2. Експериментальні установки та матеріали

1. Загальні принципи побудови спектрометрів

Як видно з рівняння hν = E_зв + Е_кін, якщо відомі величини hν та Е_кін, то можна визначити енергію іонізації Е_іон або енергію зв’язку Е_зв відповідного електронного рівня. Для встановлення Е_кін використовують спеціально створені електронні спектрометри. Будь-який електронний спектрометр складається з трьох основних частин (див. рис. 3, 4): місця генерації електронів (І), аналізу їх енергії (ІІ) та реєстрації (ІІІ).

Рисунок 3 – Загальний принцип фотоелектронної спектроскопії

В спектрометрі потік іонізуючого випромінення направляється на зразок. Електрони можуть бути вибиті з будь-якої оболонки молекули, іонізаційний потенціал якої менше енергії опромінення. Вибиті електрони потрапляють в аналізатор енергій електронів спектрометра, де вони описують різні траєкторії в залежності від своєї енергії та від напруги, прикладеної до електродів аналізатора.

Рисунок 4 – Принципова схема рентгенівського електронного спектрометра: 1 – джерело рентгенівського випромінення, 2 – зразок, 3 – аналізатор, 4 – детектор електронів, 5 – підсилювач, 6 – самописець.

В якості джерела квантів може бути використана звичайна рентгенівська трубка, анод якої виконаний з матеріалу, що має достатньо інтенсивну та вузьку лінію характеристичного рентгенівського випромінення. В якості таких ліній виступають зазвичай 12 Kα -лінія Mg (hν = 1253,6 еВ) або 12 Kα -лінія Al (hν = 1486,6 еВ). Енергія Al_Kα - і Mg_Kα – ліній достатня для вивчення фотоемісії всіх елементів. Напівширина дублетних ліній 0,7 еВ (Mg) і 0,85 еВ (Аl) при роздільній силі енергоаналізаторів Е/ΔE = 10⁴ дозволяє отримувати спектри фотоелектронів 1s-рівнів елементів С, N, O, F з розділенням 1,0 ÷ 1, 2 еВ.

Енергоаналізатор електронів - центральна частина будь-якого електронного спектрометра. У перших експериментальних установках були використані світлосильні і прості у виготовленні циліндричні коаксіальні аналізатори з затримуючим електростатичним полем. Але роздільна сила таких аналізаторів порівняно низька (Е / ΔE <200).

Найбільш розповсюджений насьогодні тип аналізатора - сферичний, в якому до обкладинок сферичного конденсатору прикладена задана напруга. Різниця потенціалів між двома пластинами сферичного конденсатора безпосередньо пов’язана з кінетичною енергією електронів, що пройшли крізь аналізатор, співвідношенням:

(12)

де Е_кін - кінетична енергія електрону; U - різниця потенціалів між двома сферами радіусами R₁ й R₂. Якщо змінювати напругу на обкладках, то можна проаналізувати спектр енергії Е_кін, яку мають електрони, що падають на вхідну щілину аналізатора.

У більшості сучасних серійних спектрометрів висока роздільна сила енергоаналізаторів (Е/ΔE ~ 10⁴÷10⁵) досягається пропусканням електронів крізь диспергуюче електростатичне поле, в якому відхилення є функцією енергії електрона. Для запису всього спектру слід часто змінювати потенціал між обкладками конденсатора, або між вихідною щілиною іонізаційної кювети і вхідною щілиною аналізатора.

В якості детектора електронів може використовуватися звичайний електрометр або пропорційний лічильник. Детекторами електронів в сучасних спектрометрах з відхиляючими електростатичними аналізаторами служать відкриті вторинні електронні помножувачі, виготовлені зі скляної трубки у вигляді спіралі. В цих приладах кожен фотоелектрон, що потрапив всередину вибиває лавину вторинних електронів, які реєструються електронною схемою як окремий імпульс. Обробка за спеціальною технологією внутрішньої поверхні трубки (каналу) дозволяє досягати коефіцієнту підсилення 10⁷. Інтенсивність рентгеноелектронної лінії визначається кількістю імпульсів за одиницю часу. Для скорочення часу запису спектрів в останнє десятиліття замість одноканального помножувача в деяких спектрометрах застосовують багатоканальні помножувачі. У таких спектрометрах одночасно записується велика ділянка спектра.

