684_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_spektroskopii_

первичных электронов. Таким способом можно менять глубину анализа приблизительно на порядок – от 5 до 50 Å.

Следовательно, любой метод, использующий анализ электронов с дискретной энергией в этой области энергий, испускаемых или рассеянных твердым телом, чрезвычайно чувствителен к поверхности и позволяет зондировать только несколько первых атомных слоев.

2.3. Неупругие электрон-электронные взаимодействия

Процессы, приводящие к потере энергии падающих электронов за счет передачи твердому телу, являются неупругими.

В результате неупругих электрон-электронных взаимодействий возникают вторичные электроны, Оже-электроны, характеристическое, непрерывное рентгеновское излучение, длинноволновое электромагнитное излучение в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, электронно-дырочные пары, колебания решетки (фононы) и электронные колебания (плазмоны) [4].

Оценить сечение неупругого взаимодействия при рассеянии в поле центральной силы можно методом импульсного приближения. Расчеты дают формулу [3]:

где Е – кинетическая энергия, ЕВ – энергия связи орбитального электрона [3], а U=E/EB – приведенная энергия электрона.

На рис. 2.5 приведена теоретическая зависимость сечения ударной ионизации от приведенной энергии U в твердом теле.

Можно видеть, что при U<1 сечение ударной ионизации e=0, что соответствует значениям энергии падающих электронов ниже ЕВ.

Для более точного расчета сечения ионизации используют те или иные полуэмпирические формулы, [3]:

12

Рис. 2.5. Зависимость сечения ударной ионизации в твердом теле от приведенной энергии U [3]

С ростом энергии первичных электронов (Е > Еп) сечение ионизации увеличивается, достигает максимума (при Eп/E ~ 2,5…3) и медленно

уменьшается (по закону ~1/E). Именно этот фактор является определяющим при выборе энергии первичных электронов.

Помимо ионизации внутреннего уровня за счет взаимодействия первичного (с энергией E) и связанного электронов существует дополнительный источник ионизации этого уровня – электронами высокой энергии (Е>Еп),

претерпевшими обратное рассеяние.

13

3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

3.1.Общие характеристики электронных спектрометров

Как уже было сказано выше, методы электронной спектроскопии основаны на анализе распределения энергий электронов, эмитируемых исследуемой поверхностью. Основным назначением любого электронного спектрометра является выделение из электронов, входящих в спектрометр с широким диапазоном энергий (и углов вследствие расходимости источника), только тех, энергии которых независимо от угла входа находятся в определенном узком диапазоне энергий.

Запись энергетического спектра вторичных электронов является основой любого метода электронной спектроскопии. В зависимости от задачи спектры записываются либо в виде N(E) (число электронов как функция энергии), либо в виде его первой или второй производных dN(E)/dE или d2N(E)/dE2.

Центральной частью любого спектрометра является анализатор – устройство, позволяющее измерять число электронов, обладающих энергиями, лежащими в заданном интервале. Его энергетическое разрешение обычно лежит в диапазоне 0,1- 0,5%. Стандартные электронные пушки с термо- и автокатодами обеспечивают моноэнергетичность пучков электронов порядка 1 и порядка 0,1 эВ соответственно. В анализаторах используются физические принципы, связанные с отклонением заряженных частиц в электростатическом или магнитном поле.

Цель анализатора - выделить из всего спектра вторичных электронов только электроны с определённой энергией, называемой энергией пропускания. Энергией пропускания управляют с помощью напряжений, прикладываемых к электродам анализатора. Для получения всего спектра изменяют напряжения на электродах и записывают ток электронов как функцию энергии пропускания.

Все типы электронных спектрометров содержат сверхвысоковакуумную камеру, снабжённую системой откачки, в которую помещают исследуемый образец, источник возбуждающего излучения, анализатор, а также регистрирующую аппаратуру.

Существуют две причины, по которым анализ поверхности должен осуществляться в сверхвысоком вакууме.

Во-первых, длина свободного пробега электронов, эмитированных поверхностью исследуемого образца, должна быть намного больше размеров спектрометра, чтобы на пути к анализатору они не претерпели рассеяния и, тем самым, не были утрачены для анализа.

Во-вторых, поскольку большинство анализируемых электронов образуется в нескольких верхних атомных слоях, то результаты экспериментов весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода.

Различные особенности электронных спектров и требования, налагаемые методикой исследования, привели к созданию множества анализаторов. В большинстве анализаторов для электронной спектроскопии используются

14

электростатические силы. Они могут быть подразделены на два основных класса:

-анализаторы задерживающего поля;

-анализаторы отклоняющего типа.

На рис.3.1(а,б) показаны области в спектре вторичных электронов, соответствующие энергиям электронов, выделяемым анализаторами задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0) и анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетического окна Е0 ± Е). Процесс анализа частиц в анализаторах отклоняющего типа основан на фокусирующем и диспергирующем действии электростатического поля между электродами на поток заряженных частиц.

