Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 25
Текст из файла (страница 25)
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.
В1511967 г. впервые явление рассеяния медленных ионов было применено как метод исследования поверхности при бомбардировке поверхности никеля и молибдена пучками ионов благородных газовHe+, Ne+ и Ar+ с энергией 3÷5 кэВ.4.2. Физические основы СРМИПроцесс рассеяния медленных ионов атомами поверхноститвердого тела достаточно точно описывается кинематикой парногосоударения упругих шаров. Для описания тонкой структуры спектров необходимо учитывать влияние окружающих атомов и периодичность поверхностной кристаллической решетки.Энергия рассеянного иона E1 полностью определяется массой атома-рассеивателя М, массой m и энергией Е0 рассеивающегося иона и углом рассеяния θ . Используя закон сохранения энергииE 0 = E1 + E 2и закон сохранения импульсаGGGmv 0 = mv1 + Mv 2 ,где индексы 0, 1 и 2 соответствуют налетающему иону, рассеянному иону и испытавшему отдачу атому поверхности, нетрудно получить так называемое кинематическое соотношение:E1 = kE 0 ,где коэффициент k называется кинематическим фактором и определяется выражениемk=1(1 + μ )2[cosθ ± (μ2− sin θ )21/ 2],2(4.2.1)где μ = M / m – отношение масс атома-рассеивателя и иона, знак«+» выбирается для случая μ > 1 (рассеяние на тяжелом атоме), изнак «-» - для μ < 1 (рассеяние на легком атоме).
Схематическигеометрия рассеяния представлена на рис.4.1.Энергия отдачи, приобретаемая поверхностным атомом,также пропорциональна энергии падающего иона и составляетE2 =4μcos 2 θ ⋅ E 0 .2(1 + μ )152(4.2)Таким образом, зная угол рассеяния, задаваемый геометрией установки (углом между ионной пушкой и анализатором) и массу иона,по энергии пика рассеянных ионов можно однозначно определитьмассу поверхностных атомов, на которых произошло рассеяние.Рис. 4.1. Схематичная диаграмма упругого двухчастичного соударения налетающего иона с массой m, кинетической энергией E0 и скоростью v0 и атома поверхности с массой M, кинетической энергией отдачи Е2 и скоростью v2 [5]Для каждого конкретного спектрометра значение угла θ либофиксировано (так, для спектрометра XSAM-800 фирмы Kratos онсоставляет θ = 125D ), либо может варьироваться.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
