Реферати українською » Наука и техника » Ефект Оже. Оже–спектроскопия


Реферат Ефект Оже. Оже–спектроскопия

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Курсова робота

Виконала: студентка грн. Ф – 31 Хомовненко Є. Про.

Астраханский Державний Університет

Кафедра фізики та електроніки

Астрахань, 2003 р

Запровадження

Для дослідження твердих тіл використовується масу різноманітних методів, дозволяють отримувати вичерпну інформацію про хімічний склад, кристалічною структурі, розподілі домішок і багатьох інших властивості, які мають і суто науковий, і практичний інтерес. Нині особливе значення надається методами аналізу поверхні (під поверхнею мається на увазі кордон розділу фаз). Коли говорять про поверхні твердого тіла, то найчастіше мають на увазі кордон розділу між газоподібної та міцної фазами. Настільки пильна увага до пов'язані з її унікальні корисні властивості, які, з одного боку, сильна мірою впливають на ті характеристики самого твердого тіла, з другого - можна використовувати до створення приладів та пристроїв нової генерації.

Переважна більшість методів аналізу поверхні використовуються різноманітних явища, що відбуваються при вплив її у корпускулярних частинок і електромагнітних випромінювань. Якщо такої впливу наводять, наприклад, до випускання електронів, а інформацію про властивості поверхні отримують під час аналізу електронних спектрів, то говорять про методах електронної спектроскопії. На відміну з інших частинок електрони не змінюють складу залишкової атмосфери сверхвысоковакуумных камер, у яких проводяться дослідження, легко реєструються і піддаються рахунку. Остання обставина дозволяє не так важко проводити кількісний аналіз поверхні, тобто отримувати, наприклад, даних про концентраціях атомів різних елементів.

Серед усіх электронно-спектроскопических методик окреме місце посідає оже-электронная спектроскопія (ОЕС), яка, мабуть, є найбільш поширеної методикою.

Ефект Оже

Ефект, у якому заснована ОЕС, було відкрито 1925 року французьким фізиком П'єром Оже (P. Auger) (тому й назва методу). Суть її у наступному.

Оже-процесс можна розділити на стадії. Перша – іонізація атомф зовнішнім випромінюванням (рентгенівським, швидкими електронами, іонами) із заснуванням вакансії одній із внутрішніх оболонок. Такий стан атома хитливо, і другий стадії відбувається заповнення вакансії електроном одній з вышележащих рівнів енергії атома. Выделяющаяся у своїй енергія то, можливо испущена як кванта характеристичного рентгенівського випромінювання, але, можливо передано третьому атомному електрону, які виникли внаслідок вилітає з атома, т. е. спостерігається оже- ефект.

На рис. 1 показаний фрагмент електронної структури атома, до складу якої входять три електронних рівня, частково чи цілком зайняті електронами (на рис. 1 їх визначено як До, L1 , L2). Якщо атом обстреливается прискореними електронами е, енергія яких перевищує потенціалу іонізації рівня До, що існує ймовірність іонізації цього рівня, у результаті у ньому утворюється вакансія (позначена світлим гуртком). Такий стан енергетично невигідно для атома, тому кілька днів вакансія заповнюється з допомогою переходу електрона з вышележащего рівня L1 (перехід вказано стрілкою 1). У цьому виділяється енергія, рівна різниці енергій зв'язку електрона на рівнях До і L1 . Надалі процес може бути двома шляхами: або перебуватиме испущен рентгенівський фотон, або цю енергію безызлучательным способом передадуть іншому електрону, що знаходиться, наприклад, лише на рівні L2 . Якщо з такою енергії буде досить, відбудеться іонізація рівня L2 , у результаті буде испущен електрон (стрілка 2 на рис. 1). Реалізація другий можливості це і є власне оже-процесс, а эмитируемый електрон називають оже-электроном.

