Курсовая работа: Эффект Оже. Оже–спектроскопия

Рис. 2. Участок энергетического спектра вторичных электронов: а – до дифференцирования, N (Е) , б – после дифференцирования,

Чтобы понять, как была решена эта задача, обратимся к рис. 2, 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. 2, а , оже-электроны образуют однополярный пик очень малой интенсивности, который накладывается на большой фоновой ток неупругорассеянных электронов, при этом последний относительно слабо зависит от энергии. Харрис предложил продифференцировать спектр N (Е ), то есть превратить его в

, в результате чего фон практически исчезает, а на месте слабого оже-сигнала колоколообразной формы появляется интенсивный двухполярный пик с амплитудой А (рис. 2, б ), который легко может быть зарегистрирован. При этом дифференцирование осуществляется электрическими методами непосредственно в процессе записи спектра.

Энергоанализаторы оже-электронов

В оже-спектроскопии атомы возбуждают электронным, фотонным (рентгеновским) и ионным пучками, соответственно различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС) оже-спектроскопию. Регистрация оже-спектров производится с помощью оже-спектрометров, близких по конструкции в случае ЭОС, РОС, и ИОС (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема оже-спектрометра: 1 – источник первичных частиц (электронов, фотонов, ионов); 2 – исследуемый образец; 3 – ионная пушка для для прослойного распыления образца; 4 – энергетический анализатор электронов; 5 – система регистрации и обработки данных. Пунктиром обведена вакуумная часть прибора.

Исследумый образец помещают в вакуумную (до 10 ^-11 мм рт.ст.)камеру и облучают электронными пучками первичных частиц, источниками которых служат электронная пушка, рентгеновская трубка и ионная пушка; они должны обеспечивать потоки частиц, интенсивность которых достаточна для эмиссии оже-электронов в количестве, надежно регистрируемом измерительной аппаратурой. Электронные и ионные пучки легко фокусируются, их можно развернуть в растр по поверхности образца (сканирующие оже-спектрометры), что позволяет изучать распределение по поверхности образца атомов различных химических элементов с высоким пространственным разрешением (~30 нм). Рентгеновский зонт имеет минимальный диаметр ~150 мкм, сканирующая РОС пока не используется.

Основной узел оже-спектрометра — энергоанализатор оже-электронов. Чаще всего используется электро-статические анализаторы с продольными и поперечными энергетическими полями (рис. 4). В анализаторах первого типа направления электрического поля и движения электронов совпадают. К этому типу анализаторов относится многосеточный анализатор с тормозящим полем (рис. 4, а ); в нем максимальная энергия электронов, попадающих на коллектор анализатора, определяется по задерживающему потенциалу на сетках 3 .

Рис. 4. Энергоанализаторы оже-электронов с продольным (а ) и поперечным (б,в,г,д ) электрическими полями: а – четырехсеточный анализатор с тормозящим полем; б – 127-градусный анализатор Юза – Рожанского; в, г – плоские, цилиндрические зеркала; д – сферический дефлектор. 1 – источник первичных частиц; 2 – образец; 3 – электроды анализатора – сетки (а ), цилиндрические (б, г ), плоские (в ), сферические (д ) поверхности; 4 – коллектор электронов – сферический электрод (а ) или электронный умножитель (б,в,г,д ).

В анализаторе второго типа (с дисперсией по энергии) электрон движется в поперечном электрическом поле по окружности, радиус которой зависит от его энергии (рис. 4, б , в , г , д ). Выделив с помощью диафрагм траекторию определенного радиуса и регистрируя ток электронов, движущихся по этой траектории в зависимости от напряженности электрического поля (изменяя разность потенциалов между внешними и внутренними электродами 3 анализатора), измеряют распределение электронов по энергиям. К анализаторам такого типа относятся, например, 127-градусный цилиндрический анализатор Юза – Рожанского (рис. 4, б ), плоское (рис. 4, в ), цилиндрическое (рис. 4, г ) и сферическое (рис. 4, д ) зеркала. Они обеспечивают чувствительность на два порядка выше по сравнению с многосеточным анализатором с тормозящим полем, однако последний позволяет сочетать методы оже-спектроскопии с дифракцией медленных электронов, что дает возможность наряду с элементарным составом приповерхностных слоев монокристаллических образцов получать сведения об их кристаллической структуре. Обычно регистрируют не энергитическое распределение числа N эмитированных электронов по энергиям E , а производную (Е – энергия электронов), что позволяет не только более четко выделить линии оже-спектра (повысить чувствительность метода), но и более детально анализировать их структуру.

Методами ЭОС и РОС осуществляют анализ для всех элементов переодической системы, за исключением Н и Не. Метод ИОС обладает селективностью: определенные ионы способны возбуждать эмиссию оже-электронов лишь в атомах определенных элементов, что обусловлено механизмом обменной генерации вакансий во внутренних электронных оболочках атомов ионным пучком. Поэтому применение метода ИОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемент, а не проводить полный анализ элементного состава поверхности.

