Эффект Оже. Оже-спектроскопиия Серебрякова Таисия Магистр 1 года обучения Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела
ВИМС (вторично-ионная масс-спектрометрия) ИМС (искровая масс-спектрометрия) ЛМС (лазерная масс-спектрометрия) Ионы ИОС (ионная Оже- спектроскопиия) ЭОС (электронная Оже- спектроскопии) РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопиия) УФЭС (ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопиия) Электроны ИРС (ионно-рентгеновская спектроскопиия) РЭС (рентгеновская эмиссионная спектроскопиия) РФС (рентгеновская флуоресцентная спектроскопиия) Фотоны Ионы Электроны Фотоны Средства возбуждения --> Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Эффект, на котором основана ОЭС, был открыт в 1925 году французским физиком Пьером Оже Оже-эффект заключается в следующем. Если атом обстреливается ускоренными электронами е, энергия которых выше потенциала ионизации уровня К, то существует вероятность ионизации этого уровня, в результате чего на нем образуется вакансия(обозначена светлым кружком). Такое состояние энергетически невыгодно для атома, поэтому через некоторое время вакансия заполняется за счет перехода электрона с вышележащего уровня L1 (переход обозначен стрелкой ̆ 1). При этом выделяется энергия, равная разности энергии ̆ связи электрона на уровнях К и L1. В дальней ̆ шьем процесс может идти двумя путями: либо будет испущен рентгеновские ̆ фотон, либо эта энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, находящемуся, например, на уровнеL2. Если этой ̆ энергии будет достаточно, то произои ̆ дет ионизация уровня L2, в результате чего будет испущен электрон (стрелка 2 на рис. 2). Реализация второй ̆ возможности и есть собственно оже-процесс, а эмитируемые ̆ электрон называют оже-электроном. Носители информации
Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Оказывается, что, измерив энергию такого электрона, можно определить, какому элементу периодической ̆ таблицы Менделеева соответствуют обстреливаемые электронным пучком атомы. Такая возможность объясняется тем, что энергия оже-электронов не зависит от энергии бомбардирующих электронов, а определяется только электронной ̆ структурой ̆ атомов. В первом приближении энергия оже-электронов Е(КL1L2) определяется формулой ̆ Е(КL1L2) = E(K) – E(L1) – E(L2), где Е(K), E(L1) и E(L2) – энергии связи электронов на уровнях К, L1, L2.
Универсальная кривая зависимости длины свободного пробега электронов λ от энергии E. Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Главным преимуществом ОЭС по сравнению со многими другими методами является очень малая глубина анализа, что делает эту методику пригодной ̆ для исследования поверхности. В свою очередь, глубина анализа определяется длиной ̆ свободного пробега электронов в твердом теле. Если зародившие ̆ ся в твердом теле оже-электрон при движении к поверхности испытает хоть одно неупругоее взаимодеи ̆ ствие (например,совершит ионизацию атома), то он потеряет часть энергии и не будет зарегистрирован в интересующем нас месте энергетического спектра вторичных электронов, который ̆ формируется при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. Глубина выхода оже-электронов То есть оже-электроны, рожденные на глубине большеи ̆, чем длина свободного пробега, не будут нести информацию о нахождении атомов данного сорта. Длина свободного пробега в сильной ̆ степени зависит от скорости движения и от энергии электронов. Обычно исследуются оже-электроны с энергиями от нескольких десятков эв до нескольких кэв. Во всех материалах длина свободного пробега (а следовательно, и глубина анализа) таких электронов не превышает 2-3 нм, то есть величины,сопоставимое ̆ с периодом кристаллической ̆ решетки твердого тела. При этом львиная доля информации поступает с глубины 0,5-1,0 нм, что и делает ОЭС уникальным методом исследования поверхности.
Оже- электроны Пик вторичных электронов N(E ) E, keV Ep0 Рассеянн ые электрон ы Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Электронная оже-спектроскопиия – раздел спектроскопиии, изучающие ̆ энергетические спектры оже- электронов, которые возникают при облучении исследуемого вещества электронным пучком. ЭОС широко используется для определения элементного состава газов и поверхности твердых тел, для изучения электронного строения и химического состояния атомов в пробе. 1. Регистрация оже-электронов Типичное распределение вторичных электронов по энергии N(E), наблюдаемое при бомбардировке поверхности мишени первичными электронами с энергией ̆ Е0, можно условно разбить на три области (рис. 3 а). Реализация метода Область 1 соответствует истинно-вторичным электронам (~90% от числа всех электронов) и характеризуется наличием большого пика с полушириной ̆ около 10 эВ. Область 2 представляют неупругое- рассеянные первичные электроны, которые потеряли часть своей ̆ энергии в процессе многократных соударении ̆ и поэтому распределены в довольно широкое ̆ энергетической ̆ полосе. Область 3 содержит пик с энергией ̆, равной ̆ Е0. Этот пик соответствует упруго- отраженным от мишени электронам, количество которых невелико (~3% от общего числа вторичных электронов). Вторичные электроны образуются в процессе электронной ̆ бомбардировки из электронных оболочек атомов мишени.
Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Задача выделения полезного сигнала на уровне большого фона впервые была решена в 1962 году Л.А.Харрисом, после чего начался период бурного развития оже-электронной ̆ спектроскопиии. Чтобы понять, как была решена эта задача, обратимся к рис. 4 а, на котором изображен участок энергетического спектра (N – число электронов, Е – их энергия) вторичных электронов, в который ̆ попадают и оже-электроны с энергией ̆ Е1. Как видно из рис. 3 а, оже-электроны образуют пик очень малой ̆ интенсивности, который ̆ накладывается на большой ̆ фоновой ̆ ток неупругоерассеянных электронов, при этом последние ̆ относительно слабо зависит от dN/dE энергии. Харрис предложил спектр N(Е) превратить в, в результате чего фон практически исчезает, а на месте слабого оже-сигнала колоколообразной ̆ формы появляется интенсивный ̆ пик с амплитудой ̆ А (рис. 4 б,рис. 3 б), который ̆ легко может быть зарегистрирован. При этом дифференцирование осуществляется электрическими методами непосредственно в процессе записи спектра. Реализация метода Для обнаружения оже-электронов необходимо уметь выделять электроны, находящиеся в очень узком интервале энергии ̆. Для этих целей ̆ используют специальные устрой ̆ ства, называемые энергоанализаторами. В оже-спектроскопиии чаще всего используют электростатические анализаторы, и в частности анализаторы типа "цилиндрическое зеркало". На рис. 5 приведено схематическое изображение такого анализатора,позволяющее понять принцип его деи ̆ ствия.
ЭлементE i, эВSiSi ЭлементE i, эВSiSi 1C S N 0.119Ba O In Si Sb P Fe Cl Be Ca Ag Коэффициенты элементной чувствительности Si и энергии оже- пиков Ei некоторых элементов (Ep = 3 кэВ) Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела Одновременно с этим показан образец 1, бомбардируемый ̆ ускоренными электронами, который ̆ в данном случае является источником вторичных электронов, в том числе и оже-электронов. Основными элементами анализатора служат два металлических коаксиальных цилиндра 2 и 3 с радиусами r1 и r2. Внутреннии ̆ цилиндр обычно заземляют, а на внешний ̆ подается отрицательный ̆ (относительно земли) потенциал. Таким образом, между цилиндрами формируется анализирующее поле.Вторичные электроны через специальные входные окна во внутреннем цилиндре попадают в это поле и при своем движении отклоняются к оси цилиндра. При некотором значении потенциала U на внешнем цилиндре только электроны с энергией ̆ Е проходят в выходные окна 4 во внутреннем цилиндре и попадают на коллектор 5. Изменение потенциала U приведет к тому, что на коллекторе будут собираться электроны с другим значением энергии. Если осуществить медленную развертку напряжения между цилиндрами, то будет записан непрерывный ̆ спектр вторичных электронов. На самом деле движение электронов происходит по сложным траекториям, а регистрируются электроны в некотором интервале энергии ̆, который ̆ определяется конструкциеи ̆ анализатора, качеством его изготовления и другими факторами. Этот интервал определяет энергетическое разрешение анализатора, то есть минимальное расстояние между двумя близко лежащими энергетическое разрешение анализатора, то есть минимальное расстояние между двумя близко лежащими пиками в спектре, которые еще могут быть различимы. На точность измерении ̆ энергии ̆ влияют внешние магнитные поля (в том числе и магнитное поле Земли). Это связано с тем, что легкие электроны сильно отклоняются даже в слабых магнитных полях. Для защиты от них используется специальный ̆ магнитный ̆ экран 6.
Полусферические линзы ВЭУ Промежуточная линза Входная линза V0V0 ϕsϕs Образец Входная щель Выходная щель Схематическое изображение полусферического энергоанализатора Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела
Ионный пучок Электронный пучок Образец Послойный элементный анализ методом ЭОС с ионным травлением Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела
Оже-микрозонд JAMP-10S (JEOL, Япония) Реконструированная поверхность кремния Si(111)(7x7) с атомарным разрешением Островки хлорида меди Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела
Omicron Multirpobe STM. 1 – полусферический анализатор энергий электронов ЕА-125; 2 – блок обработки импульсов ВЭУ; 3 –входные щели; 4 – выходные щели; 5 –блок ВЭУ; 6 – коллиматор; 7 - входная линза; 8 – промежуточная линза; 9 – ионная пушка ISE-10; 10 – электронная пушка EKF-300; 11 – аналитическая камера; 12 – стойка для блоков управления; 13 – блок управления энергоанализатором ЕАС 2000; 14 – блок питания ВЭУ; 15 – блок управления ионной пушкой ISE-10; 16 – блок управления электронной пушкой EKF-300; 17 – манипулятор; 18 – подложкодержатель; 19 – образец; 20 – шибер загрузочной камеры; 21 – загрузочная камера; 22 – ионизационная лампа; 23 – титановый сублимационный насос; 24 – ионно-геттерный насос; 25 – шибер турбо-молекулярного насоса; 26 – турбо-молекулярный насос; 27 – роторно-пластинчатый форвакуумный насос; 28 – компьютер управления; 29 – блок приема и обработки информации; 30 – оптоволоконная линия передачи сигнала Государственныи ̆ Петрозаводскии ̆ университет | 2010 | Физика твердого тела