Материал: 684_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_spektroskopii_

Рис. 3.4. Двухпролетный анализатор типа «цилиндрического зеркала» [2]

Кнедостаткам АЦЗ следует отнести малую разрешающую способность

ималый рабочий отрезок. Хотя АЦЗ собирает электроны в широком телесном угле, большая часть исследуемой поверхности образца затеняется анализатором, что приводит к необходимости вводить электронный пучок под углом скольжения к образцу [2].

Анализаторы типа «цилиндрическое зеркало» широко используются в Оже-спектроскопии. Энергетическое разрешение и угол сбора (входной угол) являются двумя главными параметрами анализатора и характеризуют чувствительность прибора. Разрешение по энергии во всех приборах связано с их физическим размером. Анализаторы отклоняющего типа могут быть использованы в двух режимах [4]:

Режим постоянного значения Е/Е используется, когда энергия пропускания Е0 сканируется изменением напряжения, прикладываемого к электродам. В этом случае ширина энергетического окна непрерывно увеличивается с ростом энергии, оставляя отношение Е/Е неизменным. Ток, измеряемый в режиме постоянного значения Е/Е, пропорционален EN(E): I(E)

~EN(E).

Врежиме постоянного значения Е энергия пропускания электронов Е0 поддерживается постоянной, что обеспечивает постоянное разрешение Е. В этом случае спектр электронов непрерывно «перемещают» через фиксированное энергетическое окно Е, используя ускоряющее или замедляющее напряжение на входе анализатора.

Уменьшить Е можно уменьшением ширины щелей, однако при этом уменьшается чувствительность прибора, так как уменьшается доля электронов, достигающих детектора электронов.

Пропускная способность анализатора, показывающая какая часть общего потока электронов, испускаемого источником, доходит до детектора,

21

характеризуется светосилой анализатора [5]. Светосила определяется произведением площади сбора электронов и функции пропускания анализатора [8]. Улучшить разрешающую способность анализатора без уменьшения его светосилы можно уменьшением энергии электронов Е0, влетающих в анализатор. С этой целью перед входной щелью анализатора ставят замедляющие электроны сетки или систему электронных линз.

Концентрический полусферический анализатор (ПСА)

Концентрический полусферический анализатор (ПСА) состоит из двух концентрических полусфер с радиусами кривизны r1 и r2 (рис. 3.5) и характеризуется углом отклонения в 1800 и фокусировкой первого порядка.

Внешняя полусфера заряжена отрицательно по отношению к внутренней, электроны движутся по круговой орбите в поле сферического конденсатора:

r0 A

S2

Рис. 3.5. Схема концентрического полусферического анализатора [5]

Энергия электронов в анализаторе ПСА зависит от приложенной между полусферами разности потенциалов U0 [5]. В ПСА обычно используется круговая апертура, которая стягивает полный угол на источнике до 50 и менее. Полный телесный угол сбора обычно менее 10-2 стерадиан [2]. В то время как полный телесный угол сбора для АЦЗ может быть в 100 раз больше (порядка 1

22

стерадиан), что обеспечивает более высокий уровень сигнала и улучшение отношения сигнал/шум. Для ПСА разрешающая способность составляет R=2r0/S [2], где S – размер входной (и выходной) апертуры. Несмотря на то, что АЦЗ обладает большей светосилой, по сравнению с полусферическим анализатором, ПСА имеет свои преимущества. Если использовать замедление электронов до инжекции в анализатор, то эффективная разрешающая способность анализатора существенно улучшается. Если исключить аберрационные члены, то разрешающая способность анализатора Е0/ΔЕ определяется только геометрией системы. И если замедлить электроны (т.е. уменьшить Е0), то Е также уменьшается, что повышает эффективную разрешающую способность анализатора.

Так как входящий в ПСА пучок электронов имеет коническую или цилиндрическую форму, то для обеспечения предварительного замедления электронов можно использовать либо плоские сетки, закрывающие входную апертуру, либо систему электростатических линз, которые одновременно с замедлением создают изображение источника электронов в плоскости входной апертуры.