Получение энергетического спектра

Для обнаружения оже-электронов необходимо уметь выделять электроны, находящиеся в очень узком интервале энергий. В оже-спектроскопии чаще всего используют электростатические анализаторы, и в частности анализаторы типа "цилиндрическое зеркало". На рис. 5 приведено схематическое изображение такого анализатора, позволяющее понять принцип его действия.

Одновременно с этим показан образец 1 , бомбардируемый ускоренными электронами, который в данном случае является источником вторичных электронов, в том числе и оже-электронов.

Рис. 5. Схематическое изображение энергоанализатора типа “цилиндрическое зеркало”: 1 – образец, 2 – внутренний цилиндр, 3 – внешний цилиндр, 4 – окна для входа и выхода электронов, 5 – коллектор, 6 – магнитный экран.

Основными элементами анализатора служат два металлических коаксиальных цилиндра 2 и 3 с радиусами r₁ и r₂ . Внутренний цилиндр обычно заземляют, а на внешний подается отрицательный (относительно земли) потенциал, который может быть изменен в достаточно широких пределах. 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 во внутреннем цилиндре и попадают на коллектор. 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. Это сильно упрощенное описание принципа работы анализатора. На самом деле движение электронов происходит по достаточно сложным траекториям, а регистрируются электроны не с фиксированной энергией (даже при U = const), а в некотором интервале энергий, который определяется конструкцией анализатора, качеством его изготовления и другими факторами. Этот интервал определяет энергетическое разрешение анализатора, то есть минимальное расстояние между двумя близко лежащими пиками в спектре, которые еще могут быть различимы.

На точность измерений энергий 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 (см. рис. 5).

Количественная оже-спектроскопия

Основной задачей количественной ОЭС является определение концентраций атомов, входящих в состав многокомпонентных образцов. Понятно, что интенсивность оже-сигналов (ток электронов, появляющихся в результате оже-процесса АВС в атомах какого-либо сорта) и концентрация атомов взаимосвязаны. Для того чтобы установить эту связь, коротко рассмотрим основные факторы, влияющие на величину этого тока.

Сечение ионизации

Первым и необходимым этапом любого оже-процесса является ионизация внутреннего уровня первичным электроном. В качестве характеристики эффективности ионизации используют величину сечения ионизации s, которая зависит как от глубины залегания уровня, так и от энергии первичного электрона. Сечение ионизации есть не что иное, как вероятность ионизации в расчете на один атом. Зависимость s от энергии имеет достаточно сложный характер, и универсальной формулы для его определения не существует. Чаще всего пользуются полуэмпирическими формулами, которые хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно этим выражениям существует энергетический порог, совпадающий с энергией связи электрона Е (А ) на уровне А . При энергии первичного электрона , равной (3-4)Е(А) , характерен максимум, после которого наблюдается медленный спад. Из такого упрощенного описания уже можно сделать вывод о том, что максимальное число оже-электронов, а следовательно, и максимальная чувствительность метода реализуется в случае, когда .

Вероятность оже-процесса

Следующий этап - сам оже-процесс, характеризуемый вероятностью , от которой также зависит количество образующихся оже-электронов. Вспомним, что конкурирующим процессом после ионизации уровня является излучение фотона (флуоресценция). Оказывается, что гораздо проще определить выход флуоресценции , чем величину . Поэтому для описания вероятности оже-процесса пользуются величиной . Надо заметить, что для большинства оже-переходов близок к нулю.

Глубина выхода оже-электронов

Количество оже-электронов зависит также от того, с какой глубины они выходят. Образовавшийся на какой-то глубине оже-электрон при движении к поверхности может испытать неупругое столкновение и потерять часть своей энергии. Такие электроны выпадают из рассмотрения, поэтому часто за глубину выхода оже-электрона принимают среднюю длину пробега для неупругих столкновений , зависящую от Е(АВС) . Глубина выхода, пожалуй, наименее изученный параметр, используемый в количественном оже-анализе.

Коэффициент обратного рассеяния

Ионизация атомов в зоне выхода оже-электронов может осуществляться не только электронами первичного пучка, но и частью обратнорассеянных электронов, имеющих достаточно большую энергию. Это приводит к увеличению выхода оже-электронов, что может быть учтено введением коэффициента обратного рассеяния R , который определяется как теоретически, так и экспериментально. Однако для многокомпонентных объектов это далеко не всегда просто сделать.

Основное уравнение оже-спектроскопии

Обсудив различные факторы, влияющие на выход оже-электронов, можно записать выражение, связывающее ток оже-электронов, эмитируемых твердым телом под углом к его поверхности, и концентрацию атомов в твердом теле (i - индекс элемента).

, (3)

где – величина, учитывающая эффективность сбора электронов, зависящая от типа анализатора.

Эта формула дает полный оже-ток для всех возможных оже-переходов, возникающих при ионизации уровня Е_А . Если измеряется конкретный оже-пик, в формулу (3) необходимо добавить множитель, учитывающий относительную вероятность оже-перехода.