Содержание
- 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НАНОТЕХНОЛОГИЙ Диагностика и методы исследования нанообъектов и наносистем
- 3. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и Рентгеновская фотоэлектронная дифракция
- 4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ведет свое начало от первого наблюдения фотоэлектронного эффекта Герцем (1887 г.), теоретическое объяснение
- 5. После второй мировой войны Стейхард и Серфас из университета Лехай (Англия) решили возродить метод РФЭС в
- 6. В дальнейшем группа ученых под руководством К. Зигбана наблюдала и сдвиг внутренних уровней атомов под влиянием
- 7. Принцип работы. РФЭС основан на измерении энергии фотоэлектронов, выбитых с различных энергетических уровней атомов при облучении
- 8. Рис.1 Схема ФЭС-эксперимента. В качестве источника фотонов используется УФ-лампа, рентгеновский источник или синхротронное излучение. Электроны детектируются
- 9. На следующем рисунке иллюстрируется связь между диаграммой энергетических состояний электронов в твердом теле и энергетическим распределением
- 10. Рис.2 Конструкция электронного спектрометра ESCALAB MK II. Связь между диаграммой энергетических состояний электронов в твердом теле
- 11. Экспериментально наблюдаемые РФЭ-спектры представляют собой свертку энергетического распределения фотона, электронной структуры начального и конечного состояний изучаемого
- 12. Рис.3 Обзорный РФЭС-спектр оксида NbO
- 13. При использовании лабораторного рентгеновского, например, Mg Kα - источника (1253.6 эВ) удается анализировать внутренние уровни вплоть
- 14. Начиная с p-оболочек, РФЭ-спектры остовных уровней представляют собой дублеты, обусловленные спин-орбитальной jj-связью (см. рис.5). При l>0
- 15. Величина энергетического расщепления может достигать несколько электронвольт; она увеличивается с уменьшением l при постоянном n, а
- 16. В лабораторных источниках ширина рентгеновских линий составляет ~0,68 эВ для Mg Kα и ~0,83 эВ для
- 17. Выше отмечалось, что РФЭС-спектр определяется как начальным, так и конечным состоянием многоэлектронной системы. Благодаря кулоновскому и
- 18. Вторичная структура РФЭС-спектров значительно усложняет вид спектров, приводя, например, в случае металлов к асимметрии остовных уровней,
- 19. Вкратце упомянем об оже-переходах, индуцированных рентгеновским возбуждением. В отличие от фотоэлектронов кинетическая энергия оже-электронов не зависит
- 20. Химический сдвиг. Благодаря работам К.Зигбана установлено, что при переходе от одного химического соединения к другому происходит
- 21. Физическая причина химического сдвига иллюстрируется относительно простой моделью, которая достаточно успешно используется для интерпретации данных по
- 22. В результате разница в энергиях связи (химический сдвиг) остовных уровней атомов одного сорта в двух различных
- 23. Как следствие, в РФЭС-спектрах внутренних электронных состояний наблюдается химический сдвиг ΔEсв в сторону больших энергий связи.
- 24. На рис.6 построена гипотетическая шкала энергий связи. В качестве точки отсчета взят уровень Ферми (Eсв =0
- 25. На рис.7 представлены Nb3d-спектры металлического ниобия и оксидов NbO, NbO2 и Nb2O5. На поверхности низших оксидов
- 26. Анализ электронных спектров бинарных оксидов и металла позволяет установить индивидуальные параметры РФЭС-линий данных соединений: энергетическое положение,
- 27. Глубина анализа. Характеристическое рентгеновское излучение ионизирует внутренние уровни атомов на достаточно большой глубине. Однако на поверхность
- 28. В диапазоне кинетических энергий, характерных для РФЭС ( Рис.9. Зависимость интенсивности РФЭС-сигнала от длины свободного пробега
- 29. Для повышения чувствительности к поверхности РФЭС-измерения проводят под некоторым углом к нормали поверхности (θ), в этом
- 30. Соотношение интенсивностей этих полос определяется углом РФЭС-анализа: в направлении нормали к поверхности в спектрах присутствуют обе
- 31. Возможность восстанавливать профиль распределения элементов по глубине из угловых зависимостей РФЭС имеет важное практическое значение. Речь
- 32. На рис.11 показан пример использования такой программы для построения профиля гетероструктуры HfO2/SiO2/Si. Рис.11. Восстановленный профиль гетеро-
- 33. Если вернуться к рисунку 8, можно заметить, что с ростом энергии электронов величина λ также возрастает.