Виявляється, що, вимірявши енергію такого електрона, можна визначити, якому елементу Періодичній таблиці Менделєєва відповідають обстреливаемые електронним пучком атоми. Така можливість зовсім пояснюється лише тим, що енергія оже-электронов залежить від енергії бомбардирующих електронів, а визначається лише електронної структурою атомів, добре відомої.

Рис. 1. Схематическое зображення оже-процесса в атомі.

Значення кінетичної енергії вылетающих електронів залежить від енергії частинок зовнішнього випромінювання. Значення притаманні атомів певного хімічного елемента і рівні різниці енергій порушених станів атома:

,

де - енергія іонізованого атома з вакансією внутрішній оболонці, - енергія атома після заповнення вакансії однією з електронів атома, - порогова енергія вильоту оже-электронов з одноразово іонізованого атома. Значення щодо різноманітних атомів і різних квантових переходів у яких лежать у межах від 50 до 3000 эВ.

У результаті кінцівки часу життя порушеної стану атома, іонізованого на першої стадії, існує розкид значень кінетичною енергії оже-электронов:

.

Якщо позначити оже-процесс звичайним чином через послідовність рівнів, приймаючих у ньому участь, , то першому наближенні енергія оже-электронов визначається за формулою

,                                          (1)

де , і – енергії зв'язку електронів на рівнях .

За більш суворому підході для енергії оже-электронов вводять поправку , пов'язану про те, що дозволить після оже-процесса в атомі утворюються дві дірки. Є різноманітні способи визначення . Найпростішим є спосіб, у якому наявність дірок враховується залученням даних для сусіднього елемента з вищим атомним номером. Тоді, у загальному разі нічого для будь-якого оже-процесса , що у атомі з порядковим номером , можна записати

,                                    (2)

де через , У і З як і є такі рівні, що у процесі.

У твердих тілах наявність двох дірок призводить до перерозподілу зарядів і що виникає у своїй поляризація збільшує енергію емітованих електронів порівняно з вільними атомами. Цей зрушення деяких випадках може становити 10-20 эВ.

У оже-процессе з тим чи іншого ймовірністю можуть взяти електрони різних атомних оболонок, тому енергетичний спектр вылетающих з атома оже-электронов (оже-спектр) містить за кілька десятків перекрывающихся між собою оже-линий.

Оже-эффект відбувається в ізольованих атомах, а й у молекулах (число оже-линий значно зростає), соціальній та твердих тілах. У разі поруч із переходами між внутрішніми рівнями енергії спостерігаються переходи з участю електронів валентною зони, причому ширина зони і щільність станів у ній впливають на форму оже-линий. Вивчення енергетичної структури та здійснення хімічного аналізу речовини - предмет оже-спектроскопии.

Для позначення оже-переходов застосовують правило: якщо первинна вакансія лежить у електронному К-слое, її заповнення сталося шляхом перейшовши електрона з L-слоя, а енергія було передано електрону M-слоя, то оже-електрон називається KLM-электроном (як і позначають і відповідні перехід і оже-линию в спектрі). Переходи з участю електронів валентної зони позначають буквою V (наприклад, перехід LVV).

Особливий випадок оже-эффекта є процес, у якому вакансія заповнюється електроном тієї самої електронного шару (т. е. електроном з тим самим головним квантовим числом). Такі переходи (наприклад, ) називаються переходами Костера-Кронига.

У ядерній фізиці ефект, аналогічний оже-эффекту, коли енергія передається одного з атомних електронів, називається внутрішньої конверсії. На відміну від оже-электронов (50 - 3000 эВ), кінетична енергія конверсійних електронів становить кілька МэВ.

