Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию (1027508), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Этот метод служит аналогом рентгеноструктурного анализа, применяемого для исследования кристаллической структуры в объеме вещества.При дифракции на кристалле электроны малых энергий способныпроникать лишь в поверхностные слои, и поэтому дифракция таких электронов на регулярно расположенных атомах предоставляет сведения оструктуре поверхности. Это помогает использовать дифракцию медленныхэлектронов как чувствительный метод наблюдения поверхностных структурных превращений.В последнее время все большую популярность приобретают комбинированные методы исследования поверхности.
Например, электроннаяоже-спектроскопия образца производится практически одновременно срассеянием на нем медленных электронов, а также ионов, атомов и рентгеновских лучей. Поэтому вакуумная камера, в которую помещается образец, обычно имеет множество вводов и позволяет использовать сразу несколько зондирующих агентов.Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС) была разработана в середине 1960-х годов Сегбаном и соавторами, за что он былудостоен Нобелевской премии в области физики в 1981 году. Первоначально эта методика именовалась электронной микроскопией для химического анализа.
В дальнейшем, по мере развития других методик электронной микроскопии, РФС получила широкое распространение для исследований поверхностей. На поверхность материала направляется пучок рентгеновского излучения. Это приводит к эжекции электронов с различнымиэнергиями. Они покидают образец и попадают в электронный спектрометр,регистрирующий эмитированные электроны с последующим анализом взависимости от их кинетической энергии.116РФС широко применяется при изучении атомного состава поверхности вещества и окружающей ее химической среды (например сил сцепления атомов или окисления поверхности), состоящей из любых элементов,кроме водорода и гелия.
Следовательно, РФС является одной из основныхметодик исследований наноструктурированных материалов, у которых наноэффекты активно проявляются на поверхности.Несмотря на то, что рентгеновские лучи могут проникать вглубь вещества на десятки микрометров, эжектируемые электроны, достигающиеанализатора, эмитируют из верхнего слоя толщиной в десятки ангстрем.Когда падающий фотон взаимодействует с электроном, обладающим энергией связи ЕВ и находящимся на внутренней оболочке (основном уровне)атома, возникает фотоэлектрический эффект, но при условии, что энергияфотона превышает ЕВ. Рентгеновское характеристическое излучение регистрируется кристаллическим (волноводисперсным) или полупроводниковым (энергодисперсным) спектрометрами, которые взаимно дополняютдруг друга.
В первом случае рентгеновское излучение после отражениякристаллом спектрометра попадает в газовый пропорциональный счетчик,а во втором – рентгеновские кванты возбуждают сигналы в полупроводниковом охлаждаемом (для снижения шума) детекторе из кремния, легированного литием, или из германия. После усиления сигналы спектрометровмогут быть поданы на модулятор ЭЛТ и на ее экране возникнет картинараспределения того или иного химического элемента по поверхности объекта.На РЭМ, оснащенном рентгеновскими спектрометрами, производятлокальный количественный анализ: регистрируют число импульсов, возбуждаемых рентгеновскими квантами от участка, на котором остановленэлектронный зонд. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов-анализаторов с различными межплоскостными расстояниями дискриминирует с высоким спектральным разрешением характеристическийспектр по длинам волн. Полупроводниковый спектрометр дискриминируетрентгеновские кванты по их энергиям и регистрирует одновременно всеэлементы.
Его спектральное разрешение ниже, чем у кристаллическогоспектрометра, но выше чувствительность. Имеются и другие преимущества: быстрая выдача информации, простая конструкция, высокие эксплуатационные характеристики.Отражательная способность рентгеновского излучения образцом основана на интерференции лучей от различных границ раздела, в то время117как дифракция рентгеновских лучей возникает в результате интерференции их части, дифрагировавшей на элементах периодической кристаллической решетки.РФС требует наличия сверхвысокого вакуума для предохранения поверхности от загрязнения и увеличения длины свободного пробега эмитировавших электронов. Загрязнения опасны, прежде всего, потому, что из-завысокой чувствительности РФС они сильно влияют на получаемый эмиссионный спектр.
