Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 22
Текст из файла (страница 22)
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. сопровождаться эмиссией оже-электрона). Вероятность излучательной и безызлучательной рекомбинации зависит отэнергии связи остовного уровня. Излучательная рекомбинация131преобладает при энергии ионизации (энергии связи) BE j > 10 кэВ.При этом энергия эмитированного рентгеновского излучения составляет единицы и десятки килоэлектронвольт, а глубина выхода –единицы микрон.
Таким образом, хотя положение линий характеристического рентгеновского излучения однозначно определяетсяэлементным составом образца, рентгеновская эмиссионная спектроскопия (или рентгеновский микроанализ) не является поверхностным методом, поскольку дает информацию об интегральном элементном составе поверхностных слоев образца толщиной в единицы микрон. Безызлучательная или оже-рекомбинация наиболеевероятна для уровней с BE j < 10 кэВ. При этом кинетическаяэнергия оже-электронов составляет KE jkl ~ 1 кэВ, а их длина пробега в материале образца – единицы нанометров.
Таким образом,ОЭС является поверхностной методикой.На рис.3.3 представлена зависимость вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации от атомного номераэлемента Z для К-оболочки [19]. Из рисунка видно, что для элементов с Z < 20 , что соответствует энергии BE j < 2 кэВ, вероятностьоже-рекомбинации много больше вероятности излучательной рекомбинации. Аналогичная зависимость имеет место и для другихэлектронных оболочек.Рис.3.3. Зависимость вероятности излучательной (флюоресценция) и безызлучательной (оже-эмиссия) рекомбинации от атомного номера элемента для Коболочки [19]1323.3.
Общий вид электронного спектра в ОЭСТипичный обзорный спектр ОЭС, полученный при энергии первичного электронного пучка E p = 1 кэВ, представлен на рис.3.4.Он состоит из следующих характерных областей:1) острый интенсивный пик упругорассеянных поверхностьюпервичных электронов с энергией KE = E p ;2) сателлиты пика упругорассеянных первичных электронов,главным образом – плазмонные сателлиты. Эти пики могут бытьиспользованы для характеристики чистоты поверхности образца,так как энергия плазмонных возбуждений зависит от диэлектрической проницаемости слоя на поверхности образца (см. выражение(2.75);3) широкий низкоэнергетичный пик неупругорассеянных первичных и вторичных электронов, возникающих вследствие каскадных оже-переходов.
Эти электроны ответственны за общий спектральный фон;4) оже-электронные пики небольшой интенсивности.Рис.3.4. Обзорный оже-электронный спектр серебра в интегральном I (E ) и диф-ференциальном dI ( E ) / dE виде. На вставке показан спектр отдельной линииоже-электронов в интегральном и дифференциальном виде [7, 17]133Для усиления слабых оже-электронных пиков используют ожеэлектронные спектры в дифференциальном виде: dI ( KE ) / dKE(см.
рис.3.4). Это позволяет:1) увеличить интенсивность слабых пиков, так как производная не зависит от интенсивности самого пика I (KE ) ;2) подавить фон неупругорассеянных электронов, которыйслабо зависит от энергии в окрестности анализируемого ожеэлектронного пика ( dI фон / dKE ~ 0 );3) облегчить определение положения широких ожеэлектронных линий.В дифференциальном виде положение пика принято характеризовать положением высокоэнергетичного минимума, которые несоответствует максимуму KE jkl оже-пика в интегральном видеI (KE ) , а отвечает значению KE jkl + W / 2 , где W – ширина спектральной линии. Использование высокоэнергетичного минимумаобусловлено тем, что он, как правило, является более четко выраженным для различных химических соединений одного и того жеэлемента (поскольку химический сдвиг в основном меняет структуру низкоэнергетичной части спектральной линии).3.4.
Расчет кинетической энергии оже-электронаРассмотрим несколько способов определения кинетическойэнергии оже-электрона KE jkl .1. В самом грубом приближении величину KE jkl в соответствиис законом сохранения энергии можно представить как разностьэнергий связи уровней, участвующих в переходе:KE jkl = BE j − BE k − BEl − ϕ .(3.1)Здесь ϕ – работа выхода материала образца.
Это выражение, однако, не учитывает эффекта релаксации, т.е. изменения энергии связиэлектронных уровней k и l в присутствии остовной дырки, а такжевзаимодействия дырок в конечном, дважды ионизованном состоянии (k , l ) .1342. Учет изменения значений BE k ,l в присутствии дырки на j и kуровнях, соответственно, для CVV оже-переходов можно провести вприближении эквивалентных остовов. В рамках данного приближения полагают, что для внешних электронных оболочек появление глубокой остовной дырки эквивалентно увеличению на единицу заряда ядра. При этом BE kZ,l ≈ BE kZ,l+1 . Тогда выражение (3.1)можно представить в виде:KE Zjkl = BE Zj − BE kZ +1 − BElZ +1 − ϕ .(3.2)3. Другой вариант учета того же эффекта был предложен Чангоми Дженкинсом (M.F.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
