Диссертация (1150480), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.3). Кривая( ) имеет минимум в области энергий 30–70 эВ, который соответствует выходу первичных электронов с глубины ∼ 5 Å. Типичные значения измеряемых методом ФЭС кинетических энергий фотоэлектронов составляют20–60 эВ (ультрафиолетовая ФЭС) и 100–1500 эВ (рентгеновская ФЭС), авеличина для данных диапазонов не превышает 3 нм, чем и обусловлена43высокая поверхностная чувствительность метода ФЭС. Существует несколько факторов, приводящих к рассеянию электронов внутри твёрдого тела:электрон-электронное взаимодействие, электрон-фононное рассеяние и энергетические потери электронов на возбуждение плазменных колебаний.Рис.
2.3. Универсальная кривая зависимости длины свободного пробега электрона поотношению к неупругим соударениям от его кинетической энергии .Наконец, на третьем этапе электрон проходит поверхностный потенциальный барьер на границе твёрдого тела и выходит в вакуум, где он детектируется.
В простейшем классическом случае, если на подходе к поверхностиэнергия электрона достаточна для преодоления барьера, он с вероятностью 1окажется в вакууме (рис. 2.2), если же энергия электрона ниже высоты порога, то вероятность выхода электрона в вакуум равна 0. Таким образом, привыходе из твёрдого тела отсекается часть рассеянных электронов с малымиэнергиями.Так как все этапы трёхступенчатой модели рассматриваются независимо, вероятность обнаружить первичный фотовозбуждённый электрон твёрдого тела в вакууме определяется как произведение вероятностей каждогоиз рассмотренных выше процессов.
Результирующий ФЭ спектр имеет вид,представленный на рис. 2.4, с характерным хвостом рассеянных электронов.44Рис. 2.4. Характерный вид ФЭ спектра.2.2. Метод ФЭС с угловым разрешениемФЭСУР является основным методом для получения дисперсионных зависимостей (⃗) заполненных электронных состояний валентной зоны кристаллов. Для исследований зонной структуры методом ФЭСУР обычно выбирают такие энергии фотонов, при которых происходит прямой переходэлектрона в возбуждённое состояние, т.е. изменение энергии фотоэлектронапроисходит при сохранении его импульса. Иными словами, импульс фотонадолжен быть пренебрежимо мал по сравнению с размерами зоны Бриллюэнакристалла.
С другой стороны, энергию фотонов не следует выбирать слишкоммаленькой, чтобы конечное состояние возбуждённого электрона описывалосьуже не блоховской волновой функцией, а плоской волной с параболическимзаконом дисперсии, иначе вместо плотности начальных состояний придётся иметь дело с приведённой плотностью начальных и конечных состояний.Обычно используемые в ФЭСУР энергии фотонов (20–60 эВ) удовлетворяютэтим требованиям. Таким образом, при фотовозбуждении происходит прямойпереход электрона из состояния в валентной зоне с квазиимпульсом , описываемого блоховской функцией, в состояние плоской волны с импульсом ,при этом = .45На рис. 2.5 схематически представлена связь между векторами импульса фотоэлектрона до (индекс ) и после () выхода из кристалла в вакуум.Удобно разложить эти векторы на составляющие, параллельные (|| ) и перпендикулярные (⊥ ) плоскости поверхности: = || + ⊥, = || + ⊥.Рис.
2.5. Изменение импульса фотоэлектрона при выходе из кристалла в вакуум.Поскольку при переходе через поверхность электрон теряет часть своейэнергии (на величину работы выхода), перпендикулярная составляющая импульса ⊥уменьшается, при этом параллельная компонента || сохраняетсяс точностью до вектора обратной решётки кристалла : || = || + . Еслирассматривать только первую зону Бриллюэна, т.е. работать в приведённойзонной схеме, можно считать || = || . При выходе электрона в вакуумпроисходит изменение направления его движения (угла на рис.
2.5). Знаяугол и измеряя кинетическую энергию движущегося в вакууме в данномнаправлении фотоэлектрона, можно получить следующее выражение для || :√︂|| = || = || sin =2 sin .ℎ̄2(2.3)Выражение (2.3) является основным в методе ФЭСУР. Экспериментальное исполнение метода представлено на рис. 2.6. Меняя полярный угол и46измеряя ФЭ спектр, можно получить набор данных (|| ), т.е.
дисперсионную зависимость в спроецированной на поверхность зоне Бриллюэна вдольнаправления, задаваемого азимутальным углом . Для двумерных систем, таких как графен, этого достаточно для построения полной картины дисперсиизон, потому что зона Бриллюэна двумерна. В случае же трёхмерных системситуация более сложная, так как для определения зависимости (⊥) необходимо получить спектры при разных энергиях фотонов.Рис.
2.6. Слева: вид через окно аналитической камеры на манипулятор с образцом и анализатор. Справа: экспериментальная реализация метода ФЭСУР. Пучок фотонов, попадая наобразец, вызывает эмиссию первичных и вторичных электронов, распределение по энергиии углам которых регистрируется с помощью полусферического анализатора.Поскольку данный метод требует измерений зависимости энергетического спектра фотоэлектронов от направления их движения , высокое угловое разрешение анализатора является одним из самых важных условий.
Впротивном случае, больша́я неопределённость по углу Δ может привести кошибке Δ, сравнимой с размерами зоны Бриллюэна.472.3. Ближняя тонкая структура рентгеновских спектровпоглощенияСпектроскопия поглощения рентгеновского излучения основана на измерении зависимости коэффициента поглощения излучения от энергии фотонов. Примерный вид такой зависимости приведён на рис. 2.7.
