Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В !954 г. был получсн первый РФЭС спектр 1чаС1 с отдсльными пиками и введен тсрмип ЭСХА, более точно отражающий назначение метода 1так как в РФЭС есть нс только фото-, но и ожс-элсктроны). В 1958 г. появилась работа по различспию мстодом РФЭС могалличсской меди и сс оксида СИО. Начало 1970-х годов с улучшснисм мстодов получения СВВ ознаменовалось появлением первых стандартных фотоэлектронных спектрометров.
Отличительные особенности РФЭС ° Иссяег)О11гп1ие прип1211ерэпп21з21пыт слоев. Толцина анализирусмого слоя определяется средней длиной свободного пробега 2 1',СДСП) фотоэлсктронов относптсльно нсупругих столкнавсний, которая составзяог 2 = 5 — 25 А для мсталлов и оксидов и 2 = 40 — 1ОО А для органических материалов и полимеров. ° НеР11зРУшгп1РЩи11 .а1еп11212 к12~тУР12л21 п1211СРРгн121зп111 Рснтгсновскос излучснис пс создает паврсждсний образца, имеющих мсста нри ионной и электронной спсьгроскопни.
° Чиггсп1111ппсзы10сзпь и эгРьг1лы1гРи эпсРгп1/РОПИО11 плРРп!пООРпп. ЛПО- лаз .т1ы111чсскО:О соппаь11 гРбр11зц12а Химичсскис сдвиги наблюдаются и в ожс-спсктроскапии, однако интсрпрстировать их сложнсс, так как кинстичсская энсргия ажс-элск гранов определяется энергиями трех уровней ожспсрсхода.
Мстоды СРМИ и ВИМС прямой информации о химическом сдвиге нс дают. Поэтому РФЭС в этом смыслс прсдставляст собой уникальный инструмент. 2.2. Физические принципы РФЗС Мстод основан на явлснии фотоэффскта, т.с. поглощении веществом рснтгсновскога излучсния с энсрг11сй Ь* (6=6.622'10 з~ Дж.с=6.62к10 эрг с — гюстая~Пая Планка, и — час1ота излучения) с послсдующсй эмиссисй фатоэлсктрона.
32 Уравнснис фотоэффекта, получсннос Эйннтсйном и прсдставляющее собой закон сохранснпя энсргии„ для проводников имсет следующий вид: Ьк = КЕ+ ВЕ;+ д, (2.1) гдс КŠ— кинстичсская энергия фотозлсктрона, ВЕ; (от англ. Ь(пйпя спсгду) — знсргия связи элсктропа на злсктрошюм уровнс у в атоме псслсдусмого всщсства, отсчитываемая относитсльно уровня Ферми,(в — работа выхода матсриала входной щсли знсргоацализатора («работа выхода спеьгромстра»).
Из уравпсния (2.1) следует, что рснтгсновский квант можст возбудить любую атомную оболочку с знсргисй связи ВЕ, < Ь, однако разлпчис всрояпюстсй фотопонизации разных электронных оболочек приводит к неодинаковой пнтснсивности спектральных линий. Рис. 2.2. Схсматичсскас црсяс~вввсиис ироцсссав фатаиаиизвции (а). фатазииссии (о), рсип сиавской фигоорссцсициц (и) и ожс-рскомбиивции (:) После фотозмиссии на )-м уровпс в атомс возникает вак;и)сия. Такое состоянис является энсргетически невыгодным, поэтому она заполнястся элсктроном с болсс высокого энсргстичсского уровня А, в результате чего выдслястся энсргия, равная разности энергий связи двух уровней ЛВЕ=ВŠ— ВЕ),.
Эта энергия мажет быть либо выделена в видс кванта электромагнитного излучения Ар=ЛВЕ (такис элсктронныс переходы называк)тся и;и|учазсль- 33 ными), либо пойз.и на ионизациго другого электрона с уровня ! при условии ВЕ) < ЛВЕ. В результате последнего процесса, называемого ожс-переходом с участисм трех электронных уровней у, А' и 1, происходит эмиссия ажс-электрона с кинетической энергией КЕ ~~ = ВŠ— ВЕ~. — ВЕ~ — аз.
Р2) В результате в конечном состоянии после эмиссии ожсэлектрона атом находится в дважды ианизованном состоянии, в отличие от конечного состояния при излучатсльнам переходе„каторос однократна ионизавано. Схематическое представление начального и конечного состояний описанных процессов показано на рис.2.2. Е„ Е„ 1 Е я Е„ 1 1 1 ) 1 1 $3 Рнс.
