Диссертация (1150282), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Анализ рентгеновского излучения,возникающего в процессе взаимодействия пучка электронов с образцом, позволяетполучать информацию о рельефе поверхности, о фазовом различии и кристаллическойструктуреприповерхностныхслоёв,атакжекачественноиколичественноохарактеризовать химический состав приповерхностных слоев. Энергодисперсионныйанализ основан на том, что электронный луч генерирует рентгеновские лучи в пределахобразца.
Многие из этих рентгеновских лучей имеют энергии, характерные дляэлементов,которыеихиспускали.Такимобразом,еслиизмеритьэнергиюрентгеновского излучения, то станет известно, какие элементы присутствуют в образце.Если тщательно контролировать инструментальные условия, то возможно определить нетолько присутствие конкретных элементов, но их концентрации.45Для исключения помех за счет накопления поверхностного заряда присканировании, поверхность исследуемого методом СЭМ образца должна бытьэлектропроводящей.Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхностиобразца, но и визуализировать информацию о свойствах объемных структур.2.4. ИК-Фурье спектроскопияИК-Фурье спектроскопия является современным методом спектрального анализав инфракрасной области и обозначает метод измерения ИК спектров с использованиемпреобразования Фурье [90].Инфракрасная спектроскопия была основным рабочим методом лабораторногоанализа материалов на протяжении более чем 70 лет.
В ИК-спектроскопииинфракрасное излучение проходит через образец. Образец поглощает часть излучения, ачасть пропускает. Инфракрасный спектр представляет собой «отпечаток пальцев»образца с полосами поглощения ИК излучения, которые соответствуют частотамколебаний связанных атомов, составляющих молекулы исследуемого образца. ИКспектры наряду с ЯМР-спектроскопией позволяют установить химическую структуруизучаемого вещества.
Так как каждое вещество представляет собой уникальнуюкомбинацию атомов, то не бывает двух соединений с одинаковыми инфракраснымиспектрами. Поэтому инфракрасная спектроскопия позволяет проводить идентификациюматериалов самого разного рода (при качественном анализе). Кроме того, интенсивностьполос в спектре – это прямое указание на количество компонента в материале.Благодаря современным программным алгоритмам, ИК спектроскопия являетсяпревосходным инструментом для качественного и количественного анализа.Метод ИК спектрометрии с Фурье-преобразованием (ИК-Фурье) был разработан сцельюустранитьограничения,встречающиесяприработесдисперсионнымоборудованием. Главной трудностью был медленный процесс сканирования.
Требовалсяметод, в котором все инфракрасные частоты измерялись бы одновременно, а не поотдельности. Решение было найдено в виде такого простого оптического прибора, какинтерферометр. Интерферометр производит единственный тип сигнала, в котором«закодированы» все инфракрасные частоты. Сигнал можно измерить очень быстро, за46время порядка одной секунды. Таким образом, время, затрачиваемое на образец,уменьшается с нескольких минут до нескольких секунд.Поскольку аналитику для идентификации вещества требуется спектр частот(значенияинтенсивностивзависимостиототдельнойчастоты),полученнаяинтерферограмма не может быть обработана непосредственно. Требуется способ«декодирования» (расшифровки) отдельных частот.