Вакуумна система спектрометрів, що включає дифузійні і форвакуумний насоси, забезпечує в області аналізатора електронів залишковий тиск 10^-6 мм.рт.ст., при якому середня довжина вільного пробігу електронів набагато більша розмірів спектрометра.

Система управління та первинної обробки інформації електронного спектрометра (СУОІ) містить одну або дві міні-ЕОМ. СУОІ виконує функції управління блоками і системами приладу в процесі накопичення спектра в необхідних ділянках кінетичної енергії фотоелектронів і із заданим режимом, а також функції відображення спектру на моніторі ЕОМ і його первинної обробки.

2. . Надвисоковакуумний сканувальний зондовий мікроскоп

JSPM-4610

Надвисоковакуумний сканувальний зондовий мікроскоп (НВВ-СЗМ) розроблено фірмою JEOL як інструмент, який надає максимальні можливості для проведення аналізу поверхонь (див. рис. 5). З його допомогою можливе проведення досліджень такими методами як: сканувальна тунельна мікроскопія, тунельна спектроскопія, атомово-силова мікроскопія, рентґенівська фотоелектронна спектроскопія.

а

б в

Рисунок 5 – Зовнішній вигляд РФЕС та надвисоковакуумного сканувального зондового мікроскопу JSPM-4610: а – зовнішній вигляд, б – блок керування, в - система управління та первинної обробки інформації.

Деякі технічні характеристики мікроскопу JSPM-4610:

• Роздільна здатність: горизонтальна – 0,14 нм, вертикальна - 0,01 нм для СТМ, атомна роздільна здатність для АСМ.

• Діапазон руху сканеру по осі X та Y: при СТМ 0,2 мкм (200 нм), по осі Z: 0.6 мкм та при АСМ 10 мкм, по осі Z: 3 мкм.

• Зміна напрямку сканування: від -180° до + 180°.

• Крок сканування: від 1,7 мс до 10 с/лінію (16 кроків)

• Діапазон сканування: від 0 до 200 нм

• Розміри зразка: максимальні - 10 мм (ширина) × 10 мм (довжина) × 5 мм (товщина), для тримача з нагріванням - 1 мм (ширина) × 7 мм (довжина) × 0.3 мм (товщина)

• Температура нагрівання: від кімнатної температури до понад 1200°C

• Залишковий тиск у камері обробки зразка: прибл. 10^-7 Па

• Залишковий тиск у камері УВВ-СЗМ: не більше 3 × 10^-8 Па

• Пристрої для гасіння вібрації: пневматична підвіска

• Комп'ютерна система керування: сумісна з IBM PC/AT

• Програмне забезпечення для обробки зображень: більше 100 типів

Для швидкого відкачування камери зі зразком до 10^-7 Па в систему напускається сухий азот.

Перед проведенням дослідження необхідно ретельно очистити поверхню, оскільки інформація отримується з поверхневого шару до 100 Å. Застосовується іонна пушка з аргоном. Простір між пушкою та зразком заповнюють аргоном, піднімаючи тиск у системі від 10^-7 до 10^-2 Па. Потім прикладається різниця потенціалів, яка прискорює іони аргону, які бомбардують поверхню зразка та очищують її. Параметри очистки (напруга, сила струму, кут нахилу стола) підбирають таким чином, щоб шорсткість поверхні була мінімальна. Але іонне протравлювання руйнує структуру поверхні. Можна застосовувати метод алмазного чищення, але він також спотворює поверхню.

Рисунок 6 – Конструкція JSPM-4610: 1 - Аналізатор електронів, 2 – іонна пушка, 3 – вікно в камеру для зразків, 4 – шлюз для введення зразків, 6 – рентгенівська трубка.