В ряду важнейших технологических процессов в работе механизмов и машин, в работе современных элементов оптики и электроники определяющими оказалось явления, наблюдающиеся на границах раздела фаз и сред. Изучение таких явлений, происходящих в слоях и объемах с характерным размером 10...20Å, стало возможным лишь в последние 10...15 лет, благодаря разработке принципиально новых исследовательских методов и приборов, причем некоторые из них очень быстро распространились из научных лабораторий в производственные цеха, в частности ОЖЕ-спектрометры.
Современные методы диагностики поверхности и локальных объемов весьма разнообразны и быстро развиваются, поэтому есть смысл остановиться на кратком рассмотрении лишь нескольких методик, принципиально различных и лежащих в основе отдельных направлений.
Электронная спектроскопия для химического анализа (ЭСХА) основана на измерении кинетической энергии фотоэлектронов, выбитых из вещества квантами рентгеновского излучения с известной энергией.
В литературе для обозначения этого метода, кроме ЭСХА, используются еще аббревиатуры РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и УФЭС - ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия. В последнем случае для выбивания фотоэлектронов используются электромагнитные волны с большей, чем в ЭСХА длиной волны. Области УФЭС и РФЭС условно разделены энергиями используемых квантов: для УФЭС hn < 42 эВ, для РФЭС hn > 1 кэВ. Использование синхротронных источников перекрывает весь диапазон длин волн, делая бессмысленным деление на области УФЭС и РФЭС.
Используя уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта
Eсв = hn - Eкин, (3.5.1)
где n - частота зондирующего рентгеновского излучения, можно, определив Екин выбитого электрона, найти важнейшую характеристику Есв - энергию ионизации или энергию связи электронов.
Схема спектрометра фотоэлектронов представлена на рис.3.5.1. В классических схемах в качестве источников квантов используются источники с линейчатым спектром в УФЭС, в качестве источников РФЭС применяют рентгеновские трубки с анодами из Сu, Сг, Al, Мg, которые дают Ka-излучение с энергией 8048, 5415, 1487, 1254 эВ. Излучение дополнительно монохроматизируется фильтрами или кристаллами-монохроматорами. Сильное рассеяние и поглощение квантов и фотоэлектронов газами требует высокого вакуума - лучше, чем 1,3×10-5 Па.
 |
Рис.3.5.1. Принципиальная схема спектрометров ЭСХА (РФЭС), УФЭС: 1 - источник квантов, 2 - объект исследования, 3 - электронный анализатор, 4 - детектор, установленный в точке фокусировок электронов с данной энергией, 5 - защита от внешних полей
Анализируется поверхностные слои толщиной менее 10 нм любых элементов, кроме водорода, образцы не должны разлагаться в вакууме. В большинстве камер предусмотрена возможность нагрева или, наоборот, охлаждения образцов, ионная пушка позволяет с помощью бомбардировки ионами Ar очистить поверхность от окисных и адсорбированных слоев, снимать слой за слоем с поверхности, производя параллельно химический анализ.
Чувствительность спектрометров составляет около 1 эВ, поэтому ЭСХА является методом изучения химической связи. Минимальное количество элемента, достаточное для обнаружения, составляет 10-7...10-9 г. Подбор величин hn и Есв в уравнении 5.1, а также соответствующий выбор геометрии съемки позволяют исследовать состав и состояние атомов вещества в слое до 1 нм. Образцы для исследования представляют собой полированные шлифы размером на поверхности 10х10 мм, толщиной до 2...3мм, или круг диаметром ~10 мм такой же толщины.
Получаемая информация имеет вид энергетического спектра, пики которого идентифицируются по эталонам известных веществ, фотоэлектронная спектроскопия позволяет по смещению ионов и изменению формы пиков интенсивности обнаружить изменение энергии связи, обусловленное различными факторами: варьированием химического состава, фазового состава, окислением и адсорбцией в поверхностном слое.
При выбивании с внутренних атомных оболочек (K, L, M) электронов (см. рис. 3.4.1,б) образовавшаяся вакансия заполняется электроном одной из следующих внешних оболочек (N, O, Р). Освобождающаяся при этом энергия испускается в виде кванта характеристического рентгеновского излучения (излучательный переход) или расходуется в пределах атома на отрыв (эмиссию, конверсию) электрона с какой-либо внешней оболочки (ОЖЕ-переход). Эти эмиттрированные с внешних оболочек электроны называются ОЖЕ-электронами. Оба типа переходов возможны одновременно, но для легких элементов (Z<70) относительная вероятность ОЖЕ-переходов составляет ~95% против ~10% для тяжелых.
Спектры ОЖЕ-электронов используются для определения химического состава вещества, а также типа химической связи на поверхности, так как химическое взаимодействие вызывает сдвиг ОЖЕ-пиков в сравнении со спектрами несвязанных атомов. Значения энергии ОЖЕ-электронов для различных элементов занимают довольно широкий интервал - от нескольких электрон-вольт до десятков килоэлектрон-вольт, но используется чаще всего область в десятки и сотни электрон-вольт. Благодаря сравнительно низкой энергии глубина выхода таких электронов из конденсированного объекта невелика и это является основным преимуществом метода.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.