Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 24
Текст из файла (страница 24)
3.2.Относительная чувствительность, определяемая отношениеминтенсивностей спектральных линий, для обоих методов составляет доли монослоя, однако существуют принципиальные ограничения по регистрации ряда элементов.Абсолютная чувствительность, определяемая интенсивностьюспектральных линий, больше у метода ОЭС, поскольку при равныхсечениях ионизации гораздо проще увеличить интенсивность первичных электронов, нежели рентгеновского излучения.
Лучшее145Таблица 3.2. Сравнение характеристик методов РФЭС и ОЭС [17]ХарактеристикаОтносительнаячувствительностьРФЭС≤ 1 ML,не чувствует Н и НеГлубина анализируемого слояПространственноеразрешение3-10 нмКоличественныйанализ тонкойструктуры спектровКачественный анализОЭС≤ 1 ML,не чувствует Н, Неи атомарный Li3-10 нмСтандартный РФЭС ~ 1мм;«наноЭСХА»: ~ 100 нм+< 12 нм+++/-пространственное разрешение также достигается в методе ОЭС, чтообусловлено простотой фокусировки электронного пучка по сравнению с рентгеновским излучением.
Пространственное разрешениеметода ОЭС (~10 нм) значительно превосходит разрешение стандартных РФЭ-спектрометров (~1 мм), и на порядок превышает наилучшее достигнутое на сегодняшний день пространственное разрешение РФЭС (~100 нм, «наноЭСХА» 32).
Количественный анализтонкой структуры спектров, дающий информацию об электронныхсвойствах образца (таких как плотность состояний на уровне Ферми), в ОЭС гораздо более сложен, нежели в РФЭС, в силу участия воже-переходе трех электронных уровней. Качественный анализ, втом числе информация о химическом состоянии элемента в образце, для РФЭС и ОЭС примерно одинаков.Таким образом, исходя из приведенных характеристик, можнозаключить, что использование метода ОЭС оправдано для проведения быстрого экспресс-анализа элементного и химического составаобразца, а также получения карты распределения элементов по поверхности образца. В то же время метод РФЭС более подходит дляпроведения исследования тонких электронных эффектов, таких какплазмонные и одноэлектронные возбуждения.32)M.
Escher, N. Weber, M. Merkel, B.Krömker, D. Funnemann, S. Schmidt, F. Reinert,F. Forster, S. Hüfner, P. Bernhard, Ch. Ziethen, H.J. Elmers, G. Schönhense // J. Electron. Spectrosc. Relat. Phenom. 144–147 (2005) p.1179.1463.10. Аппаратура для ОЭСАппаратура для ОЭС во многом сходна с аппаратурой дляРФЭС, подробно рассматривавшейся в предыдущей главе. В случаеспектрометров, предназначенных только для исследований методом ОЭС, обычно используют энергоанализаторы типа цилиндрического зеркала по причине их большей чувствительности по сравнению с анализаторами типа сферического конденсатора.
В томслучае, когда спектрометр представляет собой комбайн, оснащенный рядом аналитических методик, таких как РФЭС, ОЭС, СРМИ,для всех методик используется один энергоанализатор (как правило, типа сферического конденсатора).3.11. Использование метода ОЭС в исследовании наноструктур и поверхности твердого телаВ силу высокой поверхностной чувствительности метод ОЭСнаравне с методом РФЭС широко используется при исследованиисвойств наноструктур и поверхности твердого тела. Одним из преимуществ ОЭС является возможность его использования в режимемикроскопии, что позволяет получать информацию о локальномэлементном и химическом составе образца и его электроннойструктуре.
Вместе с методикой РФЭС оже-спектроскопия дает возможность исследовать размерные электронные эффекты в нанообъектах (эффекты начального и конечного состояний).Одним из красивых примеров использования оже-спектроскопииявляется методика наблюдения перехода нанокластеров металла внеметаллическое состояние при уменьшении их размера, основанная на использовании электронных оже-переходов Костера–Кронига (КК), чувствительных к зонной структуре исследуемогоматериала 34). Так, для 3d-металлов процессом КК является ожеэлектронный переход L2L3V.
Результатом такого процесса, в частности, является эффективный переход остовной дырки с уровня2р1/2 на уровень 2р3/2. В силу этого процесс КК влияет на соотношение интенсивностей спектральных линий оже-электронов, эмитировавших в результате оже-переходов L2VV и L3VV:147Рис.3.10. Экспериментальные оже-спектры линий Cu L3VV и L2VV нанокластеровCu, сформированных на поверхности ВОПГ(0001), для различных значений среднего размера кластеров 16 Ǻ (1), 30 Ǻ (2), 38 Ǻ (3), 60 Ǻ (4), 80 Ǻ (5) и 100 Ǻ (6)(а); зависимость отношения интенсивностей I3/I2 оже-электронных линий Cu L3VVи L2VV кластеров Cu от среднего размера кластеров <d> 33) (б)наличие процесса КК приводит к увеличению интенсивности линииL3VV относительно линии L2VV по сравнению со случаем, когдапроцесс КК отсутствует.
Условие перехода КК определяется соотношением энергии спин-орбитального расщепления ΔЕ и энергиисвязи остовного электрона ВЕv: ΔЕ>ВЕv. Оказывается, что для некоторых элементов 3d-ряда это условие выполняется для металлического состояния (ВЕv отсчитывается относительно уровня Ферми)и не выполняется для атомарного (здесь роль ВЕv играет потенциалионизации IP).
