Материал: 684_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_spektroskopii_

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ)

Н. И. Филимонова

А. А. Величко

Н. Е. Фадеева

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Учебное пособие

Новосибирск

2016

УДК [543.4:621.38](075.8)

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ

Рецензенты:

к.ф-м.н., руководитель группы электронной микроскопии ИФП СО РАН А. К. Гутаковский

к.т.н, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники СГУГ Д. В. Чесноков

Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е. Методы электронной спектроскопии : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 68 с.

Учебное пособие «Методы электронной спектроскопии» содержит подробное описание физических основ и экспериментальных методов определения физических и структурных свойств материалов методами электронной спектроскопии. Рассматриваются вопросы применения данных методов в современной науке, технике и технологии.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиль «Интегральная электроника и наноэлектроника» для дисциплины «Методы диагностики и анализа микро и наноструктур»

Кафедра технической электроники

В авторской редакции

© Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е., 2016Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Впредлагаемом учебном пособии описаны методы электронной спектроскопии, применяемые для исследования поверхностных и объемных свойств твердых тел. Эти аналитические методы широко используются при создании новых полупроводниковых и диэлектрических материалов, наноструктур, новых типов приборов. Особенно актуально применение методов электронной спектроскопии при отработке технологии получения полупроводниковых гетероструктур и наноструктурированных материалов.

Предлагаемое пособие будет полезным для направления подготовки 210100 (11.04.03) «Электроника и наноэлектроника», в которых значительные части отдельных изучаемых дисциплин базируются на одних и тех же методах исследования.

Всвязи со сказанным, мы попытались с единых позиций осветить основные методы исследования, применяемые в области материаловедения и показать особенности использования этих методов для анализа свойств различных микро- и наноразмерных объектов.

Вданном пособии описаны спектральные методы для определения зонных и структурных параметров объемных полупроводниковых материалов и их поверхностных свойств.

Целью пособия также является ознакомление студентов с основными физическими принципами работы измерительных приборов и систем, акцентирование внимания на достоверность и точность измерения параметров материалов.

Важно отметить, что при формировании структуры и содержания методического пособия были приняты во внимание программы учебных курсов

врамках ГОС 3 и ГОС 3+.

3

1.МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

1.1.Введение

Для исследования твердых тел используется множество различных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о химическом составе, кристаллической структуре, распределении примесей и многих других свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес. В настоящее время особое значение придается методам анализа поверхности. Когда говорят о поверхности твердого тела, то чаще всего имеется в виду граница раздела между газообразной и твердой фазами. Столь пристальное внимание к поверхности связано с ее уникальными свойствами, которые, с одной стороны, в сильной степени влияют на характеристики самого твердого тела, а с другой - могут быть использованы для создания приборов и устройств нового поколения. В подавляющем большинстве методов анализа поверхности используются различного рода явления, происходящие при воздействии на нее корпускулярных частиц и электромагнитных излучений.

Если такого рода воздействия приводят, например, к испусканию электронов, а информацию о свойствах поверхности получают при анализе электронных спектров, то говорят о методах электронной спектроскопии. В отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, легко регистрируются и поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет достаточно просто проводить количественный анализ поверхности, то есть получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов.

Электроны

Ионы

Фотоны

Фотоны

Рис. 1.1. Схема принципов работы спектральных методов, основанных на электронном, ионном и фотонном облучении.

К спектральным методам обычно относят методы исследования поверхности твердых тел, основанные на анализе энергетических спектров отраженных излучений, возникающих при облучении изучаемого материала электронами, ионами и фотонами (рис.1.1). Пучок частиц либо упруго рассеивается, либо вызывает электронный переход в атоме.

Энергия вылетающей частицы позволяет идентифицировать атом, а интенсивность частиц дает информацию о количестве таких атомов, что

4

позволяет провести, например, анализ элементного состава образца. Анализ энергии электронов, испускаемых с поверхности образца, дает информацию об энергетических уровнях электронов приповерхностной области исследуемого объекта. Эти уровни можно разделить на две группы: остовные уровни атомов (или уровни внутренних оболочек) и валентные уровни.

Остовные уровни атомов или глубокие уровни

Эти уровни соответствуют электронным состояниям единичного атома и, в значительной степени, являются характерными для данного атома. Полагают, что энергетическое положение этих уровней слабо зависит от того, находится ли атом в объеме твердого тела, на поверхности ли, или свободен.

Энергия связи, соответствующая глубоким уровням превышает 10-20 эВ. Методы электронной спектроскопии, основанные на обнаружении остовных уровней атомов, позволяют определить химическую природу поверхностных атомов и получить информацию об их локальном химическом окружении.

Косновным методам спектроскопии глубоких уровней относятся:

-Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС/XPS);

-Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES).

Валентные уровни

Это энергетические уровни электронов, характеризующиеся меньшими энергиями связи, соответствуют валентной зоне твердого тела и связывающим орбиталям адсорбированных поверхностью молекул. Данные состояния слабо локализованы и потенциально очень чувствительны к локальному химическому окружению поверхностных атомов.

Наиболее широко используемым методом исследования данных уровней является ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС/ UPS).

Методов исследования поверхности в настоящее время известно несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное или особенное применение в области исследования наноматериалов. В связи с этим ниже будет рассмотрен ряд методов, которые с одной стороны по своим возможностям представляют интерес именно для изучения наноматериалов, а с другой - являются наиболее иллюстративными и достаточно широко используемыми.

5