Физические процессы, лежащие в основе электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Механизмы ЭОС, область ее применения. Относительная вероятность проявления оже-эффекта. Глубина выхода оже-электронов. Анализ тонких пленок, преимущества ионного распыления.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Реферат

на тему: "Исследование нанообъектов методом электронной оже-спектроскопии. "

студент: Шерстобитов Н.С.

группа: Ф7-10-2/ФХ-10-2

преподаватель: Подгорный Д.А.

Москва 2013 г.

Содержание

• Введение
• Физические основы
• Оже-процесс
• Вероятность оже-эффекта
• Глубина выхода оже-электронов
• Анализ тонких пленок
• Заключение
• Список литературы

Введение

Когда какой-то атом ионизируется с образованием дырки с остовном уровне либо падающими фотонами, либо падающими электронами, обладающими достаточной энергией, ион в конечном счете теряет часть своей потенциальной энергии при заполнении этой дырки электронами с более мелких уровней, сопровождающемся передачей энергии. Эта энергия может либо выделиться в виде фотона, либо проявиться в виде кинетической энергии, переданной другому, более слабо связанному электрону. В случае этих конкурирующих процессов эмиссия фотонов преобладает только тогда, когда энергия начальной остовной дырки составляет более 10 кэВ. Именно этот физический процесс используется в обычных лабораторных источниках рентгеновского излучения. Альтернативная безызлучательная передача энергии в виде кинетической энергии эмитируемого электрона составляет основу оже-процесса, названного так в честь его первооткрывателя Пьера Оже. Основные преимущества такого метода - высокая чувствительность при проведении элементного анализа приповерхностной области толщиной 5-20 А, быстрота получения информации и возможность обнаружения всех элементов, следующих за гелием в таблице Менделеева. Оже-спектр дает надежную количественную информацию о составе приповерхностного слоя, а во многих случаях и сведения о химических связях. Первоначально ЭОС использовалась только для научных исследований, но сейчас она превратилась в стандартный метод лабораторного анализа. Она применяется в таких областях, как полупроводниковая технология, металловедение, катализ, минералогия и анализ полезных ископаемых, выращивание кристаллов. Круг ее применений быстро расширяется, и становятся более понятными основные механизмы ЭОС. Недавно появился ряд обзорных работ, посвященных этому методу и некоторым его приложениям.

Физические основы

В основе ЭОС лежат такие процессы, как ионизация внутренних атомных уровней первичным электронным пучком, безызлучательный оже-переход и выход оже-электрона в вакуум, где он регистрируется при помощи электронного спектрометра.

Оже-процесс

При бомбардировке материала электронами достаточных энергий внутренние оболочки (К, L, M и т.д.) некоторых его атомов могут быть ионизованы - образуется вакансия. Вакансия может заполняться за счет перехода электронов из внешних оболочек атома (L,M,N и т.д.).

При этом выделяется избыточная энергия Е₁-Е_к. Если эта энергия выделяется в виде фотона (радиационные переходы), то такой переход сопровождается флуоресцентным излучением. Если эта энергия передается другому электрону, находящемуся на этом же или другом энергетическом уровне, то этот электрон, имея достаточную энергию, выйдет из твердого тела (безизлучательные или оже-переходы). Второй эмитируемый электрон называется оже-электроном. Обычно оже-переходы обозначаются следующим образом. Первым записывается первоначально ионизованный уровень, затем уровень, с которого произошел переход электрона на появившуюся вакансию. И, наконец, записывается уровень, с которого происходит испускание оже - электрона. Энергию оже-электрона Е_о можно оценить, исходя из энергий связи, например, для оже-процесса К-L_i L_n.

Е_о - Е_к - (Е_ц, - E *L _ii),

где Е_к - энергия связи К - и Li - оболочек нейтрального атома; Е* L_ii - энергия связи электрона в L_ii - оболочке иона, имеющего одну вакансию в L-оболочке. Энергия связи данной оболочки в ионе, имеющем однодырочную конфигурацию, несколько больше, чем соответствующего ему атома.

Е* - Е_ц (Z + AZ),

где (Z + AZ) - энергия связи электрона в L-оболочке, находящаяся в пределах значений для атомов с атомными номерами Z и Z+1, где 0 <AZ< 1. Например, Е для Z в районе 80 имеет значение AZ = 0,55. Более детальное рассмотрение оже-энергии требует знания связи, существующей между двумя незаполненными оболочками в конечном состоянии.

