Transcript отсюда
ОЖЕ-ЭЛЕКТРОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ В.И. Троян, М.А. Пушкин, В.Д. Борман, В.Н. Тронин презентация к лекциям по курсу «Физические методы исследования поверхности и наноструктур» 1 Лекция 1 Ожэ-электорнная спектроскопия Pierre Auger (1899-1993) -поверхностная чувствительность метода ОЭС; -чувствительность к химическому состоянию элементов; -возможность сканирования образца сфокусированным электронным пучком, позволяющая получать карту распределения элементов по поверхности образца (ожеэлектронная микроскопия) с субмикронным разрешением; - использование анализаторов электронов типа цилиндрического зеркала, обладающих большей чувствительностью по сравнению с другими типами анализаторов. 2 Лекция 1 Рентгеновские и спектроскопические обозначения электронных уровней Число электронов в оболочке Квантовые числа 2 n 1 6 2 l 0 0 1 0 10 3 1 2 j 1/2 1/2 1/2 3/2 1/2 1/2 3/2 3/2 5/2 Рентгеновский индекс Спектроскопическое обозначение уровня (РФЭС) Рентгеновское обозначение уровня (ОЭС) 1 1 2 3 1 2 3 4 5 1s1/2 2s1/2 2p1/2 2p3/2 3s1/2 3p1/2 3p3/2 3d1/2 3d3/2 K L1 L2 L3 M1 M2 M3 M4 M5 ОЭС 3 Лекция 1 Физический принцип ОЭС. Оже-эффект. 1) ионизация остовных электронных уровней первичным электронным пучком; 2) оже-рекомбинация (безызлучательный, jkl оже-переход); 3) эмиссия оже-электрона; 4) регистрация энергетического спектра оже-электронов, покинувших образец. 4 Преимущества использования электронного пучка: - простота получение электронного пучка нужной энергии кэВ и интенсивностью ; - возможность фокусировки электронного пучка (до единиц микрон) и сканирования им поверхности образца, позволяющая получать информацию о локальном элементном составе образца (ожеэлектронная микроскопия). 5 Лекция 1 Общий вид электронного спектра в ОЭС 6 Представление спектров в дифференциальном виде позволяет: - увеличить интенсивность слабых пиков, так как производная не зависит от интенсивности самого пика ; - подавить фон неупругорассеянных электронов, который слабо зависит от энергии в окрестности анализируемого оже-электронного пика; dI / dKE ~ 0 фон - облегчить определение положения широких ожеэлектронных линий. 7 Лекция 2 Расчет кинетической энергии оже-электрона 1. «Нулевое» приближение KE jkl BE j BEk BEl 2. Приближение эквивалентных остовов Z Z Z 1 Z 1 jkl j k l 3. Учет взаимодействия двух дырок в конечном состоянии jkl j k l или T KE KE BE BE BE BE BE ( j ) BE (k ) F (k, l ) KE jkl j R j k l Rk ,l F (k , l ) RT RkT,l Rk Rl KE jkl BE j BEk BEl RT F (k , l ) Элемент КЕ (L3VV), эВ RT, эВ F, эВ RT - F, эВ Ni Cu Zn 846 919 992 28.1 21.6 21.9 26.6 26.3 29.4 1.5 -4.7 -7.5 Вклад RT - F в КЕ, % 0.2 0.5 0.8 8 Лекция 2 Форма оже-электронных спектров 1. CCV оже-переходы 2. СVV оже-переходы I ( E ) ~ PCCV ~ ( E ) I ( E ) ~ PCVV ~ ( E E ) ( E )dE Учет взаимодействия дырок в конечном состоянии (d-металлы) Увеличение энергии взяимодействия двух дырок F по отношению к ширине валентной зоны W Локализованное экситоноподобное двухдырочное состояние 9 Узкий «атомоподобный» спектр Широкий спектр Co Ni Cu 10 Лекция 2 Интенсивность оже-электронных линий h I ( E ) I p~ j ( E p )T ( E ) D( E ) n( x) e x / ( E ) cosdx 0 Сечение ионизации электронным ударом j (Ep ) 1.3 10 13 b c ( E p ) BE 2j 1.3 1013 0.3 0.5 ~ 2 500 ~ 1019 см2 I ~ I pn ~ 109А I / I p ~ 109 A / 105 A 0.01% Низкая эффективность выхода оже-электронов! 