19861

Физические основы метода Оже-электронной спектроскопии. Необходимое оборудование. Модуляционная методика в Оже-электронной спектроскопии

Лекция

Физика

Лекция 26 Физические основы метода Ожеэлектронной спектроскопии. Необходимое оборудование. Модуляционная методика в Ожеэлектронной спектроскопии. В прошлом семестре был подробно рассмотрен процесс Ожеэлектронной эмиссии. Кратко напомним схему образования Ожеэле

Русский

2013-07-18

189 KB

10 чел.

Лекция 26

Физические основы метода Оже-электронной спектроскопии. Необходимое оборудование. Модуляционная методика в Оже-электронной спектроскопии.

В прошлом семестре был подробно рассмотрен процесс Оже-электронной эмиссии. Кратко напомним схему образования Оже-электронов. Часть энергии электрона пучка, облучающего образец, может быть передана электрону внутренних оболочек атома. Образовавшаяся за счет ионизации электронным ударом вакансия на оболочке атома через короткое время (~ 10-16 с) заполняется электроном одного из вышележащих уровней. Избыток энергии может пойти на испускание рентгеновского кванта или передан третьему электрону, который может быть испущен атомом. Схема, иллюстрирующая этот процесс, приведена на рис. 26.1.

В случае ионизации К-оболочки возможен Оже-переход (например, KL1L2,3, изображенный на рисунке), либо испускание кванта характеристического рентгеновского излучения Кα1 или Кα2. То, что энергия Оже-электрона определяется энергиями связи электронов атомных оболочек, лежит в основе метода элементного анализа, называемого Оже-Электронной Спектроскопией (ОЭС, в зарубежной литературе AES).

Поскольку для Оже-процесса нужны, по крайней мере, два энергетических уровня и три электрона, поэтому в атомах Н и Не Оже-электроны возникать не могут. Точно так же не могут быть источниками Оже-электронов изолированные атомы Li, имеющие на внешней оболочке один электрон. Все остальные элементы могут быть идентифицированы методом ОЭС. Наиболее вероятные Оже-переходы, наблюдаемые в ОЭС, это переходы KLL, LMM, MNN. Несмотря на то, что в изолированных атомах Li Оже-процесс невозможен, в твердом теле за счет обобществления валентных электронов возможны переходы типа KVV с участием валентных электронов. Это позволяет определять литий в различных соединениях методом ОЭС.

Метод ОЭС позволяет получать информацию только о составе приповерхностных слоев образца. Причиной этого является малая средняя длина свободного пробега электронов с энергией, типичной для Оже-электронов (50 – 2000 эВ) вследствие их интенсивного неупругого рассеяния в твердом теле. Оже-электроны, возникшие в глубине образца и отдавшие энергию на возбуждение плазменных колебаний, на возбуждение внутренних оболочек или на межзонные переходы, исключаются из наблюдаемых характеристических Оже-пиков и становятся частью фона отраженных электронов, на который накладываются Оже-пики.

На рис. 26.2 приведена зависимость глубины выхода Оже-электронов, отвечающих различным переходам в различных атомах, от их энергии. Глубина выхода слабо зависит от состава образца, так как основные механизмы потерь включают в себя возбуждение электронов валентной зоны, а плотность валентных электронов не является сильно меняющейся функцией атомного номера. Фактически, вклад в наблюдаемые Оже-пики дают только Оже-электроны, испущенные атомами поверхности и приповерхностных слоев (2 – 5 монослоев). В силу этого, метод ОЭС чувствителен к составу атомов на поверхности и нескольких приповерхностных слоев образца. Уже при наличии на поверхности исследуемого образца одного монослоя адсорбата, атомы, составляющие адсорбат, доминируют в Оже-спектре.

Для реализации метода ОЭС требуется сверхвысоковакуумная камера, в которой размещены:

  •  механизм подачи образца;
  •  электронная пушка;
  •  энергоанализатор для регистрации спектра электронов;
  •  ионный источник для очистки поверхности образца.

