Сделай Сам Свою Работу на 5

Оже-эффект и Оже-спектроскопия





Оже-эффект назван по имени французского физика П. Оже (P. Auger), открывшего его в 1925, а для аналитеских целей впервые использовал Дж. Ландер в 1953.

 

Это процесс, включающий в себя заполнение электроном вакансии, образованной на одном из внутренних уровней энергии атома, с передачей безызлучательным путём выделенной при этом энергии электрону другого (вышележащего) уровня и переводом его в возбуждённое состояние. Если переданная энергия достаточна, то возбуждённый электрон покидает атом (оже-электрон). В результате Оже-эффекта в атоме вместо одной (первичной) вакансии возникают две новые (вторичные) на более высоких уровнях энергии. Первичная вакансия может быть образована, например, при облучении атома фотонами, электронами, ионами соответствующих энергий. Остаток же энергии излучается в виде низкоэнергетичного фотона.

 

В обозначении оже-переходов сначала указывают уровень, на котором образована первичная вакансия, затем уровень, электрон которого заполнил эту вакансию, и последним — уровень, который покинул оже-электрон. Например, КL1М1-, KM2M2-переходы.

Уровни энергии и оже-переходы в металлах: 1 — КL1М2-переход; 2 — КL1L2-переход; 3 — KL2L2-nepexoд; 4 — L1M2V-nepexод; 5 — L1VV-переход (переходы 4 и 5 происходят с участием валентной зоны).



 

Оже-эффект может наблюдаться не только в изолированных атомах, но и в молекулах (число оже-линий значительно возрастает), и даже в конденсированных средах. В твёрдом теле наряду с переходами между внутренними уровнями энергии атома наблюдаются переходы с участием электронов валентной зоны (рис.). Причем ширина зоны и плотность состояний в ней влияют на форму оже-линий.

 

Обычно оже-электроны экспериментально наблюдают в виде потоков электронов с определёнными энергиями, не зависящими от энергии возбуждающих частиц. Первичная вакансия заполняется электроном вышележащего уровня за время 10-14—10-17 с, это приводит к тому, что ширины оже-линий составляют несколько эВ. В тех случаях, когда переходы включают электроны валентной зоны, её энергетическая структура также влияет на ширину и форму оже-линий. В химических соединениях могут наблюдаться переходы с участием уровней энергии различных атомов, входящих в соединение, в атомах, адсорбированных на подложках,— уровней энергии атомов адсорбата и подложки.



 

Оже-эффект проявляется во всех случаях (наряду с излучаттельными процессами), когда возникает вакансия на одном из внутренних. уровней энергии атомов. В природе они могут создаваться космическими частицами, блуждающими электронами, в экспериментальных установках — с помощью специально создаваемых потоков фотонов, электронов или ионов. Переходы атомного ядра из возбуждённого состояния в нормальное могут сопровождаться передачей энергии одному из внутренних электронов атома — происходят процессы, аналогичные Оже-эффекту.

 

Частным случаем Оже-эффекта являвлется эффект Костера — Кронига, когда первичная и одна из вторичных вакансий принадлежат одной и той же оболочке. В ядерной физике эффект, аналогичный оже-эффекту, когда энергия передается одному из атомных электронов, носит название внутренней конверсии. В отличие от оже-электронов (50 - 3000 эВ), кинетическая энергия конверсионных электронов составляет несколько МэВ.

 

Оже-спктроскопия- область электронной спектроскопии, в основе котоpой лежат измерение энергии и интенсивностей токов оже-электронов, а также анализ формы лнний спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твёрдыми телами в результате оже-эффекта

. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих их атомов и взаимодействием этих атомов с окружающими, что приводит к небольшим изменениям энергии оже-электронов. Поэтому по оже-спектрам можно определить элементный состав приповерхностных слоев твёрдых тел, получать информацию о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газов.



