Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Измерение наблюдаемых сдвигов энергии позволяет пометоду оже-параметра определить размерный сдвиг энергии начального состояния и энергии релаксации. Такие зависимости показаны на рис.2.49 для нанокластеров меди.Рис.2.49. Зависимости сдвиговэнергии связи ΔBE , энергииначального состояния Δε иэнергии релаксации ΔR дляостовного уровня Cu2p3/2 кластеров меди на поверхностиграфита от среднего размеракластеров d, полученные с использованиемметодаожепараметраЭнергия начального состояния в кластере меньше, чем в объемной меди, и при размерах d~1.5 нм достигает величины, близкой кзначению поверхностного сдвига энергии связи для Cu ( Δ sb ≈ −0.3эВ), что можно качественно объяснить возрастанием вклада поверхностных атомов по отношению к объемным атомам с уменьшением размера кластера28).
Помимо изменения электроннойструктуры кластера, на сдвиг энергии начального состояния можетвлиять контактная разность потенциалов на границе раздела кластер-подложка. Поэтому сдвиг энергии начального состояния длякластеров одного металла на различных подложках может различаться.Энергия релаксации в кластере Cu меньше, чем в объемной меди, что обусловлено ослаблением электронной экранировки суменьшением размера кластера 28). По отклонению зависимости28)В.Д. Борман, П.В. Борисюк, В.В. Лебидько, М.А.
Пушкин, В.Н. Тронин, В.И.Троян, Д.А. Антонов, Д.О. Филатов // ЖЭТФ 129 (2006) с.343.123сдвига энергии релаксации от обратного размера кластера в работе28) был сделан вывод о переходе кластеров Cu на поверхностиВОПГ в неметаллическое состояние при размере кластеров d~2 нм,что согласуется с результатами исследования методом ожеспектроскопии (см. раздел 3.11). В рамках этой модели также можно качественно объяснить наблюдаемое уширение фотоэлектронных линий остовных уровней кластеров благородных металлов.Рис. 2.50. Сравнение нормированных по интенсивности РФЭ спектров валентнойзоны нанокластеров Au среднего размера ~2 нм на поверхности NaCl(100) и металлического золота. В большом масштабе показана область спектров вблизиуровня Ферми 2)На рис.
2.50 показаны нормированные по интенсивности РФЭспектры валентной зоны нанокластеров Au среднего размера 2 нм иметаллического золота. Спектр валентной зоны в определеннойстепени отражает структуру плотности заполненных электронныхсостояний исследуемого образца. Видно, что вблизи энергии Ферми(ВЕ=0) в нанокластере происходит «выедание» спектра, что можно124интерпретировать как изменение локальной плотности электронных состояний 29).Метод РФЭС также позволяет исследовать явление возбужденияэлектрон-дырочных пар вблизи поверхности Ферми в кластерах металлов путем анализа асимметричной формы спектральных линийостовных уровней. На рис.2.51 приведены зависимости индексасингулярности Андерсона линии Cu2p3/2 и Au4f7/2 нанокластеров Cuи Au на поверхности ВОПГ, полученные из анализа РФЭ спектров.Наблюдаемое возрастание индекса сингулярности при уменьшенииразмера кластеров можно объяснить в модели свободных электронов за счет ослабления электронной экранировки в кластерах посравнению с объемным металлом 28).Рис.
2.51. Зависимость индекса сингулярности Андерсона α от среднего размера lнанокластеров Au (□) и Cu (Δ), сформированных на поверхности ВОПГ. Сплошные кривые – теоретические зависимости, пунктирными линиями показаны величины индексов сингулярности Андерсона α для объёмных металлов Au (α=0.04) иCu (α=0.05) 28)В заключение необходимо отметить, что ввиду того, что пространственное разрешение метода РФЭС много меньше размеракластеров, экспериментальные данные, получаемые методомРФЭС, характеризуют ансамбль нанокластеров, а получаемые на29)Лай Синьчунь.