Это можно осуществить с помощьюизвестного математического метода, называемого преобразованием Фурье [91]. Оносуществляется компьютером, который после обработки сигнала выдает пользователюжелаемую информацию о спектре для анализа (рис.2.3.).Рис.2.3. Получение информации о спектре для анализа.Поскольку требуется шкала интенсивности поглощения, необходимо также снятьспектр фона. Обычно это измерение проводится без образца. Его результат сравниваютс проведенным измерением образца, чтобы определить «процент пропускания». Послепредварительной регистрации фона (атмосферы) в результирующем спектре образцаотсутствуют полосы, обусловленные фоном и особенностями прибора. Таким образом,все полученные спектральные особенности образца отражают именно свойства самогообразца. Одно измерение фона может использоваться для серии измерений образцов,поскольку спектр фона является параметром самого прибора.2.5.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) — количественныйспектроскопическийметод,позволяющийопределитьэлементныйсостав,эмпирическую формулу, химическое и электронное состояние атомов, присутствующих47в материале. Метод был предложен шведским физиком Каем Зигбаном в середине 60-хгодов прошлого века, работы которого были отмечены впоследствии (1981г.)Нобелевской премией. Изначально метод был применен для исследования электроннойструктуры атомов и молекул в газовой фазе, однако в дальнейшем наиболееинтенсивное развитие и распространение получили методики исследования твердоготела.Этот метод химического анализа поверхности может быть использован дляанализа химического состояния материала как в его первоначальном состоянии, так ипосле некоторой обработки, например скола, разреза или очистки в воздухе илисверхвысоком вакууме для исследования внутреннего химического состава образца,облучения высокоэнергетическим пучком ионов для очистки поверхности отзагрязнений, нагрева образца, чтобы изучить изменения вследствие нагревания,помещения в атмосферу реактивного газа или раствора, облучения ионами с целью ихвнедрения, облучения ультрафиолетовым светом.Спектры РФЭС получают облучением материала пучком рентгеновских лучей срегистрацией зависимости количества испускаемых электронов от их кинетическойэнергии.
Исследуемые электроны испускаются верхним слоем исследуемого материалатолщиной 1-10 нанометров. РФЭС проводится в сверхвысоком вакууме. Кинетическаяэнергия фотоэлектронов E , регистрируемых в эксперименте определяется уравнением:kinhν=E +E +φb(2.4)kinЭнергия связи E может рассматриваться как разность энергий между основным иbконечным состоянием атома после того как фотоэлектрон покинул атом, φ – работавыхода спектрометра (в случае проводящего образца).
Существует некотороераспределение вероятности возможного конечного состояния атома после ионизации,чтоприводитксоответствующемураспределениювкинетическойэнергииэмитированных электронов. Разница в сечении ионизации различных уровнейотражается в интенсивности линии спектра фотоэлектронов. При ионизации уровней p,d, f происходит разделение конечного состояния по энергии в зависимости от спинорбитального момента (p1/2, p3/2, d3/2, d5/2, f5/2, f7/2) что приводит к раздвоению48соответствующихлинийспектра(дублеты).Отношениеспин-орбитальногорасщепления составляет 1:2 для р-уровней, 2:3 для d-уровней b 3:4 для f-уровней.Пример спин-орбитального расщепления приведен на рис.2.4. Спектры обычно принятопредставлять в виде зависимости интенсивности от энергии связи E , котораяbотсчитывается от энергии Ферми принятой за ноль по определению E =0.FРис.2.4.
Спин-орбитальное расщепление на примере линии Si 2p.Для определения химического состояния элементов на поверхности образцанеобходимо снять отдельный спектр наиболее интенсивной лини элемента неперекрывающейся с линиями других элементов присутствующих на поверхности.Диапазон энергий связи, в котором снимается спектр линии зависит от наличия спинорбитального расщепления, крутизны фона рассеянных электронов, интенсивностиособенностей энергетических потерь и наличия близко расположенных линий другихэлементов [92].Спектр фотоэлектронов получаемый в эксперименте содержит различные группыэлектронов образующихся как в результате взаимодействия рентгеновского излучения сатомами вещества, так и в результате взаимодействия фотоэлектронов с энергетическойструктурой твердого тела в процессе их движения к поверхности.
К первой группеотносятся характерные линии фотоэлектронов, полученные при ионизации внутреннихэлектронных оболочек атомов и валентной зоны образца, а также образующихся врезультате Оже-процессов (по имени французского физика Pierre Auger предложившегомодель этого процесса). Оже-процесс – трехступенчатый процесс возникающий при49ионизации одной из внутренних оболочек атома (I-ая ступень), рекомбинации вакансииэлектроном с более высокоэнергетичной оболочки или из валентной зоны (II –ступень),передачей разницы в энергии третьему электрону также покидающему атом ирегистрируемому в эксперименте (III – третья ступень) [93].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
