Физические основы методов исследования наноструктур (1027625), страница 6
Текст из файла (страница 6)
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.
После первой мировой войны исследованияпроводились Робинсоном и Морисом де Бройлем. К 1920-м годамбыли получены спектры многих элементов. В 1925 г. Пьером Оже(Pierre Auger) был открыт эффект электронных переходов, названный его именем. С 1940-х годов в университете г. Упсала (Швеция)группа Зигбана исследовала спектроскопию бета-излучения. Былсделан вывод о возможности реализации электронной спектроско5)Фото с сайта: http://nobelprize.virtual.museum/nobel_prizes/physics/laureates/198131пии с возбуждением, при помощи рентгеновского излучения вместоиспользования радиоактивных источников. В 1954 г.
был полученпервый РФЭС спектр NaCl с отдельными пиками и введен терминЭСХА, более точно отражающий назначение метода (так как вРФЭС есть не только фото-, но и оже-электроны). В 1958 г. появилась работа по различению методом РФЭС металлической меди иее оксида CuO. Начало 1970-х годов с улучшением методов получения СВВ ознаменовалось появлением первых стандартных фотоэлектронных спектрометров.Отличительные особенности РФЭС•••Исследование приповерхностных слоёв. Толщина анализируемого слоя определяется средней длиной свободного пробега λ(СДСП) фотоэлектронов относительно неупругих столкновений, которая составляет λ = 5–25 Å для металлов и оксидов иλ = 40–100 Å для органических материалов и полимеров.Неразрушающий метод контроля поверхности: рентгеновскоеизлучение не создаёт повреждений образца, имеющих местопри ионной и электронной спектроскопии.Чувствительность к локальной электронной плотности.
Анализ химического состава образцов.Химические сдвиги наблюдаются и в оже-спектроскопии, однако интерпретировать их сложнее, так как кинетическая энергияоже-электронов определяется энергиями трёх уровней ожеперехода. Методы СРМИ и ВИМС прямой информации о химическом сдвиге не дают. Поэтому РФЭС в этом смысле представляетсобой уникальный инструмент.2.2. Физические принципы РФЭСМетод основан на явлении фотоэффекта, т.е. поглощении веществом рентгеновского излучения с энергией hν (h=6.62×10-34Дж⋅с=6.62×10-27 эрг⋅с – постоянная Планка, v – частота излучения) споследующей эмиссией фотоэлектрона.32Уравнение фотоэффекта, полученное Эйнштейном и представляющее собой закон сохранения энергии, для проводников имеетследующий вид:hν = KE + BEj + φ,(2.1)где КЕ – кинетическая энергия фотоэлектрона, ВЕj (от англ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
