Материал: 684_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_spektroskopii_
1 |
(2.4) |
|
Nn |
||
|
||
|
где N – атомная плотность материала мишени; n – число электронов на ионизируемой оболочке; σ – сечение ионизации атомных уровней.
Теоретический расчет глубины выхода чаще всего не обеспечивает достаточную точность для количественного анализа. Чтобы определить глубину выхода электронов (длину свободного пробега) из вещества, регистрируют поток эмитированных из твердого тела электронов, как функцию толщины нанесенных внешних слоев различных материалов.
На рис. 2.4 представлен график экспериментальных значений длины свободного пробега (глубины выхода) электронов до неупругого рассеяния в различных материалах как функции кинетической энергии вторичных электронов, называемый «универсальной кривой».
Глубина выхода, нм
|
Ag |
|
|
Au |
2,5 |
|
|
Mo |
|
|
|
|
|
|
2,0 |
Ag |
|
|
C |
|
|
|
||
1,5 |
|
|
W |
C |
|
|
|
C |
|
1,0 |
|
Ag |
Fe Ag Ni |
|
|
|
|
Hg |
|
|
|
|
|
0,5
0,0 10 50 100 200 500 1000
Энергия электрона, эВ
Рис. 2.4. Набор экспериментальных данных для длин пробега электронов до неупругого рассеяния в различных материалах, представленных в виде зависимости от кинетической энергии электронов
Хотя конкретные значения длины свободного пробега зависят от материала образца и энергии электронов, можно видеть, что во всём диапазоне энергий величина длины пробега до неупругого рассеяния составляет порядка нескольких десятков Å, а в интервале ~ 20 – 200 эВ она меньше 10 Å. Основной результат этой зависимости заключается в том, что средняя длина свободного пробега (т.е. глубина выхода) электронов зависит от энергии и имеет пологий минимум в диапазоне около 100 эВ и до некоторой степени нечувствительна к веществу, в котором движутся электроны [3]. В ряде методов, таких, например, как спектроскопия характеристических потерь энергии электронов, глубину анализируемого поверхностного слоя можно менять, изменяя энергию
11
первичных электронов. Таким способом можно менять глубину анализа приблизительно на порядок – от 5 до 50 Å.
Следовательно, любой метод, использующий анализ электронов с дискретной энергией в этой области энергий, испускаемых или рассеянных твердым телом, чрезвычайно чувствителен к поверхности и позволяет зондировать только несколько первых атомных слоев.
2.3. Неупругие электрон-электронные взаимодействия
Процессы, приводящие к потере энергии падающих электронов за счет передачи твердому телу, являются неупругими.
В результате неупругих электрон-электронных взаимодействий возникают вторичные электроны, Оже-электроны, характеристическое, непрерывное рентгеновское излучение, длинноволновое электромагнитное излучение в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, электронно-дырочные пары, колебания решетки (фононы) и электронные колебания (плазмоны) [4].
Оценить сечение неупругого взаимодействия при рассеянии в поле центральной силы можно методом импульсного приближения. Расчеты дают формулу [3]:
|
|
|
e |
4 |
|
e |
4 |
(2.5) |
e |
|
|
|
|||||
EEB |
|
|
|
|||||
|
|
UEB2 |
|
|||||
где Е – кинетическая энергия, ЕВ – энергия связи орбитального электрона [3], а U=E/EB – приведенная энергия электрона.
На рис. 2.5 приведена теоретическая зависимость сечения ударной ионизации от приведенной энергии U в твердом теле.
Можно видеть, что при U<1 сечение ударной ионизации e=0, что соответствует значениям энергии падающих электронов ниже ЕВ.
Для более точного расчета сечения ионизации используют те или иные полуэмпирические формулы, [3]:
12
произв. ед. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|||||||||
Рис. 2.5. Зависимость сечения ударной ионизации в твердом теле от приведенной энергии U [3]
С ростом энергии первичных электронов (Е > Еп) сечение ионизации увеличивается, достигает максимума (при Eп/E ~ 2,5…3) и медленно
уменьшается (по закону ~1/E). Именно этот фактор является определяющим при выборе энергии первичных электронов.
Помимо ионизации внутреннего уровня за счет взаимодействия первичного (с энергией E) и связанного электронов существует дополнительный источник ионизации этого уровня – электронами высокой энергии (Е>Еп),
претерпевшими обратное рассеяние.
13
3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
3.1.Общие характеристики электронных спектрометров
Как уже было сказано выше, методы электронной спектроскопии основаны на анализе распределения энергий электронов, эмитируемых исследуемой поверхностью. Основным назначением любого электронного спектрометра является выделение из электронов, входящих в спектрометр с широким диапазоном энергий (и углов вследствие расходимости источника), только тех, энергии которых независимо от угла входа находятся в определенном узком диапазоне энергий.
Запись энергетического спектра вторичных электронов является основой любого метода электронной спектроскопии. В зависимости от задачи спектры записываются либо в виде N(E) (число электронов как функция энергии), либо в виде его первой или второй производных dN(E)/dE или d2N(E)/dE2.
Центральной частью любого спектрометра является анализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. Его энергетическое разрешение обычно лежит в диапазоне 0,1- 0,5%. Стандартные электронные пушки с термо- и автокатодами обеспечивают моноэнергетичность пучков электронов порядка 1 и порядка 0,1 эВ соответственно. В анализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.
Цель анализатора - выделить из всего спектра вторичных электронов только электроны с определённой энергией, называемой энергией пропускания. Энергией пропускания управляют с помощью напряжений, прикладываемых к электродам анализатора. Для получения всего спектра изменяют напряжения на электродах и записывают ток электронов как функцию энергии пропускания.
Все типы электронных спектрометров содержат сверхвысоковакуумную камеру, снабжённую системой откачки, в которую помещают исследуемый образец, источник возбуждающего излучения, анализатор, а также регистрирующую аппаратуру.
Существуют две причины, по которым анализ поверхности должен осуществляться в сверхвысоком вакууме.
Во-первых, длина свободного пробега электронов, эмитированных поверхностью исследуемого образца, должна быть намного больше размеров спектрометра, чтобы на пути к анализатору они не претерпели рассеяния и, тем самым, не были утрачены для анализа.
Во-вторых, поскольку большинство анализируемых электронов образуется в нескольких верхних атомных слоях, то результаты экспериментов весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода.
Различные особенности электронных спектров и требования, налагаемые методикой исследования, привели к созданию множества анализаторов. В большинстве анализаторов для электронной спектроскопии используются
14
электростатические силы. Они могут быть подразделены на два основных класса:
-анализаторы задерживающего поля;
-анализаторы отклоняющего типа.
На рис.3.1(а,б) показаны области в спектре вторичных электронов, соответствующие энергиям электронов, выделяемым анализаторами задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0) и анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетического окна Е0 ± Е). Процесс анализа частиц в анализаторах отклоняющего типа основан на фокусирующем и диспергирующем действии электростатического поля между электродами на поток заряженных частиц.
N (E)
a 
Ep
N (E)
б |
E0±ΔE |
Ep |
Энергия электронов |
Рис. 3.1. Затемнённая область на спектре вторичных электронов соответствует электронам, выделяемым: а) анализаторами задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0); б) анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетического окна Е0 ± Е) [4]
15