11 Лекция 2 Интенсивность оже-электронных линий ~ j ( E p ) j ( E p ) Ep f ( E ) j ( E )dE j ( E p ) 1 r ( E p , BE j ) BE j Увеличение сечения ионизации за счет вторичных и обратно рассеянных электронов. покидающие образец ожеэлектроны ~1 нм обратнорассеянные первичные электроны ионизованные атомы быстрые электроны ~1 мкм 12 Лекция 3 Количественный анализ оже-спектров nA I A F ( A , B , E p ) nB I B Сравнение РФЭС и ОЭС Характеристика Относительная чувствительность РФЭС 1 ML, не чувствует Н и Не Глубина анализируемого слоя Пространственное разрешение 3-10 нм Количественный анализ тонкой структуры спектров Качественный анализ ОЭС 1 ML, не чувствует Н, Не и атомарный Li 3-10 нм Стандартный РФЭС ~ 1 мм; «наноЭСХА»: ~ 100 нм + < 12 нм + + +/- 13 Оже-электронный спектрометр PHI-680 (США) с цилиндрическим энергоанализатором 14 Характеристики оже-спектрометра PHI-680 • • • • - пространственное разрешение до 10 нм, - глубина анализа 0,5-5 нм, - ускоряющее напряжение 0-30 кВ, - разрешение по энергии 0.5%, • - чувствительность 0,3-1,5 ат.% при идентификации всех химических элементов, кроме водорода и гелия. 15 Лекция 4 Применение ОЭС для исследования нанообъектов Методика исследования перехода металл-неметалл в нанокластерах Cu на основе оже-процесса Костера-Кронига (КК) Kинетическая энергия оже-электрона: KE ≈ BE(L2) - BE(L3)- BE (M*) M ВЕ – энергия связи электрона (относительно уровня Ферми), IP – потенциал ионизации (относительно уровня вакуума) L3 Переход Костера-Кронига происходит если: L2 Металл: KEКК>0 => BE(L2)-BE(L3) > BE(M*) Для меди: BE(L2)-BE(L3) = ΔBE(2p) = 19.8 эВ BE (M*) = E(3d) =10.2 эВ ΔBE(2p) > E(3d) -> переход КK есть Атом: IP играет роль BЕ перехода КК нет => Для нанокластеров Cu процесс Костера-Кронига можно использовать для наблюдения перехода металл16 неметалл! IP(3d) ≈ 20 эВ ∆E < IР -> Лекция 4 Применение ОЭС для исследования нанообъектов Нанокластеры Cu на поверхности графита Cu металл (есть КК): Cu кластер: I3/I2 ≈ 8 8 > I3/I2 > 2 Cu атом (нет КК): I3/I2 ≈ 2 металл атом Переход металлнеметалл в кластерах Cu размером ~ 2 нм Отношение интенсивностилиний L3 MM и L2 MM в зависимости от размера кластеров R Оже-спектры L3 MM и L2 MM кластеров Cu размером 2 –> 10 нм 17 Лекция 4 Применение ОЭС: локальный элементный анализ Оже-спектры микрочастицы Fe и чистой поверхности образца 18 Электронная оже-микроскопия: изображения участка поверхности образца с микрочастицами Fe во вторичных электронах и карты распределения элементов C, S, Fe, Na, O. 1 мкм S С Fe Na O 19 Электронная ожемикроскопия: 1 мкм изображения участка поверхности образца с микрочастицами оксида кальция во вторичных электронах и карты распределения элементов C, S, Ca, Na, O. 20