Полусферические линзы

Выходная

щель

Промежуточная

линза

Входная линза

Образец

Рис. 3.6. Схема концентрического полусферического анализатора [9]

Следовательно, анализ энергий электронов в ПСА может осуществляться в двух режимах: постоянного задерживающего потенциала и постоянного потенциала полусферических электродов. В режиме постоянного задерживающего потенциала между входной и промежуточной линзами подается постоянное замедляющее напряжение S (рис.3.6).

23

Сканирование электронов по энергии производится изменением напряжения между полусферами U0.

Данный режим используется для анализа электронов с энергиями до 150 эВ. Задерживающее напряжение отсекает интенсивный пик низкоэнергетических вторичных электронов, что приводит к повышению чувствительности и разрешающей способности.

В режиме постоянного потенциала полусферических электродов

напряжения между полусферами U0 остается постоянным, а сканирование электронов по энергии производится изменением напряжения S. Данный режим используется для анализа электронов с энергиями выше 150 эВ. К основным преимуществам СПА следует отнести высокое разрешение и достаточно большой рабочий отрезок. К недостаткам ПСА следует отнести низкую эффективность сбора электронов и, как следствие, снижение интенсивности сигнала спектрометра.

Но разрешающая способность спектрометра с ПСА обычно в 2-3 раза превышает разрешающую способность спектрометра с АЦЗ при одинаковом отношении сигнал/шум [9]. Концентрические полусферические анализаторы широко используются в ФЭС и ЭОС, особенно когда требуются измерения с угловым разрешением.

127º-ный секторный цилиндрический анализатор

127º-ный секторный цилиндрический анализатор (или секторный цилиндрический анализатор) характеризуется фокусировкой первого порядка и состоит из двух концентрических цилиндрических секторов с углом 127º17`, для которого выполняется условие фокусировки электронов (рис. 3.7).

1 2

Рис. 3.7. Схема спектрометра с 127º-ный секторным цилиндрическим анализатором (а): 1 –анализатор; 2 – апертурные линзы; 3- детектор; 4 –

образец; траектория электронов в анализаторе (б).

127º-ный анализатор характеризуется высоким разрешением по энергии, но имеет не слишком высокую чувствительность. В основном он используется в измерениях СХПЭЭ высокого разрешения, как в качестве монохроматора, так и в качестве анализатора.

24

4. ЭЛЕКТРОННАЯ ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИЯ

Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES-Auge electron spectroscopy)

является одним из наиболее широко используемых методов анализа химического состава поверхности. В основе ЭОС лежит измерение энергии и количества Оже-электронов, а так же анализ формы спектральных линий Ожеэлектронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате Оже-эффекта.

4.1. Физические основы Оже-спектроскопии

Механизм эмиссии Оже-электронов

Оже-процесс можно условно разделить на две стадии. Первая – это образование первичной вакансии на глубоком (остовном) уровне атома вследствие ионизации первичным пучком частиц (электронов, фотонов, ионов). В связи с этим, различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС) Оже-спектроскопию. На практике чаще всего в качестве первичного пучка используется пучок электронов.

Первичный электрон, с энергией (порядка 2-10 кэВ) превышающей потенциал ионизации остовного уровня, выбивает электрон с этого уровня (К уровень (рис.4.1). В результате чего оба электрона покидают атом, а на глубоком К уровне образуется первичная вакансия.

Такое состояние атома энергетически невыгодно, и на второй стадии первичная вакансия немедленно (за 10-14 -10-16 сек) заполняется электроном, перешедшим с более высокого (например, L3 рис.4.1, а) уровня.

В результате этого создается вторичная вакансия (рис.4.1,б). Ионизированный атом оказывается в сильно возбужденном состоянии и быстро переходит в более низкое энергетическое состояние с выделением энергии, равной разности энергий связи электрона на K и L3 уровнях. Выделяющаяся при этом энергия может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения (излучательный переход), либо безызлучательно может быть передана другому электрону атома (например, L1 уровень рис.4.1,

а).

25