В соответствии с кинетической теорией газов давление недолжно превышать 10-8.Установка РФС содержит источник рентгеновского излучения, анализатор и детектор (приемник) электронов. Для профилирования глубиныв состав аппаратуры вводятся ионный инжектор (ионная пушка) и анализаторы отклоняющего типа, разделяющие электроны с определеннымиэнергиями по различным траекториям на их пути к детектору (рис. 2.44).Рис. 2.44. Измерительная схема РФССуществует несколько типов анализаторов с различной геометриейвзаимного расположения их составных частей.
Наиболее известны цилиндрический зеркальный анализатор, 127-градусный анализатор и концентрический полусферический анализатор, который используется чаще всего. Он состоит из двух концентрических металлических полусфер. Междуними создается разность потенциалов и образуется электрическое поле, вкоторое инжектируют электроны, направляемые в промежуток между по118лусферами. Высокоскоростные электроны бомбардируют наружную полусферу, а медленные притягиваются внутренней полусферой. В результатетолько электроны, обладающие энергией в определенном узком диапазонеее значений (энергией пролета, pass energy), пролетают вдоль всей полуокружности и попадают на детектор.Высокоэнергетические ионы из ионного инжектора бомбардируютповерхность образца, предназначенного для проведения анализа.
В результате для очистки поверхности от загрязнений или глубинного профилирования удаляются несколько монослоев. Источником образования ионовслужит инертный газ (обычно аргон).Полученные в результате столкновений с электронами положительнозаряженные распыленные ионы ускоряются с энергиями в диапазоне 0,5 –10 кэВ и фокусируются на поверхности образца, производя ее протравливание для последующего анализа по глубине.РФС в настоящее время является наиболее широко применяемой методикой детального изучения поверхностей наноструктур, позволяющейполучать информацию о концентрации атомов и разновидностях химических сред на анализируемой поверхности наноструктуры. Однако аппаратура, работа с ней и обработка полученных данных требуют большоговнимания.
Методика очень полезна в нанотехнологии, так как уменьшениеразмеров увеличивает важность и значимость роли поверхностей. Ионныйинжектор позволяет проводить изучение глубинных профилей. Более того,РФС позволяет со значительно большей точностью определять параметрытонких пленок. Эта методика весьма полезна при изучении поверхностейнанопорошковых образцов материалов.Рамановская спектроскопия. Эластичное рассеяние фотонов молекулой называется рэлеевским рассеянием. Однако небольшая часть фотонов (примерно 1 из 107) претерпевает упругое рассеяние по причине изменений элементарных возбуждений исследуемого материала. Если лазерноеизлучение в диапазоне длины волн от ближнего УФ до ближнего ИК(включая видимый участок) падает на образец, то фотоны, порождаемыеэластичным рассеянием молекул, образуют излучение с длиной волны, отличной от таковой у падающего пучка, и порождаемое изменениями движения молекул.
Этот эффект был открыт в 1928 году индийским ученымРаманом и получил название рамановского рассеяния. Оно связано с изменением колебательной энергии молекул. Иными словами, имеет место рождение фонона (стоксов процесс) или его аннигиляция (антистоксов про119цесс). Количество фононов в возбужденном состоянии зависит от температуры.
Если возникновение рамановского эффекта, длящегося не более10-14 с, выглядит достаточно простым, то теория рамановского рассеяниядалеко не элементарна. Для ее объяснения необходимо привлечение аппарата теории групп и теории возмущений высоких порядков.Раман в качестве источника монохроматического излучения использовал отфильтрованное солнечное излучение, цветной фильтр в качествемонохроматора, а приемником излучения служил глаз. Поскольку интенсивность рассеянного рамановского излучения чрезвычайно мала, потребовался мощный источник монохроматического излучения, что стало возможным только после появления лазера (рис.
2.45).Рамановский спектрометр может быть дисперсионным или недисперсионным. Дисперсионные приборы содержат дифракционную решеткуили призму, разделяющие пучки на цветовые составляющие. Недисперсионные приборы базируются на интерферометре Майкельсона и именуютсярамановскими спектрометрами с преобразованием Фурье (FT-Raman).В универсальных дисперсионных приборах используются двойные итройные монохроматоры. В усовершенствованные рамановские спектро120метры вводятся различные оптические элементы типа узкополосныхфильтров, конфокальных диафрагм, микроскопов и поляризаторов.Быстродействие рамановской спектроскопии позволяет исследоватьизменения фазы образцов (аморфных или кристаллических), изменения ихразмеров и механические напряжения в нанокристаллах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