Оже-процесс более вероятен в атомах с малой энергией связи электронов, т.е. в легких элементах. Типичные энергии ОЭ находятся в интервале от нескольких сот эВ до нескольких кэВ. ОЭ сильно поглощаются в образце. Поэтому, регистрируемые Оже-электроны вылетают из приповерхностных слоев. Поэтому ОЭС (AES-Auger electron spectroscopy) признанный метод химического анализа поверхности. Это является особым преимуществом данного метода, так как в комбинации с ионным распылением можно определять элементный состав материала на глубине несколько микрон. ОЭС накладывает особые требования на чистоту поверхности и, как следствие, ультра-высокого вакуума.

 

Анализ элементного состава производится путём сопоставления оже-спектров с табличными данными. Расположение пика в энергетическом спектре оже-электронов несёт информацию о химической природе атомов, его амплитуда - об их концентрации. Взаимодействия атома с его окружением проявляются в форме оже-пиков и их энергетич. сдвигах. В ОЭС атомы возбуждают электронным, фотонным (рентгеновским) и ионным пучками, соответственно различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС) Оже-спектроскопию.

 

Регистрация оже-спектров производится с помощью оже-спектрометров, близких по конструкции в случае ЭОС, РОС и ИОС (рис. 1). Исследуемый образец помещают в вакуумную (до 10-11 мм рт. ст.) камеру и облучают пучками первичных частиц, источниками которых служат электронная пушка, рентгеновая трубка и ионная пушка; они должны обеспечивать потоки частиц, интенсивность которых достаточна для эмиссии оже-электронов в количестве, надёжно регистрируемом измерительной аппаратурой. Электронные и ионные пучки легко фокусируются, их можно развернуть в растр по поверхности образца (сканирующие оже-спектрометры), что позволяет изучать распределение на поверхности образца атомов различных химических элементов с высоким пространственным разрешением (~30 нм). Рентгеновский зонд имеет минимальный диаметр ~ 150 мкм, сканирующая РОС пока не используется.

Рис. 1. Блок-схема оже-спектрометра: 1 - источник первичных частиц (электронов, фотонов, ионов); 2 - исследуемый образец; 3 - ионная пушка для послойного распыления образца; 4 - энергетический анализатор электронов; 5 - система регистрации и обработки данных. Пунктиром обведена вакуумируемая часть прибора.


Основной узел оже-спектрометра - энергоанализатор оже-электронов. Чаще всего используют электростатические анализаторы с продольным или поперечным электрическими полями. Выделив с помощью диафрагм траекторию определённого радиуса и регистрируя ток электронов, движущихся по этой траектории в зависимости от напряжённости электрического поля (изменяя разность потенциалов между внешним и внутренним электродами 3 анализатора), измеряют распределение электронов по энергиям. К анализаторам такого типа относятся, например, анализатор Юза - Рожанского, плоское, цилиндрическое и сферическое зеркала. Они обеспечивают чувствительность на два порядка выше по сравнению с многосеточным анализатором с тормозящим полем. Однако последний позволяет сочетать методы ОЭС с дифракцией медленных электронов, что даёт возможность наряду с элементным составом приповерхностных слоев монокристаллических образцов получать сведения об их кристаллической структуре.

Обычно регистрируют не эпергетич. распределение числа N эмитированных электронов по энергиям , а производную ( - энергия электронов), что позволяет не только более чётко выделить линии в оже-спектрах (повысив чувствительность метода), но и более детально анализировать их структуру.

Рис. 2. Энергоанализаторы оже-электронов с продольным (а)и поперечным (б,в,г,д)электрическими полями: а - четырёхсеточный анализатор с тормозящим полем; б - 127-градусный анализатор Юза - Рожанского; в, г - плоские, цилиндрические зеркала; д - сферический дефлектор. 1 - источник первичных частиц; 2 - образец; з - электроды анализатора - сетки (а), цилиндрические (б, г), плоские (в), сферические (д)поверхности; 4 - коллектор электронов - сферический электрод (а) или электронный умножитель (б, в, г, д).