2.3. Схскга измсрсния знсргин связи в РФЭС'. лзя мстаялиисского образца в контакгс со сиск~ромсгром ~а) и изолированного ог коитакга со сискгромстром (б): лк — квант рсипсиовского излунсния. иоглогцсиис когорого соировогкдастся фотононизациса злсктрониого уровня образца Е,,; Ек — уровсги Форин образцги Е,.— уровсиь вакуума; гр,, — работа вь кола образца; сз„— работа микола сисктроммра; ВЕ; — зисргия связи ззсктрона иа уровне Еь оирсаслясмая огноснтсльно уровня Форин образца: АЕ' — кинстичсская знсргия фотозлсктроиа. покидакицсго образсц; КŠ— киистизсская знсргия фотозлскгроиа. рсгис~рирусмая зисргоаиализаз ором ) ) 3, ) 4) Схема измерения энергии связи в мстадс РФЗС для металлического образца представлена на рис.2.3. В том случае, когда между спсктромстром и образцам имеется электрический контакт, проис- 34 ходит выравнивание уровня Фсрми во всей системс «образсцспектрометр» (рис.23, а). Для проводящих образцов отсчст энергии связи 8Е проводится относительно уровня Фсрми.
Кинетическая энергия покидающего образец фатоэлскгрона, согласно (2.1), составляст КЕ = Ьи — ВŠ— р, (2.3) здесь (д — работа выхода матсриала образца. Поскольку работа вы- хода материала входной щели спсктрометра (д„„в общем елучас нс равна работс выхода матсриала образца, в области между образцом и входной щслью спсктромстра имсется электрическое поле, дсйствие которого па фотоэлсктроп приводит к измснспию его кипсгичсской энсргии.
Разчюсть работ выхода (д — д,„, определяет различис в положснии уровней вакуума Е„„,, т.с. уровнсй энергии, для которых КЕ = О, для фотоэлсктрона на вылстс из образца и на входе в анализатор спсктрометра. Это приводит к тому, что измеряемая анализатором кинстичсская энергия фотоэлсктрона КЕ' огличастся от значения, опрсделясмого выражснисм (2.3), на величину КЕ' = А~ — ВŠ— (д„, „ КЕ'+ р,„= КЕ + д . (2.4) Таким образом, энергия связи элсктрона можст быть опрсдслсна из измсрясмой анализатором кинстической энергии КЕ' и извсстного для спсктромстра значсния (д„, (которос опрсдслястся при калибровкс спсктромстра, т.с. измсрснии положсния извсстиой спектральной линии эталонного образца, напримср, линии золота Ац4~~,.
): ВЕ = Ь вЂ” КЕ' — (д,. (2.5) В случае нспроводящего или изолированного от контакта со спсктромстром образца (рис.2.3, б) выражсние (2.5) становится нсверным, поскольку положенис уровней Фсрми в матсриалс спсктромстра и образца (для изолированного проводящего образца] уже пс совпадаст (для пспроводящсго образца понятие уровня Ферми теряст смысл). К тому жс, для таких образцов может иметь места эффект статической зарядки, приводящий к появлснию дополни- тельного потенциала па повсрхности образца. Для опрсдслсния положений спектральных линий в этом случас нсобходимо провсдснис процсдуры казшбровки по извсстпой линии в спсктрс.
2.3. Качественный анализ спектров Все химические элемепгы различаются строением атома. Измеряя энсргию связи элсктронов в атомах исслсдусмого всщсства (положснис спектральных линий), можно полу шть гпн1юрмацию об элсктронной структуре атома и, тсм самым„идентифицировать химичсскнс элсмснты.
Для этой цслп сначала получают так пазывасмый ибзприый снекшр образца, т.е. полный спектр кинсгичсских энергий фотоэлсктронов от КЕ=О до КЕ=-Ь:, прописываемый для экономии врсмсни с низким разрешением и позволяющий опрсдслить энсргии связи основных фотоэлектронных инков с точностью в нссколько элсктронвольт. Далсс для дстального анализа прописывают отдсльныс спсктральныс линии (часпи~чный сиекшр) в узком интсрвалс энсргий (обычно ~5='1О эВ относительно положения пика) с болсс высоким разрсшснисм.
Любой элсмснт даст одну или оолсс спск~~льных линий. Линия с максимальной иптспсивносгыо называстся основной н ооычно используется для идентификации элсысн.га в спектре. Особспностыо мстода РФЭС являстся нсвозможность рсгистрации в спектрах линий водорода и гелия. 2.3.1. Снекгросконические обозначения уровней Состояние элсктрона в атоме может быть описано четырьмя квантовыми числами: главным квантовым числом п=-О, 1, 2, ...; орбитальным квантовым числом 1=0„1„2, ..., п-1, определяющим проскцию вектора орбитального момснта элсктропа ( „синцовым квантовым числом х=!6 и квантовым числом у, определяющим значснис полного момснта количсства движения электрона у .
Спины, орби гальныс и полныс момснты отдсльных элсктронов в атомс определяют значсния суммарного спина 5, орбитального Ь и полного .У момснта атома. Сущсствуст нссколько методов определения полного момента атома, различающихся способами суммирования элсктронпых момснтов. Использование того или иного метода зависит от силы электронного взаимодействия в описывасмом атомс. различают два прсдсльных типа элсктронной связи и соотвсгствующих правил суммирования момснтов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
