Основные методы исследования материалов, деталей машин и их свойств, страница 5

5.2  Молекулярная спектроскопия.

5.3  Спектроскопия конденсированных сред.

5.4  Ядерная спектроскопия.

Электронная спектроскопия

К основным методам электронной спектроскопии относятся рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС), оже–электронная спектроскопия (ОЭС) и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС). Эти методы, созданные на основе исследований К. Зигбана и сотр. [14, 15], первоначально имели общее название ЭСХА - электронная спектроскопия для химического анализа. В их основе лежат процессы, происходящие в электронной подсистеме твердого тела при облучении его фотонами и электронами.

Рентгеновские фотоны, падающие на поверхность образца с определённой энергией вызывают явление фотоэффекта (рис.). Когда энергия характеристического излучения изменяется в диапазоне от 132,3 эВ (YMξ) до 8048 эВ (CuKa) происходит фото возбуждение внутренних уровней (РФЭС, ОЭС); при hν ≤ 40,8 В – возбуждение внешних валентных орбиталей атомов и молекул (УФЭС).

Далее анализатор разделяет поток выбиваемых из поверхности образца электронов по кинетическим энергиям, а детектор определяет значение Е_кин. Зная энергию поглощённого фотона hν и кинетическую энергию выбитого электрона Е_кин, с помощью уравнения Энштейна можно рассчитать энергию связи электрона изучаемого уровня с ядром (Е_св):

Е_св = hν – Е_кин - j,

где  j  - константа прибора

Идентификацию химических элементов поверхности изучаемого материала проводят по Е_св, приведенным в таблицах в различных литературных источниках.

         Рис.             Схема спектроскопических методов исследования поверхности

                              (РФЭС, ОЭС, УФЭС, СИР, ВИМС, ЛАММА)

Глубина профилирования может изменяться от 1 до 10 нм в зависимости от угла выхода фотоэлектронов и энергии возбуждающего излучения (hν). Таким образом, вращая образец и изменяя источник излучения возможно проведение послойного анализа поверхности.

Помимо элементного состава по электронным спектрам можно делать вывод о химическом строении материала на основе анализа химических сдвигов остовных уровней изучаемого атома. Установлено, что сдвиг энергии связи любого электронного уровня в атоме пропорционален степени его окисления, т. е. зависит от ближайшего окружения этого атома.

Кроме этого электронные спектры могут быть использованы для проведения количественного анализа элементов и функциональных групп. Для этого используют соотношение:

                                                    n_i / n_k =(I_i  / G_i) / (I_k / G_k) 

где            n – концентрация атомов,

I – интенсивность линии спектра,

G – сечение фотоионизации,

i,k – виды атомов.

Однако, необходимо учитывать что ошибка количественного анализа электронных методов может достигать 20%.

Колебательная спектроскопия

Воздействие монохроматического изучения на материал приводит к упругому или же неупругому рассеянию. Методы изменения спектральных характеристик упруго рассеянных фотонов в зависимости от частотного диапазона воздействия изучения называют  инфракрасной спектроскопией  (ИКС) или ультрафиолетовой спектроскопией (УФС). Метод изменения спектральных характеристик не упруго рассеянных фотонов называют рамановской спектроскопией или спектроскопией комбинационного рассеивания (КР).

В основе ИК – методов колебательной спектроскопии лежит факт, что различные атомные группы поглощают и отражают излучение  строго индивидуальной частоты, которое называются  характеристической для данной группы. Таким образом, если просканировать поверхность материала последовательно по всему диапазону частот, то получим колебательный спектр, полосы в котором указывают на присутствие определённых функциональных групп. Для идентификации материала используют каталоги характеристических спектров.

ИК – излучения обычно проникают в материал на глубину порядка длины волны; таким образом вклад в спектр дают слои материала толщиной около 1 мкм и более.