- 34. Количественный анализ. Если вернуться к обзорному спектру Nb (см. рис.3), то можно заметить, что интенсивность РФЭ-спектров
- 35. При рассмотрении бинарных систем концентрация элементов оценивается по отношению интенсивностей РФЭС линий двух элементов (Ii) с
- 36. Интенсивность РФЭС-сигнала (Ii) определяется через площадь под соответствующим пиком и точность ее оценки в значительной степени
- 37. Один из вариантов этого метода описан в и иллюстрирован на рис.12. В спектре такого типа величина
- 38. Площадь BS=P+Q вычисляется сначала для постоянного линейного фона B1=b. Полученное значение подставляется в уравнение выше для
- 39. Одним из интересных технических решений в РФЭС является угловое вращение образца (или анализатора электронов), в этом
- 40. В случае УФЭС-спектроскопии используется газоразрядная гелиевая лампа (рис.13а), генерирующая HeI- и HeII-излучение с энергиями 21.2 и
- 41. На рисунке 14а показан УФЭС-спектр меди с использованием HeI-излучения. Данная методика позволяет с высоким энергетическим разрешением
- 42. Рис.14. Фотоэлектронные спектры меди и золота, записанные с использованием ультрафиолетового (а) и синхротронного (б) излучений
- 43. В методе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) в качестве источника излучения выступает рентгеновская трубка с одним из
- 44. Таблица. Источники рентгеновского излучения в РФЭС
- 45. Невысокое энергетическое разрешение РФЭС определяется, в первую очередь, шириной полосы возбуждающего излучения (Табл.). Улучшить этот показатель
- 46. Рис.15. Монохроматор рентгеновского излучения (а), РФЭС-спектры S2p-серы, полученные без использования монохроматора и с монохроматором (б)
- 47. Наиболее совершенный источник рентгеновского излучения – тормозное излучение синхротронных ускорителей электронов. Этот тип источников универсален –
- 48. На сегодняшний день существует ряд синхротронных исследовательских центров, где на выходных каналах смонтированы РФЭС-спектрометры, пример подобного
- 49. Все это делает метод фотоэлектронной эмиссии с синхротронным излучением наиболее наукоемким и продвинутым в плане изучения
- 50. На рис.16 отражена география расположения синхротронных центров по странам и континентам. Видно, что наибольшее количество таких
- 51. Высокое энергетическое разрешение современных анализаторов электронов (единицы мэВ), УФ- или синхротронное излучение, высокое угловое разрешение (доли
- 52. Рентгеновская фотоэлектронная дифракция Рентгеновская фотоэлектронная дифракция (РФД), как вариант метода РФЭС с угловым разрешением известен достаточно
- 53. Рентгеновская фотоэлектронная (или оже-) дифракция основана на эффекте рассеяния фото- или оже-электронов на монокристаллических поверхностях и
- 54. Интенсивность вылетевших фотоэлектронов измеряется как функция от направления эмиссии фотоэлектрона k или как функция от энергии
- 55. Принцип метода, приближение однократного рассеяния плоских волн. Основные физические процессы, определяющие интенсивность фотоэлектронной дифракции, иллюстрируются рис.17.
- 56. Рис. 17. Иллюстрация основных процессов при фотоэлектронной дифракции. Вариант однократного рассеяния в приближении плоских волн
- 57. В простейшем варианте фотоэмиссии с s-оболчки (см. рис.17) с начальным s (li=0) - и единственным конечным
- 58. Следовательно, дифракционные эффекты, связанные с рассеянием на ближайшем окружении, наиболее ярко проявляются в системах с упорядоченным
- 59. Рис.18. Экспериментальная и теоретическая π2-дифракционные картины поверхности Nb(110) в излучении фотоэлектронов Nb3d (энергия 1050 эВ)
- 60. РФД структурный анализ, приближение прямого рассеяния. Рассмотрим основные особенности рентгеновской фотоэлектронной дифракции и вытекающие отсюда возможности
- 61. Рис.19. Угловое распределение амплитуды рассеяния электрона на атомах Ni и O при энергиях электрона 60-1000 эВ.
- 62. Таким образом, в этой области энергий интерференционные эффекты волн, рассеянных на ближайшем окружении, становятся пренебрежимо малы,
- 63. С уменьшением кинетической энергий фотоэлектронов Eкин
- 64. Приближение рассеяния сферических волн. Расширение возможностей РФД-метода для решения структурных задач связано с более полным теоретическим
- 65. Было установлено, что характер конечного состояния эмиттированного фотоэлектрона (тип волны - s, p, d, f, g
- 66. Оба метода аппроксимируют рассеивающую систему кластером индивидуальных атомов, что хорошо соответствует локальному характеру формирования дифракционных эффектов
- 67. Рис.20. Рассчитанные 2π-проекции дифракции электронов (Eкин=60 эВ) на поверхности Cu(001) в приближении однократного рассеяния сферических волн
- 68. Применение методов расчета интенсивности фотоэлектронной дифракции в аппроксимации сферических волн даже в приближении однократного рассеяния (SSC-SW)
- 69. В адсорбционных системах с надповерхностными структурами адатомов используются, как правило, РФД-зависимости электронных состояний адсорбата для малых
- 70. На рис. 21 представлены результаты теоретических расчетов многократного рассеяния для Al 2s-электронов (Екин=1336 эВ), выполненные методом
- 71. Рис.21. Сопоставление результатов расчетов однократного и многократного рассеяния на примере дифракции фотоэлектронов Al 2s (Eкин=1336,0 эВ)
- 72. Рентгеновская фотоэлектронная голография. Выше рассмотрены возможности структурного РФД-анализа при использовании распространенной и хорошо разработанной методики моделирования
- 73. Первое восстановление изображения атомов в пространстве по экспериментальным дифракционным картинам выполнено для поверхности Cu(001) профессором Харпом
- 74. Рис.22. Трехмерное изображение поверхности Cu(001), полученное методом дифференциальной фотоэлектронной голографии
- 75. Области применения РФД. РФД-эксперименты, на сегодняшний день, выполнены на широком круге объектов: поверхностей, тонких слоев, адсорбционных
- 76. В качестве примера использования РФД-методики в ИХТТ УрО РАН можно привести результаты исследования адсорбции газов (N2,O2,CO,NO)
- 77. Рис.23. РФЭС- и РФД-исследование адсорбции азота на Ti(0001): а – спектр N1s-азота с двумя выделенными состояниями;
- 78. Для того, чтобы определить структурные позиции двух форм азота были выполнены РФД-эксперименты для каждой из наблюдаемых
- 79. Атомы азота NII, расположенные на поверхности титана, не создают выраженной РФД-картины, последняя формируется за счет обратного
- 80. Пример реализации РФД на лабораторном спектрометре. На рис.24 показана схема РФД- эксперимента на спектрометре VG ESCALAB
- 81. Рис.24. Схема реализации метода РФД на спектрометре VG ESCALAB Mk II
- 82. Описанный способ прост и позволяет без труда менять режим РФЭС с усреднением по углу на РФД-методику
- 83. Каждый спектр разлагается на составляющие, ответственные за неэквивалентные формы элемента, определяется интенсивность каждой полосы, и строятся
- 84. Снижение интенсивности сигнала фотоэмиссии в 40-100 раз отчасти удается компенсировать повышением энергии пропускания анализатора с электронов
- 85. Стандартный РФЭС-спектрометр можно использовать для построения РФД-картин, выполнив два основных условия: уменьшить угол сбора фотоэлектронов организовать
- 86. Рис.25. Держатели образцов, используемые для РФЭС УР- и РФД-экспериментов: организуется вращение образцов по азимутальному и полярному
- 87. В настоящее время созданы специализированные спектрометры для проведения экспериментов РФЭС с угловым разрешением и фотоэлектронной дифракции.
- 88. Рис.26. Спектрометр Theta Probe (Termo Scientific)
- 89. Наконец, следует отметить еще одно современное направление в фотоэлектронной дифракции. Оно связано с использованием для возбуждения
- 90. Рис.26. Расчеты РФД-картин фотоэлектронной дифракции поверхности C(111) алмаза для энергий фотоэлектронов 0.520 кэВ
- 91. Однако, в настоящее время еще не проводились измерения фотоэлектронной дифракции для таких высоких энергий, хотя возбуждение
- 92. Рис.27. Пример построения карты дисперсии зон и поверхности Ферми Cu(100) на основе данных РФЭС УР
- 93. В качестве последнего примера использования рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением и ее структурной составляющей –
- 94. Другими словами, в режиме РФД, когда угловое разрешение спектрометра велико, записываются спектры валентной полосы с очень
- 95. Экспериментальные возможности методов фотоэлектронной спектроскопии и фотоэлектронной дифракции : • поверхностная чувствительность, глубина анализа РФЭС и
- 97. Скачать презентацию