Её характерными особенностями являются: (i) наличие резких скачков в коэффициентепоглощения при определённых энергиях, называемых краями поглощения; (ii)за этими краями наблюдается убывание коэффициента поглощения; (iii) чутьвыше краёв видна так называемая тонкая структура, модулирующая коэффициент поглощения. Каждый край связан с переходом электрона с внутреннегоуровня определённого атома в незаполненные состояния.
Тонкую структурувблизи края поглощения делят на ближнюю (БТС) и дальнюю или протяжённую (ДТС) с весьма условным разделением по энергетическому диапазону:ℎ̄ < 50 эВ и 50–1000 эВ от края соответственно.Рис. 2.7. Характерные зависимости коэффициента поглощения рентгеновского излучения отэнергии фотонов [164]. На графике справа энергия фотонов отсчитывается от края поглощения.ДТС представляет собой малоинтенсивные осцилляции коэффициентапоглощения, связанные с интерференцией первичной фотоэлектронной волны48с вторичными волнами, однократно рассеянными в потенциальном поле атома и его ближайшего окружения. Меняя длину фотоэлектронной волны (приизменении ℎ̄), можно достичь выполнения условий конструктивной или деструктивной интерференции, что отображается в спектре поглощения в виделокальных максимумов и минимумов.В отличие от ДТС, интерпретации БТС невозможна на основании приближения однократного электронного рассеяния, поэтому зачастую описаниеБТС рентгеновских спектров поглощения (РСП) вызывает большие трудности.
Несмотря на это, исследование БТСРСП (англ. NEXAFS) является важнейшим и широко распространённым методом изучения кристаллической иэлектронной структуры незаполненных состояний твёрдых тел (или молекул), поскольку оказывается очень чувствительным к электронному состоянию поглощающего атома и его окружению [165].Для слоистых систем с 2 гибридизацией метод исследования БТСспектров поглощения позволяет получить информацию не только об интегральной плотности свободных состояний, но также выделить вклад в электронную структуру и орбиталей, а также определить их ориентациюотносительно плоскости поверхности образца. Для этого используется излучение с линейной поляризацией. Спектры поглощения снимаются при разных углах падения излучения на образец, и в зависимости от угла междунаправлением связи и вектором поляризации изменяется вероятность возбуждения электронов в состояния различной направленности.
Так, если связи находятся в плоскости поверхности образца, а перпендикулярны ей,то интенсивность переходов в * состояния будет максимальна при паденииизлучения по нормали к образцу, поскольку в этом случае вектор поляризации будет направлен вдоль связей. Вероятность перехода в * состоянияпри этом будет нулевой. Ситуация поменяется на противоположную, еслинаправить линейно поляризованное излучение по касательной к поверхностиобразца.49Существует несколько методов получения спектров БТС. Если образецдостаточно тонкий, то можно изучать поглощение «на просвет», непосредственно измеряя затухание интенсивности первичного пучка фотонов припрохождении образца. Другой подход основан на измерении выхода флюоресценции, которая является одним из способов релаксации возбуждённогосостояния атома с вакансией на внутреннем уровне, вызванной поглощениемпервичного фотона.
Можно анализировать и другой продукт распада возбуждённого состояния — Оже-электроны. Тогда распределение интенсивностивышедших с определённой энергией Оже-электронов в зависимости от энергии фотонов даст спектр поглощения в режиме Оже-электронного выхода.Если собирать все электроны, покидающие образец, т.е. измерять ток утечкис образца во время облучения фотонами, то получится спектр поглощения пополному квантовому выходу.
И наконец, из всего ФЭ спектра можно отсечьсамые медленные вторичные электроны, тогда можно измерить поглощениепо парциальному квантовому выходу. В данной работе использовался методполного квантового выхода.Для изучения БТСРСП необходим источник излучения, позволяющийварьировать энергию фотонов с достаточно малым шагом, поскольку важнаяинформация может содержаться в незначительном изменении энергетического положения (< 0.2 эВ), относительной интенсивности или расщеплениипиков тонкой структуры. Эксперименты по исследованию БТС проводятся сиспользованием синхротронного излучения.
Каналы вывода синхротронногоизлучения из накопителя в экспериментальную камеру содержат множествооптических элементов, например, фокусирующие зеркала и решётки монохроматора. Для корректной интерпретации спектров поглощения следует знатьзависимость интенсивности излучения на выходе из канала от энергии, таккак адсорбированные на оптике атомы таких элементов, как углерод, азоти кислород, поглощают часть фотонов с определёнными энергиями, приводя к появлению структурных провалов интенсивности света вблизи соответ50ствующих краёв. Для всех спектров БТС, представленных в диссертации,выполнены необходимые процедуры нормировки [166].2.4.
Дифракция медленных электроновВ данной работе ДМЭ использовалась для исследования кристаллической структуры поверхности формируемых систем, определения взаимногорасположения атомов графена относительно подложки, а также нахождения высокосимметричных направлений зоны Бриллюэна образца для методаФЭСУР.Экспериментальная реализация метода ДМЭ представлена на рис. 2.8.Основные аппаратные элементы — это электронная пушка, набор сеток (обычно три или четыре сетки) в виде сегментов сферы, флюоресцентный экрани камера для фиксации картины ДМЭ. Образец помещается в центр полусферы; электроны, эмитированные катодом электронной пушки, ускоряютсядо необходимой энергии первичного пучка (20–200 эВ), движутся в бесполевом пространстве в направлении поверхности образца и рассеиваются на егоприповерхностных слоях.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