Глибина виходу оже-электронов

Головною перевагою ОЕС проти багатьма іншими методами є дуже мала глибина аналізу, що робить цю методику придатної на дослідження поверхні. Натомість, глибина аналізу визначається довжиною вільного пробігу електронів в твердому тілі себто неупругих взаємодій. Зрозуміло, чому це. Якщо що виник в твердому тілі оже-електрон під час руху до відчує хоч один неупругое взаємодія (наприклад, зробить іонізацію атома), він втратить частина енергії не залишиться зареєстровано сюжеті, який нас місці енергетичного спектра вторинних електронів, що формується при бомбардуванню твердого тіла прискореними електронами. Тобто оже-электроны, народжені на глибині більшої, ніж довжина вільного пробігу, відповідальності інформацію про перебування атомів даного сорти. Довжина вільного пробігу сильна мірою залежить від швидкість руху, отже, і південь від енергії електронів. Зазвичай досліджуються оже-электроны з енергіями і від кількох десятків электронвольт за кілька килоэлектронвольт. В усіх життєвих матеріалах довжина вільного пробігу (отже, та глибина аналізу) таких електронів вбирається у 2-3 нм, тобто величини, що з періодом кристалічною грати твердого тіла. У цьому левова частка інформації надходить із глибини 0,5-1,0 нм, що робить ОЕС унікальним методом дослідження поверхні.

Оже-спектроскопия

Оже-спектроскопия – область електронної спектроскопії, основу якої лежать виміру енергії і інтенсивностей струмів оже-электронов, а як і аналіз форми ліній спектрів оже-электронов, емітованих атомами, молекулами і твердими тілами внаслідок оже-эфеккта. Енергія оже-электронов визначається природою испускающих атомів з оточуючими, що зумовлює невеликим змін енергії оже-электронов. Тож за оже-спектрам можна визначити елементарний склад приповерхностных верств твердих тіл, одержувати інформацію про межатомных взаємодію, здійснювати хімічний аналіз газу. Оже-спектроскопия газів використовується як і на дослідження механізму оже-эффекта, основних та порушених станів двічі іонізованих атомів, різних ефектів, що з процесом початкового порушення атома. Аналіз елементного складу виробляється шляхом зіставлення оже-спектров з табличными даними. Розташування піку енергетичному спектрі оже-электронов несе інформацію про хімічної природі атомів, його амплітуда – про їхнє концентрації. Взаимодействия атома з його оточення виявляється у формі оже-пиков та його енергетичних зрушеннях.

Реалізація методу

Реєстрація оже-электронов

Якщо оже-эффект було відкрито 1925 року, то перші прилади, у яких використали на дослідження поверхні, з'явилися лише 60-ті роки ХХ століття. Щоб пояснити таку велику затримку у часі, доведеться дізнатися, чим є спектр вторинних електронів, які виникають при бомбардуванню твердого тіла прискореними електронами. Виявляється, політика щодо енергій, у якій перебувають оже-электроны, є велика кількість неупругорассеянных первинних електронів, що утворюють суцільний спектр, є тлом, у якому доводиться виділяти оже-электроны. Струм неупругорассеянных електронів кілька порядків перевищує струм оже-электронов, тому виникає звичайна труднорешаемая завдання виділення корисного сигналу лише на рівні великого фону. Це завдання уперше було розв'язано нелегку для 1962 року Л.А. Гаррісом, після чого почався період бурхливого розвитку оже-электронной спектроскопії.

Рис. 2. Ділянка енергетичного спектра вторинних електронів: а – до диференціювання, N(Е), б – після диференціювання,

Щоб осягнути, якою була вирішена це завдання, звернімося рис. 2, але в якому був зображений ділянку енергетичного спектра (N - число електронів, Є - їхня енергія) вторинних електронів, куди потрапляють, і оже-электроны з енергією Е1 .

Як очевидно з рис. 2, а, оже-электроны утворюють однополярний пік дуже малій інтенсивності, який накладається великий фонової струм неупругорассеянных електронів, у своїй останній щодо слабко залежить від енергії. Харріс запропонував продифференцировать спектр N(Е), тобто перетворити їх у


, у результаті фон практично зникає, але в місці слабкого оже-сигнала колоколообразной форми з'являється інтенсивний двухполярный пік з амплітудою А (рис. 2, б), який легко можна реєструвати. У цьому диференціювання здійснюється електричними методами у процесі записи спектра.