Автореферат диссертации «Особенности электронных состоянийметаллических кластеров на различных подложках при импульсном лазерном осаждении», Москва, 2001.125основе этих данных размерные зависимости относятся к среднемуразмеру кластеров в ансамбле.2.8.6. Исследование наноразмерных слоев методом РФЭСс угловым разрешениемТолщина зондируемой методом РФЭС приповерхностной области образца определяется средней длиной свободного пробега электронов и составляет ~3-10 нм.
Это справедливо в том случае, когдаанализатор детектирует фотоэлектроны, вылетевшие по нормали кповерхности образца. Изменяя угол сбора фотоэлектронов, можноварьировать толщину анализируемой приповерхностной области.На этом принципе построена методика РФЭС с угловым разрешением. В ряде современных спектрометров (например, Theta Probeкомпании Thermo VG Scientific) анализатор позволяет одновременно регистрировать фотоэлектроны, вылетевшие под разными углами к поверхности, и получать серию РФЭ спектров.Рис. 2.52. Иллюстрация принципа методики РФЭС с угловым разрешением.
Изменение угла сбора фотоэлектронов приводит к изменению толщины анализируемой области и перераспределению интенсивности спектральных линий, отвечающих окисленному и металлическому состоянию в случае анализа поверхности металла с тонким слоем окисла [17]Метод РФЭС с угловым разрешением наиболее эффективен приисследовании сверхтонких покрытий, толщина которых меньше126длины пробега фотоэлектрона. На рис. 2.52 представлена схема измерения РФЭ спектров образца в виде сверхтонкой пленки оксидана поверхности металла при двух значениях угла сбора фотоэлектронов. Использование «поверхностного» угла сбора приводит куменьшению толщины зондируемой области и возрастанию интенсивности спектральной линии, отвечающей окисленному состоянию металла.Зная значения длины свободного пробега электронов в материале образца, можно на основе РФЭ спектров с угловым разрешениемопределить распределение концентрации элементов по толщинеобразца в пределах анализируемой области.Рис.2.53.
Профили распределенияконцентрации элементов в образцеAl2O3/SiO2/Si, полученные по результатам анализа методом РФЭС с угловым разрешением 30)На рис. 2.53 приведены результаты исследования методомРФЭС с угловым разрешением распределения концентрации элементов в образце, представляющем собой сверхтонкую пленкуAl2O3 на поверхности Si подложки с оксидом SiO2 толщиной 0.9 нм.Измерения проводились на электронном спектрометре ARXPSTheta Probe (Thermo Electron 30).
Видно, что данный метод позволяет измерять толщину наноразмерных слоев с точностью ~0.5 нм.Преимуществом такой методики определения толщины является еечувствительность к химическому состоянию, т.е. возможность определять толщину слоев одинакового элементного состава, но различной стехиометрии. Помимо этого, метод РФЭС с угловым раз30См. www.thermo.com.127решением является неразрушающим, т.е. позволяет контролироватьтолщину слоев, например, в процессе их роста.2.9. Контрольные вопросы к главе 21.
Оцените время заполнения 1 ML поверхности при p=10-9 Торри T=300 K.2. Дайте физическую интерпретацию химического сдвига вРФЭС.3. Объясните различие измерения энергии связи в металлах иполупроводниках в РФЭС.4. Обоснуйте плазмонный механизм формирования длины свободного пробега фотоэлектронов.5. При каком режиме возбуждения остовных электронов (адиабатическом или внезапном) будет наблюдаться рождение электрондырочных пар?6. Назовите необходимое условие существования спинорбитального расщепления в РФЭС.7. Объясните эффекты начального и конечного состояния вРФЭС.8.