N (E)

a Ep

N (E)

Рис. 3.1. Затемнённая область на спектре вторичных электронов соответствует электронам, выделяемым: а) анализаторами задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0); б) анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетического окна Е0 ± Е) [4]

15

3.2. Анализаторы задерживающего поля (АЗП)

При исследовании поверхности в качестве широкополосного светосильного фильтра наиболее широко используется анализатор задерживающего поля (АЗП). В этом анализаторе используется тормозящее электростатическое поле, которое пропускает на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля. Сущность метода заключается в определении энергии электронов по максимальной величине потенциального барьера, который они могут преодолеть, двигаясь в тормозящем поле. В АЗП нет фокусировки по направлению, и поэтому их используют для определения только продольных составляющих скоростей электронов. Анализаторы задерживающего поля (АЗП) отсекают электроны с энергией меньше, чем Е0 = eU0. Флуоресцентный экран служит коллектором электронов.

Образец помещается в центр набора концентрических сферических секторных сеток (рис. 3.2).

Первая, ближайшая к образцу сетка, находится под тем же потенциалом (земля), что и образец. Это гарантирует, что электроны, покидающие образец, полетят в свободном от поля пространстве радиально по направлению к сетке.

Вторая и третья сетки анализатора электрически соединены и на них подается задерживающий потенциал U0 для анализа энергии электронов. Изменяя значение U0, можно регулировать долю электронов, достигших коллектора анализатора. Зависимость тока коллектора IK от энергии задерживающего поля еU0 называется кривой задержки вторичных электронов.

Электронная пушка

Образец

Экран Сетки

Рис. 3.2. Схема анализатора задерживающего поля [5]

Если задерживающий потенциал U0 выбрать более низким, то все электроны, энергия которых превышает энергию Е0, попадают на экран. В результате, если распределение электронов по энергии описывается функцией

N(E) на коллектор поступает ток электронов I(E) N(E)dE .

E0

16

Учитывая, что максимальная энергия электронов, эмитирующих из образца, соответствует энергии электронов в первичном пучке ЕР, то в действительности ток будет [2]:

Если этот ток (4) продифференцировать, то можно получить искомое распределение электронов по энергии N(E). Для этого проще всего модулировать задерживающий потенциал U0. Если на сетки подается задерживающий потенциал U0 и U0+ ΔU0, то разность между токами на коллекторе при этих потенциалах составит [2]:

E0

Иесли величина Е=eΔU<<E0 мала, то разность токов будет равна

N(E0)ΔЕ т.е. пропорциональна искомому распределению по энергии N(E). Разрешение по энергии АЗП Е линейно ухудшается с увеличением ΔU,

в то время как сигнал N(E)ΔЕ возрастает с ростом ΔU [2], что приводит к компромиссу между сигналом и разрешением. Проблема решается только в случае очень малых значений ΔU (высокое разрешение), когда несферичность сеток и проникновение поля между ними ограничивают разрешение до 1 эВ.

На практике обычно задерживающий потенциал U0 модулируется синусоидально. На вторую и третью сетки анализатора подается напряжение U0+ΔUsin ωt. В этом случае ток коллектора можно с помощью разложения в ряд Тейлора представить в виде суммы гармоник. При этом сигнал первой гармоники пропорционален N(E).

Подводя итог, можно отметить, что основными преимуществами АЗП являются:

1)конструктивная простота и возможность использовать АЗП для работы в режиме дифракции медленных электронов;

2)большой угол сбора электронов (обычно порядка π стерадиан);

3)отсутствие аберраций, связанных с угловой расходимостью источника (в случае идеально сферических сеток).

Косновным недостаткам АЗП следует отнести:

1)плохое отношение сигнал/шум, обусловленное тем, что все электроны с энергией большей энергии пропускания Е0, попадают на коллектор и генерируют дробовой шум;

2)ограничение разрешения АЗП несферичностью и размерами сеток, а также расстоянием между ними;

3)малый рабочий отрезок АЗП, т.к. большая часть поверхности образца затенена.

Для типичного АЗП, радиус кривизны которого составляет 50 мм а расстояние между сетками около 2-3 мм, разрешение по энергии Е/E составляет 10-2 – 5 ·10-3.

17

3.3. Отклоняющие электростатические анализаторы (дисперсионные)

Отклоняющие электростатические анализаторы обладают более высоким энергетическим разрешением. Это достигается благодаря тому, что в анализаторах отклоняющего типа регистрируются только электроны в пределах узкого энергетического окна (рис. 3.1, б). Селекция электронов происходит за счёт пропускания пучка электронов через диспергирующее поле, в котором отклонение является функцией энергии электрона, в результате чего только электроны с определённой энергией проходят по заданной траектории, ведущей к коллектору.

Ванализаторе может быть использовано как электростатическое, так и магнитное поле [2]. Но магнитные анализаторы обычно используются лишь при очень высоких энергиях, а при энергиях, которые используются в большинстве методов электронной спектроскопии, применяют электростатические анализаторы, которые компактны, достаточно просты при обслуживании и могут быть использованы в высоковакуумных системах.

Ванализаторах отклоняющего типа электростатическое поле создается поперёк движения электронов. Простейшим вариантом мог бы быть плоский конденсатор (анализатор типа плоское электростатическое зеркало), в котором эквипотенциальные поверхности представляют собой систему эквидестантных

ипараллельных плоскостей. Влетающие параллельно пластинам электроны отклоняются полем на расстояние, зависящее от энергии самого электрона (чем меньше энергия, тем больше отклонение). И если в пластине с положительным потенциалом сделать отверстие (выходная апертура), то из него будут вылетать электроны с энергиями, лежащими в определенном интервале Е. Величина этого интервала (энергетическое разрешение анализатора) зависит от напряженности поля и размера выходной апертуры. Но ввиду того, что отклонение электронов полем зависит также и от угла инжекции самих электронов (вследствие чего даже электроны с одинаковой энергией будут отклоняться по-разному), то в выходном электронном токе появляется разброс по энергии, связанный с угловым разбросом падающих электронов.

Следовательно, наличие разброса по углам даже в моноэнергетическом источнике снижает как разрешение по энергии, так и пропускание анализатора. Поэтому для увеличения чувствительности анализаторы должны фокусировать на выходной апертуре все электроны, имеющие одинаковую энергию, но попадающие во входное отверстие анализатора под различными углами. В идеале положение фокуса не должно зависеть от угла инжекции по отношению к центральной траектории электронов.

Существуют следующие анализаторы отклоняющего типа: - анализатор типа «плоское электростатическое зеркало»; - анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ); - полусферический концентрический анализатор (ПСА); - 127º-ный секторный цилиндрический анализатор.

18

Анализатор типа «плоское электростатическое зеркало»

Этот анализатор может обеспечить угол полного отклонения либо 45º (фокусировка первого порядка), либо 30º (фокусировка второго порядка). Такие анализаторы распространены не столь широко как остальные, хотя могут быть удобны при исследованиях с угловым разрешением, так как такой анализатор отличается конструктивной простотой и может быть сделан весьма миниатюрным [2].

Анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ)

Наибольшее распространение в электронных спектрометрах получил анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ) также называемый «цилиндром Венельда». Работа АЦЗ основана на применении узкополосного энергетического фильтра, благодаря которому в коллектор попадают электроны с энергией в пределах (Е0— Е) < Е < (Е0 + Е) (рис. 3.1 б).

Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров и при угле входа относительно оси анализатора 42019’ обладает фокусировкой второго порядка (рис. 3.3).

Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S1 и S2 для прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению к внутреннему цилиндру потенциал Uab, а внутренний цилиндр и исследуемый образец заземлены. В пространстве между цилиндрами напряженность электростатического поля изменяется обратно пропорционально радиусу r [6]:

где ra и rb – соответственно радиусы внутреннего и внешнего цилиндров. Первичный пучок электронов фокусируется на образце в точку

диаметром порядка 100 мкм, которая является одним из фокусов анализатора.

19

Возникающие вторичные электроны движутся в радиальных направлениях и влетают в анализатор (рис. 3.3) с некоторой скоростью v0 под углом входа θ. В результате отклонения от первоначальной траектории под действием электрического поля электроны будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в точке О1, в которой располагается коллектор электронов, например, электронный умножитель. Входная щель внутреннего цилиндра пропускает в анализатор электроны, заключенные в телесном угле между двумя коаксиальными конусами, составляющими угол 70. Наилучшая фокусировка электронного пучка в АЦЗ достигается при угле входа электронов θ = 42° 18,5'. В этом случае расстояние между точками О и О1, т.е. между образцом и детектором электронов L0 = 6,12ra. Максимальное удаление электронов от оси анализатора rmax= 0,3L0. [5].

Энергия пропускания электронов Е0 пропорциональна потенциалу внешнего цилиндра Uab и определяется геометрией анализатора [5]. Ток коллектора IK прямо пропорционаленэнергораспределению электронов:

IK N(E) T(E)dE

0

где Т(Е)– функция пропускания анализатора, определяющая количество электронов, достигших коллектора.

Так как энергия анализируемых электронов пропорциональна потенциалу внешнего цилиндра, то изменяя Uab (т.е. изменяя и Е0) можно получить информацию об энергораспределении электронов. АЦЗ обычно используют в режиме постоянного значения Е/Е0.

Анализатор типа «цилиндрическое зеркало» характеризуется высокой чувствительностью, но имеет скромное разрешение по энергии. Разрешение стандартных анализаторов типа АЦЗ R=ΔЕ/Е0 составляет 0,3-1,5% [4].

Для увеличения разрешения используются двухпролётные анализаторы (рис.3.4), состоящие из двух последовательно соединенных анализаторов. Двухпролетный анализатор представляет собой два последовательных обычных АЦЗ. Для измерений с угловым разрешением используется вращающаяся диафрагма, расположенная на входе электронов во второй каскад анализатора.

К основным преимуществам АЦЗ следует отнести высокую эффективность сбора электронов, обеспечивающую высокие значения светосилы (и, следовательно, чувствительности).

20