Энергоанализаторы оже-электронов

У оже-спектроскопии атоми збуджують електронним, фотонним (рентгенівським) і іонним пучками, відповідно розрізняють електронну (ЭОС), рентгенівську (РІС) і іонну (ИОС) оже-спектроскопию. Реєстрація оже-спектров проводиться за допомогою оже-спектрометров, близьких за конструкцією у разі ЭОС, РІС, і ИОС (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема оже-спектрометра: 1 – джерело первинних частинок (електронів, фотонів, іонів); 2 – досліджуваний зразок; 3 – іонна гармата для для прослойного розпорошення зразка; 4 – енергетичний аналізатор електронів; 5 – система реєстрацію ЗМІ й обробки даних. Пунктиром обведена вакуумна частина приладу.

Исследумый зразок вміщують у вакуумну (до 10 -11 мм рт.ст.)камеру і опромінюють електронними пучками первинних частинок, джерелами яких служать електронна гармата, рентгенівська трубка і іонна гармата; вони мають забезпечувати потоки частинок, інтенсивність яких достатня для емісії оже-электронов у кількості, надійно регистрируемом вимірювальної апаратурою. Електронні та іонні пучки легко фокусуються, їх можна розгорнути в растр поверхнею зразка (скануючі оже-спектрометры), що дозволяє вивчати розподіл поверхнею зразка атомів різних хімічних елементів з великим просторовим дозволом (~30 нм). Рентгенівський парасолю має мінімальний діаметр ~150 мкм, сканирующая РІС доки використовується.

Основний вузол оже-спектрометра — энергоанализатор оже-электронов. Найчастіше використовується электро-статические аналізатори з поздовжніми і поперечними енергетичними полями (рис. 4). У анализаторах першого типу напрями електричного поля і рух електронів збігаються. До цього типу аналізаторів належить многосеточный аналізатор з який гальмує полем (рис. 4, а); у ньому максимальна енергія електронів, потрапляють на колектор аналізатора, визначається по задерживающему потенціалу на сітках 3.

Рис. 4. Энергоанализаторы оже-электронов з подовжнім (чи поперечним (б,в,г,д) електричними полями: а – четырехсеточный аналізатор з який гальмує полем; б – 127-градусный аналізатор Юза – Рожанского; в, р – плоскі, циліндричні дзеркала; буд – сферичний дефлектор. 1 – джерело первинних частинок; 2 – зразок; 3 – електроди аналізатора – сітки (а), циліндричні (б, р), плоскі (в), сферичні (буд) поверхні; 4 – колектор електронів – сферичний електрод (а) чи електронний умножитель (б,в,г,д).

У аналізаторі другого типу (з дисперсией по енергії) електрон рухається в поперечному електричному полі з окружності, радіус якої залежить з його енергії (рис. 4, б, в, р, буд). Виділивши з допомогою діафрагм траєкторію певного радіуса і реєструючи струм електронів, які за цієї траєкторії залежно від напруженості електричного поля (змінюючи різницю потенціалів між зовнішніми і внутрішніми електродами 3 аналізатора), вимірюють розподіл електронів по енергій. До аналізаторах подібного типу ставляться, наприклад, 127-градусный циліндричний аналізатор Юза – Рожанского (рис. 4, б), пласке (рис. 4, в), циліндричне (рис. 4, р) і сферичне (рис. 4, буд) дзеркала. Вони забезпечують чутливість на два порядки вища проти многосеточным аналізатором з який гальмує полем, проте останній дозволяє поєднувати методи оже-спектроскопии з дифракцией повільних електронів, що дозволяє поруч із елементарним складом приповерхностных верств монокристаллических зразків отримувати відомостей про їх кристалічною структурі. Зазвичай реєструють не энергитическое розподіл числа N емітованих електронів по енергій E, а похідну (Є – енергія електронів), що дозволяє як чіткіше виділити лінії оже-спектра (підвищити чутливість методу), але

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація