Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твёрдого тела (1027497), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Очевидно, что в таких условиях исследование самой поверхности затруднено. Оценим теперь давление (т.е. уровеньвакуума), при котором за время эксперимента (порядка одного часа,24τ= 3600 с) на поверхности адсорбируется не более одной десятойдоли монослоя (θ=0.1). Из (1.14) имеем:p=j MT,3.51 × 10 22θnj= 0Cτи, следовательно,p=θn0 MT3.51 × 10 22 ⋅ Cτ=0.1 ⋅ 5 × 1014 ⋅ 32 ⋅ 300≈ 3.9 × 10 −11 Торр .3.51 × 10 22 ⋅ 1 ⋅ 3600Если коэффициент прилипания меньше единицы (С=0.1), тогдар≈3.9×10-10 Торр.Таким образом, для обеспечения чистоты исследуемой поверхности в вакуумной камере аналитической установки на протяжениивсего эксперимента необходимо поддерживать давление остаточных газов на уровне не ниже р~10-10 Торр ~ 10-8 Па.Сверхвысоким вакуумом (СВВ) называют такой уровень вакуума, при котором соударениями атомов остаточных газов с исследуемой поверхностью за время эксперимента можно пренебречь.Поскольку минимальное время исследования (например, получениеодного РФЭ спектра) занимает несколько минут, уровень СВВможно отсчитывать от величины порядка ~ 10-8 Торр.
В настоящеевремя предельно достигнутое значение вакуума составляет ~ 10-16Торр.Из выражений (1.14) и (1.15) следует, что количество адсорбированных атомов на поверхности для данного типа атомов и температуры определяется произведением давления на время:n ads =3.51 × 10 22 ⋅ CMT⋅ pτ .(1.16)Величина, равная произведению давления на времяε = pτ ,(1.17)называется экспозицией. Единицей измерения экспозиции являетсяленгмюр (Langmuir): 1 Л = 10 -6 Торр ⋅ с .
Нетрудно показать, чтопри экспозиции в 1 Л на поверхности образуется один монослойадсорбированных атомов (при С=1):25n ads =3.51 × 10 22 ⋅ С3.51 × 10 22 ⋅ 1⋅ε =⋅ 1 ≈ 3.6 × 1014 см -2 ,32 ⋅ 300MTn3.6 × 1014θ = ads ≈≈ 0.7 ML.n05 × 1014Для иллюстрации эффекта экспозиции приведем экспериментальные данные по адсорбции молекул водорода, оксида углерода, кислорода и йода на поверхности никеля Ni(100) при одинаковой экспозиции ε=1 Л (табл. 1.3).Таблица 1.3. Поверхностная концентрация различных адсорбированных молекулна поверхности Ni(100) при одинаковой экспозиции ε=1 ЛМолекулаH2COO2I2М, а.е.м.22832254nads, см-21.43×10153.83×10143.83×10141.27×1014Видно, что с ростом массы молекулы наблюдается уменьшениеколичества адсорбированных молекул, таким образом, что величина n ads M ~ ε остается постоянной.Перечислим основные способы получения атомарно-чистой поверхности:1) прогрев образца в СВВ для активации десорбции адсорбированных на поверхности образца атомов/молекул (обычно примесикислорода, углерода, серы, адсорбирующиеся из атмосферы);2) скол монокристалла в вакууме (или на атмосфере непосредствен перед загрузкой образца в СВВ камеру) вдоль определеннойкристаллической грани, например, (100) для кристаллов NaCl идругих щелочно-галоидных соединений, (0001) для кристалла высокоориентированного пиролитического графита, (111) для кристаллов типа CaF2.
Недостатком данного метода является его ограниченность определенным типом материалов (не подходит для металлов) и возможное образование атомных ступенек на поверхно-26сти скола, что в ряде методов усложняет интерпретацию результатов анализа;3) травление поверхности ионами благородных газов (Ar+, Ne+,He+) в СВВ для физического удаления примеси. Основным недостатком данного способа очистки является разрушение поверхностипри ее бомбардировке энергетичными ионами (с энергией в сотниэВ) и образование дефектов, а также частичное внедрение ионов вприповерхностные слои образца;4) создание чистой поверхности в СВВ путем осаждения тонкогослоя вещества на монокристаллическую подложку (методами термического испарения, молекулярно-лучевой эпитаксии, импульсного лазерного осаждения и пр.).В качестве примера экспериментальной СВВ установки нарис.1.2. приведены схема и фотография сверхвысоковакуумногокомплекса для импульсного лазерного осаждения и in situ анализаповерхности, сверхтонких слоев и нанокластеров методами РФЭС,ОЭС, СРМИ и масс-спектрометрии, созданная в межкафедральнойаналитической лаборатории МИФИ на базе электронного спектрометра XSAM-800 Kratos.Основные характеристики СВВ систем для анализа поверхности:1.
Все элементы вакуумной камеры изготовляются из нержавеющей стали, сваренной аргонно-дуговым способом, или из вакуумированной стали. Этот материал очень медленно коррозирует и медленно выпускает из себя растворенные газы.2. Вакуумные уплотнения (прокладки) делаются из металла (Auили Cu), а не из пластика, что предотвращает попадание в вакууморганических компонент и водяного пара, а также позволяет проводить общий прогрев установки.3.
Вся установка сконструирована так, что ее можно прогреватьдо ~ 470 К при работающих вакуумных насосах. Прогрев установкиприводит к ускорению десорбции водяного пара и других газов совсех внутренних поверхностей камеры и улучшению достижимогоуровня вакуума.274. Насосы, используемые для откачки СВВ камер, обычно являются безмасляными (диффузионными, ионными).5. Обычно система является комбайном, позволяющим проводитьанализ образца в одной вакуумной камере несколькими методами.6. Наличие нескольких СВВ камер в системе, которые могут бытьизолированы друг от друга заслонками:a) шлюзовая камера для ввода/вывода образца из атмосферы ввакуум без общей развакуумировки системы (поддержание СВВ вдругих камерах при загрузке образца);b) камера препарирования для проведения предварительных манипуляций с образцом (нагрев/отжиг, осаждение тонких слоев,ионное травление);c) камера анализатора для анализа подготовленной поверхности образца разными аналитическими методами; выделение измерительных устройств в отдельную камеру позволяет поддерживать их в условиях СВВ, что обеспечивает стабильность их характеристик;7.
Многоступенчатая система откачки камер, использующая различные вакуумные насосы:a) предварительная откачка от атмосферного давления до уровня p~10-2÷10-4 Торр (шлюзовая камера после ввода образца, камера препарирования и анализатора после полной развакуумировкисистемы, выходы высоковакуумных насосов для откачки СВВкамер) с использованием форвакуумных (механические роторныемасляные) или цеолитовых (безмасляных) насосов;b) откачка основных СВВ камер после достижения форвакуумадо уровня p~10-9÷10-11 Торр с использованием диффузионных иионных насосов.28Рис. 1.2. Схема устройства и внешний вид СВВ комплекса для импульсного лазерного осаждения и in situ исследования электронной структуры и топологии поверхности, сверхтонких слоев и нанокластеров в процессе их роста методамиРФЭС, ОЭС, СРМИ и масс-спектрометрии, созданный в лаборатории авторов набазе электронного спектрометра XSAM-800 Kratos: 1 – полусферический энергоанализатор, 2 – рентгеновский источник, 3 – электронная пушка, 4 – ионная пушка,5 – квадрупольный масс-спектрометр, 6 – камера для загрузки образцов, 7 – камерапрепарирования, 8 – заслонка, 9 – камера анализатора, 10 – прецизионный манипулятор, 11 – YAG:Nd лазер29Последовательность проведения эксперимента:1.
Достижение СВВ в основных камерах установки для исследования поверхности.2. Подготовка поверхности образца на атмосфере (предварительная очистка, полировка, скол, и т.д.).3. Загрузка образца в камеру препарирования через шлюзовуюкамеру с последующей откачкой камер до первоначального уровнявакуума.4. Подготовка поверхности образца в условиях СВВ (очисткаповерхности путем нагрева и/или ионного травления, напылениетонких слоев на образец).5. Перемещение образца на штоке в камеру анализатора в условиях СВВ.6. Анализ образца различными методами исследования.7. Выгрузка образца после анализа из СВВ камер на атмосферу.8. Обработка результатов анализа.30Глава 2. Рентгеновская фотоэлектроннаяспектроскопия2.1.
Общие замечанияИсторическая справкаМетод рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (x-raysphotoelectron spectroscopy, XPS) имеет также другое название, введенное его основоположником Каем Зигбаном (Kai Siegbahn) изУниверситета Уппаслы, Швеция – ЭСХА — электронная спектроскопия для химического анализа (electron spectroscopy for chemicalanalysis, ESCA).Рис. 2.1. Кай Зигбан (1918-2007), шведский физик, лауреатНобелевской премии по физике 1981 г.
«за вклад в разработку метода электронной спектроскопии высокого разрешения». До последних дней жизни работал в ЛабораторииАнгстрема Упсальского университета 5)Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия зародилась приисследовании фотоэффекта (открыт Герцем в 1887 г.), в ходе которого в качестве источника возбуждения фотоэлектронов использовалось рентгеновское излучение. Затем последовали исследованияРезерфорда, сделавшего в 1914 году первый шаг к выводу основного уравнения РФЭС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
