излучения.
Фотоэлектронный спектр отражает структуруэлектронных уровней исследуемого вещества (К. Зигбан 23)Для уменьшения естественной ширины линии характеристического рентгеновского излучения в современных спектрометрах используют монохроматоры. Принцип действия монохроматора основан на дифракции рентгеновского излучения на кристаллическойрешетке. Схема монохроматора в виде круга Роуланда представлена на рис.2.35.23)К.
Зигбан // УФН 138 (1982) с.223.105Рис.2.35. Схема устройства рентгеновского монохроматора в виде круга Роуланда[7, 19]В этой схеме на круге Роуланда радиуса R R установлены анодрентгеновского источника, образец и сферический кристалл кремния. Падающее на кристалл под углом θ рентгеновское излучениедифрагирует на атомных плоскостях и вновь фокусируется на образце. Условие брэгговской дифракции имеет вид2d sin θ = λ ,(2.81)где d – межплоскостное расстояние в кристалле, λ = c / v – длинаволны рентгеновского излучения.Рис.2.36.
Условная схема устройства рентгеновского монохроматора с тремя кругами Роуланда, используемая для повышения интенсивности монохроматического рентгеновскогоизлучения [7].Для излучения линии Al Kα с энергией 1486.6 эВ величинаλ = 8.34 Å, откуда получаем значение угла θ = 13.4° для моно-кристалла SiO2 с d = 4.26 Å. Если в падающем на кристалл рент-106геновском излучении присутствуют длины волн в интервалеλ ± Δλ , где Δλ определяется шириной линии, то в отраженномизлучении останется только та часть, длина волны для которойудовлетворяет условию дифракции Брэгга (2.81).
В силу того, чтоэтому условию удовлетворяет лишь малая доля падающего излучения (~1%), интенсивность излучения на выходе монохроматоразначительно ослабляется (что приводит и к малой интенсивностиспектральных линий). Для повышения интенсивности иногда используют схему с несколькими кругами Роуланда, лежащими в разных плоскостях, пересекающихся по прямой, соединяющей анод иобразец (рис.2.36).Рис.
2.37. Нормированные по интенсивности РФЭ спектры уровня Ag3d, полученные с использованием монохроматического и немонохроматического рентгеновского излучения. Использование монохроматора приводит к более узким спектральным линиям, меньшему фону и отсутствию рентгеновских сателлитов [17]Использование монохроматора позволяет уменьшить ширинурентгеновского источника Mg и Al до 0.3÷0.5 эВ, что увеличиваетразрешение спектрометра.
В качестве иллюстрации на рис. 2.37 показаны нормированные по интенсивности спектры остовного уровня Ag3d, полученные с использованием монохроматического и немонохроматического рентгеновского излучения.1072.7.2. ЭнергоанализаторЭнергоанализатор необходим для того, чтобы измерять числофотоэлектронов в зависимости от их энергии. Анализатор электронов может быть либо магнитным, либо электростатическим, ондолжен находиться в условиях СВВ и быть изолированным отвнешних магнитных и электрических полей (в том числе от магнитного поля Земли).
В электростатических энергоанализаторахвнешние магнитные поля устраняют при помощи специальных экранов.Энергоанализаторы могут иметь различную геометрию. В большинстве электронных спектрометров используют электростатические энергоанализаторы. Они могут быть разделены на два класса:анализаторы отклоняющего типа и анализаторы задерживающегополя.В анализаторах отклоняющего типа регистрируются толькоэлектроны, кинетическая энергия которых лежит в пределах узкогодиапазона энергий. Выделение электронов с нужной энергией производится путем использования геометрии, в которой только электроны с определенной энергией проходят по заданной траектории кдетектору электронов.