Так как ОЭС является поверхностно чувствительным методом, то измерения Оже-спектров необходимо проводить в условиях сверхвысокого вакуума. Обычно давление в аналитической камере у выпускаемых Оже-спектрометров 10-9 Тор. Так как получение такого давления после вскрытия камеры на атмосферу требует длительного времени (~ десятка часов), то используется шлюзовой механизм подачи образца в аналитическую камеру, обеспечивающий ввод образца с атмосферы через промежуточную вакуумную камеру с давлением ~ 10-5 - 10-6 Тор. Таким образом, аналитическая вакуумная камера вскрывается на атмосферу только в экстренных случаях (например, замена катода у электронной пушки).

Электронная пушка, обычно с W термоэмиттером, обеспечивает ток электронов на образец до нескольких десятков мкА при ускоряющих напряжениях до 10 кВ. Диаметр электронного пучка на образце обычно составляет 0.5 – 1 мм.

В качестве энергоанализатора применяются электростатические энергоанализаторы с разрешением Е 10-3-10-4:

  •  цилиндрическое зеркало (АЦЗ);
  •  сферический дефлектор обычно с углом раствора 180о (т.н. полусферический анализатор - ПСА).

Основные отличия АЦЗ и ПСА, заключаются в следующем. В АЦЗ полный телесный угол сбора электронов составляет около 1 ср, тогда как в обычных ПСА он составляет около 10-2 ср. Таким образом светосила АЦЗ примерно в 100 раз больше, чем у ПСА. Естественно, что больший угол сбора приводит к увеличению интенсивности сигнала в спектрометрах с анализатором типа цилиндрическое зеркало. Однако, разрешающая способность ПСА обычно в 2–3 раза лучше для того же отношения сигнала к шуму в спектре, чем при использовании АЦЗ.

На рис. 26.3 приведена схема измерения спектров Оже-электронов с помощью АЦЗ.

Первичный электронный пучок облучает образец – 1. Энергетический спектр вылетающих из образца электронов измеряется АЦЗ, состоящего из внутренних -2 и внешнего -3 коаксиального электрода, между которыми приложена разность потенциалов, определяющая энергию прохождения электронов через АЦЗ (красным цветом показаны две возможные траектории - 4). Регистрация электронов прошедших АЦЗ осуществляется детектором – 5 (обычно канальный электронный умножитель или микроканальная пластина). Весь анализатор помещен в экран – 6, экранирующий действие внешних магнитных полей, могущих привести к искажению движения электронов в энергоанализаторе.

В настоящее время большинство выпускаемых Оже-спектрометров оснащается полусферическим дефлектором, схема измерения которым приведена на рис. 26.4.

Развертка спектра в полусферическом анализаторе энергий может осуществляться двумя способами. В режиме постоянного задерживающего потенциала между входной и промежуточной линзой подается постоянное напряжение задержки s, а развертка по энергии электронов производится изменением напряжения V0 между полусферами. Этот режим используется для анализа электронов с малыми энергиями (до 150 эВ), так как в этом случае задерживающим напряжением отсекается интенсивный пик низкоэнергетичных вторичных электронов, и, как следствие, повышается чувствительность и разрешение.

В режиме постоянного потенциала напряжение между полусферическими электродами остается постоянным, а развертка по энергии электронов осуществляется изменением напряжения задержки. Этот режим обычно применяется для анализа электронов с энергиями свыше 150 эВ.

В качестве детекторов на выходе анализатора используется вторичный электронный умножитель (ВЭУ).

Так как Оже-пики проявляются в энергетическом спектре на большом фоне, обусловленном отраженными электронами, то часто для их записи применяется т.н. модуляционная техника. Суть ее в следующем. Энергия электронов, проходящих через энергоанализатор, определяется разностью потенциалов между его обкладками U0. Изменением этого напряжения осуществляется развертка спектра. Если же напряжение развертки имеет вид U0 + Usint, где амплитуда U<< U0, то в этом случае будет осуществляться аппаратное дифференцирование спектра: сигнал, поступающий с выхода синхронного детектора, настроенного на частоту 2 пропорционален dN 2(E)/dE2. Использование модуляционной методики позволяет значительно повысить величину отношения сигнал/шум в регистрируемом спектре.

Принципиальная схема модуляционной методики приведена на рис. 26.5.

На рис. 26.6 приведены Оже-спектры хрома, снятые с применением модуляционной методики на разных типах энергоанализаторов.