Какие сателлиты могут наблюдаться в РФЭ спектрах?9. Чем различается спин-орбитальное и мультиплетное расщепление?10. Объясните причину ассиметричной формы РФЭ спектров. Вчем заключается явдение ортогональной катастрофы Андерсона?11. Зачем нужно охлаждать анод рентгеновской пушки?12. Каков принцип работы полусферического анализатора?13. Интерпретация зависимости длины свободного пробега электрона в твердом теле от его кинетической энергии.128Глава 3. Ожэ-электронная спектроскопия3.1. Общие замечания и историческая справкаМетод оже-электронной спектроскопии (Auger Electron Spectroscopy) основан на оже-эффекте, названном в честь французского физика Пьера Оже (Pierre Auger), обнаружившего данный эффект в1925 г.
(рис.3.1)Рис.3.1. Пьер Оже (1899-1993), французский физик, вчесть которого был назван оже-эффект1)Метод идентификации поверхностных примесей, основанный нарегистрации возбуждаемых электронным пучком оже-электронов,был предложен в 1953 г. С 1968 г. для повышения чувствительности данного метода стали использовать дифференциальные ожеэлектронные спектры.Отличительными особенностями метода ОЭС являются:- поверхностная чувствительность метода;- чувствительность к химическому состоянию элементов;-возможность сканирования образца сфокусированным электронным пучком, позволяющая получать карту распределения элементов по поверхности образца (оже-электронная микроскопия) ссубмикронным разрешением (в совокупности с послойным ионнымтравлением можно также получить трехмерную карты распределения элементов в поверхностных слоях образца);129- использование анализаторов электронов типа цилиндрическогозеркала, обладающих большей чувствительностью по сравнению сдругими типами анализаторов.3.2.
Физические основы ОЭСВ основе методики ОЭС лежат следующие процессы:1) ионизация остовных электронных уровней первичным электронным пучком с энергией E p и интенсивностью I p (так называемым электронным ударом);2) оже-рекомбинация (т.е. безызлучательный, jkl оже-переход);3) эмиссия оже-электрона с кинетической энергией KE jkl ;4) регистрация энергетического спектра оже-электронов, покинувших образец.Схематически последовательность данных процессов показанана рис.3.2Рис.3.2.
Схема оже-перехода KL 23 L 23 [17]Как уже упоминалось выше, оже-переход представляет собойэлектронный переход с участием трех электронных уровней: ионизованного первичным электронным пучком уровня j, уровня k, скоторого происходит переход электрона на вакантное место науровне j, и уровень l, с которого происходит эмиссия оже-130электрона, уносимого выделяющуюся в результате электронногоперехода k → j энергию. В этом случае говорят о jkl ожепереходе. Для обозначения оже-переходов используют рентгеновские обозначения электронных уровней, участвующих в переходе.Так, оже-переход электрона с уровня k = 2 p1 / 2 на ионизованныйуровень j = 1s с эмиссией электрона с уровня l = 3d обозначаетсякак KL2 M 45 оже-переход (здесь индекс 45 обозначает участиеэлектронов с обоих уровней спин-орбитального дублета 3d 3 / 2,5 / 2 ).В общем виде оже-электронные переходы с участием остовныхуровней обозначают как ССС, а с участием валентных – CCV иCVV.Для ионизации остовного уровня с энергией связи BE j необходимо выполнение энергетического условия E p ≥ BE j .
В принципе,для оже-перехода не важно, каким образом происходит ионизацияостовного уровня. Поэтому, в соответствии со способом ионизацииразличают оже-электронную спектроскопию (ионизация электронным пучком), возбуждаемую рентгеновским излучением ожеспектроскопию (фотоионизация), ионную оже-спектроскопию (ионизация ионным пучком).Преимущества использования электронного пучка:1) простота получение электронного пучка нужной энергииE p ~ 1.5 ÷ 5.0 кэВ и интенсивностью I p ~ 1 ÷ 100 μА ;2) возможность фокусировки электронного пучка (до единицмикрон) и сканирования им поверхности образца, позволяющая получать информацию о локальном элементном составе образца (ожеэлектронная микроскопия).В общем случае, рекомбинация образовавшейся остовной дыркиможет быть либо излучательной (т.е. сопровождаться эмиссией характеристического рентгеновского излучения), либо безызлучательной (т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