Из приведенной модели следует, что энергии оже-электронов характеризуют свойства атома, который испустил эти электроны. Пользуясь данными об атомных уровнях различных элементов, можно рассчитать ожидаемые величины оже-электронов для каждого сорта атомов.

Частным случаем эффекта Оже является переход Костера-Кронига, при котором первичная вакансия в некоторой оболочке заполняется электроном из той же оболочки (например, переход Li Lii M).

Для оже-процесса нужны, по крайней мере, два энергетических уровня и три электрона. Поэтому в атомах водорода и гелия оже-электроны возникать не могут.

Пиком Оже могут быть приписаны определенные энергии, а по ним определена соответствующая химическая природа атомов лишь в том случае, если оже-электроны выходят из поверхностного слоя без значительной потери энергии в результате неупругого рассеяния. Оже-электроны, претерпевшие перед выходом в вакуум неупругие столкновения, дадут просто вклад в энергетическое распределение вторичных электронов и могут несколько "размазать" пик в низкоэнергетическую зону.

Электроны, покидающие поверхность, должны терять определенное количество энергии, равное значению работы выхода. Необходимо также учитывать контактную разность потенциалов между образцом и анализатором.

Вероятность оже-эффекта

Относительная вероятность проявления оже-эффекта зависит от атомного номера исследуемого элемента. В первом приближении теории возмущения вероятность оже-перехода в единицу времени равна.

W - 2p/h | Y'₁ Y'₂ V Y₁ Y₂ dV₁dV₂|²

где Y₁, Y₂ и Y'₁, Y'₂ - исходные и конечные волновые функции двух электронов, участвующих в оже-переходе; V=e²/|r₁-r₂| - энергия взаимодействия электронов.

Расчеты показали, что вероятность оже-переходов растет с увеличением атомного номера Z, стремясь к насыщению для тяжелых элементов. Вероятность радиационных переходов с ростом атомного номера растет гораздо сильнее (~Z⁴). Поэтому с ростом атомного номера, вследствие значительного увеличения вероятности радиационных переходов, относительная вероятность проявления безизлучательных оже-переходов уменьшается. для легких атомов относительная вероятность оже-переходов составляет ~ 95%, а для тяжелых (Z > 70) ~ 10%.

Глубина выхода оже-электронов

Высокая чувствительность ЭОС к условиям на поверхности обусловлена малой средней длиной свободного пробега электронов с кинетической энергией 20-250 эВ. Оже-электроны, отдавшие энергию на возбуждение плазменных колебаний, на возбуждение внутренних оболочек или на межзонные переходы, исключаются из наблюдаемых оже-пиков и становятся частью почти однородного фона, на который накладываются оже-пики. Потери на фононах малы по сравнению с естественной шириной оже-пиков и не влияют на глубину выхода. Поэтому выход оже-электронов не зависит от температуры образца.

Глубину выхода оже-электронов чаще всего определяют опытным путем, нанося атомно-однородные слои на металлические подложки и регистрируя при этом ослабление оже-пиков подложки. Амплитуда пиков экспоненциально уменьшается с увеличением толщины покрытия, что согласуется с экспоненциальной зависимостью вероятности выхода от глубины, на которой расположен эмиттирующий атом. На основе данных различных экспериментаторов была построена "универсальная" кривая глубины выхода, представленная на рисунке выше. На рисунке видно, что глубина выхода слабо зависит от вида матрицы. Это и понятно, ибо основные механизмы потерь включают в себя возбуждение электронов валентной зоны, а плотность валентных электронов не является сильно меняющейся функцией Z.

электронная спектроскопия ионное распыление

Анализ тонких пленок

В комбинации с ионным распылением характерную для ЭОС чувствительность к состоянию поверхности можно использовать для определения профиля концентрации элементов по глубине в тонких пленках. Как показано на рисунке ниже, ионный пучок создает кратер, диаметр которого намного больше диаметра электронного зонда. Профиль концентрации по глубине получают путем непрерывной регистрации элементного состава на дне кратера в ходе распыления. 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. Требуемое для нормальной работы ионной пушки постоянное давление аргона - 5*10^-5 мм. рт. ст. также практически не влияет на работу оже-спектрометр...