Ионный источник используется для очистки поверхности образца за счет ионного травления. Стандартная схема расположения ионного и электронного пучка приведена на рис. 26.4. Ионное травление в ОЭС используется не только для очистки поверхности образцов перед измерением, но и для получения профилей изменения состава образца по глубине. Ионный пучок создает на поверхности образца кратер, диаметр которого (5-20 мм) намного больше диаметра электронного зонда (~ 0,5 мм). Профиль концентрации по глубине получают путем непрерывной регистрации элементного состава на дне кратера в ходе распыления (или после прекращения травления). Ионная бомбардировка, проводимая одновременно с электронной, оказывает малое влияние на Оже-анализ, поскольку число вторичных электронов, возбуждаемых ионным пучком, намного меньше, чем при возбуждении первичным электронным пучком.

d 2N/dE2

энергия электронов, эВ

лектроды АЦЗ

Рис.26.5

Выходные щели

Предваритель-ный усилитель

Детектор

Usint

U0

   dN 2/dE2

              E

Синхронный детектор

Образец

электронная пушка

V0

Рис.26.4

Образец

Электронный пучок

Ионный пучок

Полусферические электроды

Рис.26.4

Образец

s

Входная линза

Промежуточная линза

ВЭУ

Выходная

щель

Входная

щель

Рис. 26.3

Рис. 26.2

INCLUDEPICTURE "ЛАБОРАТОРНАЯ%20РАБОТА_оже.files/image009.jpg" \* MERGEFORMAT

Рис. 26.1

Оже-электрон

электрон пучка

ħω

Рис. 26.6

Вакуум

K

L1

L2,3

V


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11126. Основы теории напряженного состояния 1.08 MB
  Основы теории напряженного состояния. Напряжения в точке. Если мысленно вырезать вокруг какойнибудь точки тела элемент в виде бесконечного малого кубика то по его граням в общем случае будут действовать напряжения представленные на рис. 3.1. Совокупность нормальных...
11127. Теории прочности. Чистый сдвиг 786 KB
  Теории прочности. Чистый сдвиг Теории прочности. Важнейшей задачей инженерного расчета является оценка прочности элемента конструкции по известному напряженному состоянию. Для простых видов деформаций в частности для одноосных напряженных состояний определение з...
11128. Кручение. Кручение бруса некруглого сечения 911.5 KB
  Кручение. Кручение бруса некруглого сечения. Кручение прямого круглого бруса. Деформация кручения вызывается парами сил плоскости действия которых перпендикулярны к оси стержня. Поэтому при кручении в произвольном поперечном сечении стержня из шести внутренних сил
11129. Чистый изгиб. Поперечный изгиб 623 KB
  Чистый изгиб. Поперечный изгиб. Общие понятия. Деформация изгиба заключается в искривлении оси прямого стержня или в изменении начальной кривизны прямого стержня рис. 6.1. Ознакомимся с основными понятиями которые используются при рассмотрении деформации изгиба. С
11130. Полный расчет балок на прочность при изгибе. Дифференциальное уравнение изогнутой оси 704 KB
  Полный расчет балок на прочность при изгибе. Дифференциальное уравнение изогнутой оси Касательные напряжения при изгибе. Присутствие поперечных сил при поперечном изгибе свидетельствует о наличии в поперечном сечении касательных напряжений. ...
11131. Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров. Определение перемещений в балках переменного сечения 396 KB
  Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров. Определение перемещений в балках переменного сечения Определение перемещений при изгибе методом начальных параметров Определение перемещений методом непосредственного интегрирования дифференциаль...
11132. Определение перемещений в упругих системах. Общие понятия 632 KB
  Определение перемещений в упругих системах. Общие понятия Обобщенные силы и перемещения Ранее нами были рассмотрены некоторые частные способы определения перемещений удобные при решении простейших задач. Начало возможных перемещений и закон сохранения энергии по...
11133. Определение перемещений в упругих системах. Метод мора. Способ верещагина 518 KB
  Определение перемещений в упругих системах. Метод мора. Способ верещагина. Метод Мора Рассмотрим произвольную плоскую стержневую систему нагруженную заданными силами рис. 2.3.1. Усилия в произвольном сечении обозначим через . Пусть требуется определить перемещени
11134. Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам 606.5 KB
  Статическая неопределимость. Построение внутренних силовых факторов для плоских рам. Статическая неопределимость. С простыми статически неопределимыми системами мы уже сталкивались при расчете статически неопределимых стержней работающими на чистое растяжение–с