Так, для меди величина ΔЕ=19.8 эВ, ВЕv=10.2 эВ,IP≈20 эВ. При этом отношение интенсивностей линий ожеэлектронов I(L3VV)/I(L2VV)=I3/I2 составляет 7.85 для металла (ККесть) и 2.17 для атомарной меди (КК нет).33)В.Д. Борман, С.Ч. Лай, М.А. Пушкин, В.Н. Тронин, В.И. Троян // Письма ЖЭТФ76 (2002) с.520148Данный эффект был использован для наблюдения перехода металл-неметалл кластеров Cu/ВОПГ. Экспериментальная зависимость I3/I2 от среднего размера кластеров d приведена на рис. 3.10.Видно, что с уменьшением d от 10 нм до 1.8 нм происходит монотонное уменьшение величины I3/I2 от I3/I2≈8 до 2. ВеличинаI3/I2=2.17, отвечающая отсутствию процесса КК, достигается приразмере кластеров Cu dc≈2 нм, что можно интерпретировать как переход кластеров в неметаллическое состояние при d=dc. Полученные данные согласуются с выводами, сделанными на основе другихметодов наблюдения перехода металл-неметалл в нанокластерах dметаллов (в частности, данных СТС и РФЭС).3.12.
Контрольные вопросы к главе 31. Что такое оже-эффект?2. Назовите виды оже-спектроскопии, различающиеся по способу ионизации остовного уровня.3. Назовите характерные значения энергии первичных электронов, используемых в оже-электронной спектроскопии.4. В чем преимущество дифференциального представления ожеспектров?5. Чем определяется кинетическая энергия оже-электрона?6. Почему для CVV оже-переходов ширина спектральных линийобычно больше, чем для ССС переходов?7.
Как видоизменяется форма спектральной линии ожеэлектронов в случае, когда энергия взаимодействия дырок в конечном состоянии велика по сравнению с шириной валентной зоны?8. От чего зависит интенсивность оже-электронных линий?9. Можно ли наблюдать оже-электронные спектры лития в газовой фазе и почему?10. Каково пространственное разрешение метода ОЭС?11. Что такое процесс Костера–Кронига?149Глава 4.
Спектроскопия рассеяниямедленных ионов4.1. Общие замечанияМетоды ионной спектроскопии основаны на использовании вкачестве «зонда» ускоренного пучка ионов с энергией E 0 и регистрации энергетического спектра рассеянных первичных ионов. Взависимости от энергии используемого ионного пучка различают:- спектроскопию рассеяния медленных ионов (СРМИ, или LEIS– Low Energy Ion Scattering spectroscopy) с энергиями E 0 = 0.1 ÷ 10кэВ;- спектроскопию рассеяния быстрых ионов (СРБИ, или HEIS –High Energy Ion Scattering spectroscopy) с энергиями E 0 = 0.01 ÷ 2МэВ;- спектроскопию обратного резерфордовского рассеяния (ОРРили RBS – Rutherford Backscattering Spectroscopy) с энергиямиE 0 > 2 МэВ.Иногда в отдельный метод выделяют спектроскопию рассеянияионов средних энергий (MEIS – Medium Energy Ion Scattering spectroscopy) как промежуточную между СРМИ и СРБИ.В том случае, когда регистрируется спектр вторичных ионов,выбитых первичным пучком с поверхности образца, говорят о вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС).Основной принцип анализа поверхности методом СРМИ заключается в регистрации энергетического спектра ионов, рассеянныхпод определенным углом поверхностными атомами образца при егооблучении моноэнергетическим сколлимированным пучком первичных ионов с энергиями E 0 = 0.1 ÷ 10 кэВ под определеннымуглом.150Получаемая информация:1) элементный состав поверхности образца (получаемый в результате анализа положения спектральных линий, энергия которыхопределяется массой рассеивающего атома поверхности);2) относительная концентрация поверхностных атомов (анализинтенсивности спектральных линий);3) информация о структуре поверхностной решетки, адсорбированных атомов и дефектов (анализ угловых зависимостей интенсивности спектральных линий с эффектами затенения и многократного рассеяния);4) в некоторых случаях тонкая структура спектральных линийпозволяет получить информацию о химическом состоянии поверхностных атомов (например, отличить металл от оксида) вследствиепроявления эффектов неупругих потерь энергии ионов на электронные возбуждения.Особенности метода СРМИОтличительной особенностью метода СРМИ, в отличие от других поверхностных методик, является его исключительно высокаяповерхностная чувствительность.
Глубина зондирования в методеСРМИ составляет всего один-два атомных слоя поверхности, в товремя как в методах РФЭС и ОЭС она достигает десятков ангстрем.Эта особенность обусловлена двумя факторами:1) сильное ослабление интенсивности ионного пучка по мереего проникновения в глубь образца вследствие большого сечениярассеяния;2) увеличение вероятности нейтрализации ионов, рассеянныхна глубоких поверхностных слоях.Эти факторы приводят к тому, что регистрируемый сигнал в большой степени определяется ионами, рассеянными атомами первогоповерхностного слоя.История создания метода СРМИАктивные исследования процессов рассеяния медленных ионовповерхностью твердого тела начали проводиться с 1950-х годов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