Это достигается путем приложения электростатического поля в направлении, перпендикулярном к направлению движения электронов. Наиболее распространенными анализаторами отклоняющего типа являются концентрический полусферический анализатор, анализатор типа «цилиндрическое зеркало»,анализатор типа «сферическое зеркало» и 127° -градусный секторный цилиндрический анализатор [5, 19].Анализаторы задерживающего поля работают путем отсечения электронов с кинетической энергией меньше, чем eV0 , где V0– напряжение, прикладываемое к задерживающему электроду.Наиболее распространенный тип анализатора задерживающего поля – это четырехсеточный анализатор, который обычно используют в установках по ДМЭ. Его описание приведено в разделе 5.4.Другим примером анализатора задерживающего поля является бездисперсионный энергоанализатор.Далее будут рассмотрены три наиболее широко используемыхтипа энергоанализаторов.108Концентрический полусферический анализаторДанный тип анализатора называют еще электростатическим полусферическим анализатором или сферическим отклоняющим анализатором.
Схема устройства полусферического анализатора приведена на рис.2.38.Основными элементами анализатора являются два электрода ввиде концентрических полусфер. На внешнюю полусферу относительно внутренней полусферы подается отрицательный потенциал,создающий в пространстве между ними электростатическое поле.Рис. 2.38.
Схема устройства концентрического полусферического анализатора. R –радиус траектории движения электронов в электрическом поле, создаваемом разностью потенциалов, подаваемой на внешний и внутренний полусферическиеэлектроды с расстоянием между ними ΔR [7]Перед входом в анализатор электроны проходят через системуэлектростатических линз, формирующих тормозящее поле. Входящие в анализатор электроны под действием электростатическогополя движутся по круговой траектории с радиусом R. При заданнойгеометрии анализатора кинетическая энергия фотоэлектрона KE,прошедшего через анализатор, определяется разностью потенциалов на электродах Δϕ :KE =eΔϕR,2ΔR(2.82)где ΔR – расстояние между полусферическими электродами.
Регистрация спектра происходит путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам таким образом, чтобы через выходнующель анализатора на детектор последовательно проходили электро-109ны с разной энергией. Такой режим работы анализатора называетсярежимом с постоянным коэффициентом замедления. В другом режиме работы анализатора, называемом режимом с постояннойэнергией пропускания, на электроды анализатора подается постоянная разность потенциалов, но варьируется электрическое поле,тормозящее электроны на входе в анализатор.
Фотоэлектроны замедляются в этом поле и через анализатор проходят только те электроны, скорость которых соответствует условию (2.82).Полусферический анализатор является пространственно фокусирующим: точечный источник электронов изображается в видеточки на выходе анализатора.Важной характеристикой анализатора является его разрешающая способность:R E = KE / ΔKE ,где ΔKE – минимальная разница кинетической энергии электронов, линии которые еще могут быть разрешены в спектре, КЕ –среднее значение кинетической энергии электронов (обычноKE >> ΔKE ). Разрешающая способность полусферического анализатора определяется радиусом R, шириной S входной и выходнойщелей анализатора и углом разброса входящего в анализатор элек-2RS + R(α / 2) 2[19].
При типичных значениях параметров анализатора R = 127мм, S = 1 мм и α = 3° , его разрешающая способность составляетR E ≈ 190 . В то же время для измерения типичных сдвигов энергиисвязи ΔE ~ 0.1 эВ при кинетической энергии фотоэлектроновKE ~ 1 кэВ необходимо наличие анализатора с R E ≈ 10 4 . Дости-тронного пучка (углом сбора электронов) α : R E =жение такой разрешающей способности требует слишком малогоугла сбора электронов и ширины щелей анализатора. Поэтому напрактике перед входной щелью анализатора обычно устанавливается блок замедления, уменьшающий кинетическую энергию фотоэлектроновдовеличины~10эВ.ВэтомслучаеKE / ΔKE ~ 10 / 0.1 ~ 100 и имеющейся разрешающей способности анализатора оказывается достаточно для измерения сдвиговэнергии.110Анализатор типа «цилиндрическое зеркало»Энергоанализатор типа цилиндрического зеркала состоит издвух коаксиальных цилиндров.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