 

Значения кинетич. энергии вылетающих электронов (оже-электронов) не зависят от энергии частиц внешнего излучения. Значения характерны для атомов определённого химического элемента и равны разности энергий возбуждённых состояний атома:

где - энергия ионизованного атома с вакансией на внутренней оболочке,

- энергия атома после заполнения вакансии одним из электронов атома,

- пороговая энергия вылета оже-электрона из однократно ионизованного атома.

Значения для различных атомов и различных квантовых переходов в них лежат в пределах от50 до 3000 эВ. Вследствие конечности времени жизни возбуждённого состояния атома, ионизованного на первой стадии, существует разброс значений кинетических энергий оже-электронов:

В оже-процессе с той или иной вероятностью могут принять участие электроны различных атомных оболочек, поэтому энергетический спектр вылетающих из атома оже-электронов (оже-спектр) содержит до нескольких десятков перекрывающихся между собой оже-линий.

 

Методами ЭОС и РОС осуществляют анализ для всех элементов периодической таблицы, за исключением Н и Не. Метод ИОС обладает селективностью: определяемые ионы способны возбуждать эмиссию оже-электронов лишь в атомах определённых элементов, что обусловлено механизмом обменной генерации вакансий во внутренних электронных оболочках атомов ионным пучком. Поэтому применение метода ИОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемента, а не проводить полный анализ элементного состава поверхности.


Возбуждённые в твёрдом теле оже-электроны должны "донести" до энергоанализатора ту энергию, с которой они вылетели из эмитирующих их атомов, поэтому необходимо, чтобы, вылетев из атома, они не испытали неупругих взаимодействий. Это возможно лишь в том случае, когда глубина, на которой расположен эмитирующий оже-электрон атом, не превосходит средней длины свободного пробега d для неупругого рассеяния. Величина d и определяет толщину приповерхностного слоя, анализируемого методами ОЭС (рис. 4), она составляет несколько моноатомных слоев. Поэтому ОЭС - эффективный метод анализа поверхности (рис. 5, 6). Для получения информации о более глубинных слоях используют послойное распыление исследуемого образца ионами инертных газов.

 

Рис. 4. Зависимость средней глубины d выхода оже-электронов от их энергии.

 

 

Рис. 5. Изображение границы излома сплавов Fe - С, полученное с помощью вторичной электронной эмиссии (а), и изображение этой же области, полученное с помощью оже-электронов и характеризующее распределение Fe (б), С (в) и Sb (г) по поверхности образца.

Рис. 6. Оже-спектры, полученные с кратера и выступа [отмечены на рис. 5 (а) точками 1 и 2]на поверхности сплава Fe - С, характеризуют различие элементного состава образца в этих точках.

 

 

Вероятность оже-эффекта падает с ростом атомного номера элемента, поэтому эффективность анализа атомов лёгких элементов выше, чем тяжёлых. В табл. приведены характеристики различных видов ОЭС.

Таблица 1. Характеристики различных видов оже-спектроскопии

  Виды оже-спектро-скопии Ср. глу-бина анализи-руемого слоя, нм Прост-ранст-венное разре-шение, нм Анали-зируе-мый объём, мкм3 Чувствитель-ность  
  % чис-ло ато-мов мас-са, г    
  ЭОС 1-3 10-5 10-2 103 10-19    
  РОС 1-3 15 х 104 10-1 10-8 10-15    
  ИОС 1-3 10-6 10-3 102 10-20    

Области применения Оже-электронных спектрометров

Исследование полупроводников- Микроскопические дефекты - Оксиды - Диффузия - Очистка поверхности - Эпитаксиальные слои - Контакты - Металлизация Материаловедение- Адгезия - Коррозия - Трение и смачивание - Загрязнение поверхности - Дефекты - Оксиды - Силициды   Рис.7 Современный Оже-спектроскоп

 

 








Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.