Фотоэлектронная спектроскопия -ФЭС с угловым разрешением ФЭСУР

Фотоэлектронная спектроскопия -ФЭС (с угловым разрешением – ФЭСУР) В химии метод фотоэлектронной спектроскопии известен под название ЭСХА — электронная спектроскопия для химического анализа (ESCA — electronic spectroscopy for chemical analysis).

Общая схема анализа ОЭС (AES) ФЭС (PES) ВИМС (SIMS) Tобр

Анализаторы отклоняющего типа образец детектор

Схема эксперимента ФЭС

Рентгеновский ФЭ спектр серебра Ag Сu

Схема эксперимента ФЭСУР - He - лампа

Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением ФЭСУР Сохранение энергии: Ekin = ћ + Ein(k) –Ws, Ws – работа выхода Сохранение импульса: kin// = kex// + Ghk ϕ Ekin Ein В вакууме: Ekin = (ћ kex)2/2 m и kex = kex// + kex^ Ekin(k) = ћ 2((k//ex)2 + (k^ex)2)/2 m, следовательно: k//ex = kex sin = (2 m Ekin / ћ 2 ) · sin (В кристалле: Ein(k)=(ћk//in)2/2 m*) ћ EVAC EF=0 ћ Ws N(Ek) n(Ein) Плотность электронных состояний в образце Распределение фотоэмитированных электронов в вакууме Для фотоэлектронов - измеряется Ekin - рассчитывается k// по углу и Ekin угол ϕ = Const Источник фотовозбуждения: Не –лампа, ћ = 21. 2 e. V (He-I)

ФЭСУР: Дисперсия электронов по энергии в анализаторе

ФЭСУР: разделение электронов по углу в анализаторе

Детали двумерного детектора ФЭСУР (многоканальная пластина и фосф. экр (ПЗС-матрица)

ФЭСУР для графита: Эксперимент и теория

Состояния Шокли (ПС) на гранях Cu(111), Ag(111) и Au(111) Для ПС существенно наличие запрещенной зоны в структуре объемной зоны кристалла в направлении (111) (GL) благородных металлов с ГЦК решеткой. Зона Бриллюэна для ГЦК Z Поверхностная зона Бриллюэна и сфера Ферми для Cu(111) Электроны ПС заперты в квантовой яме, образованной вакуумным барьером с одной стороны и запрещенной объемной зоной с другой. Локализованные ПС могут существовать внутри запрещенной зоны с комплексным k[111] = p + iq, p = p/a EF E 0 E 0 Параболическая дисперсионная кривая: квазисвободные 2 - х мерные электроны Проекция объемных зон на грань (111)

Стоячие волны электронных поверхностных состояний – осцилляции, видимые в СТМ M. Crommie et al. (1993) Cu(111) at 5 K D. Eigler: Ni/Cu(111) at 5 K

Дисперсионная зависимость ПС на Cu(111), изменренная ФЭСУР

СТМ изображение пленки Ag на Cu(111), покрытие 0, 4 МС СТМ: Omicron “STM-1” Рост = 7 х10 -11 Торр; Тнапыл = 300 К Ag Cu Ag A B Cu C Ag Cu

Angle or k// ФЭСУР для различных покрытий Ag на Си(111) Дисперсионные кривые Спектры при нормальной эмиссии (Θ =0) ΔE=190 me. V Angle or k// ΔE=130 me. V 0 MC 0. 5 MC 0. 18 MC 0. 25 MC 0. 7 MC 1 MC Положение ПС относительно EF: Наш эксперимент чистая Cu(111) -385 10 me. V 1 MС Ag/Cu(111) -180 10 me. V Крист. Ag(111) - 50 10 me. V Предыдущие экспер. -400 me. V нет данных -65 me. V Вывод по ФЕСУР: энергия E 0 ПС для 1 МС Ag возрастает на 190 мэ. В по сравнению с чистой Cu(111) и на 130 мэ. В меньше энергии ПС для чистого Ag.

Анализатор фотоэлектронов -“Scienta” SES 200 Источник фотовозбуждения: Не –лампа, hn = 21. 2 e. V (He-I) 2 -мерный детектор по Е и K// (или θ), E < 10 me. V; K< 0. 02 Å-1

Анализатор фотоэлектронов -“Scienta” SES 200 2 -мерный детектор по Е и K// (или θ), E < 10 me. V; K< 0. 02 Å-1

Сравнение методов анализа РФЭС УФС ЭОС Возбуждающие фотоны частицы Энергия 1000 – 500 э. В возбуждающих частиц Mg(K ), Al, Cu, W фотоны электроны 2 – 15 э. В 3 – 10 кэ. В Область, откуда эмитируются характеристичные частицы Латеральный размер – – диаметр УФ пучка диаметр электронного Глубина – 1– 3 нм пучка Глубина – 0. 5 – 2 нм Латеральный размер – диаметр рентгеновского пучка Глубина – 0. 5 – 2 нм Энергия 10 – 2 500 э. В регистрируемых частиц Естественная ширина 0. 2% линий в спектре, E/E 100% Относительный предел 0. 1 ( 1013) обнаружения, %атом (атом/см 2) 1 – 10 э. В 10 – 2 500 э. В 0. 2% 0. 5% 0. 1 ( 1013) Особенности Значительная величина химсдвига линий спектра. Энергия линий в спектре не Значение энергий линий в фотоэлектронном спектре зависит от энергии возбуждающих квантов (фотонов) возбуждающего пучка. Возможна высокая локальность (до 10 нм) Применение Исследование природы химсвязи компонентов твердого тела Исследование электронной струк туры валентной зо ны твердых тел Качественный и полуколичественный элементный анализ твердых тел. В отдельных случаях – изучение химсдвигов

Литература 1. Праттон, Введение в физику поверхности. 2. Паршин А. С. Физика поверхности и границ раздела. Учебный курс. Сибирский Государственный Аэрокосмический Университет, 1998. http: //ktf. krk. ru/courses/ или Паршин 5. pdf, Паршин 6. pdf, Паршин 7. pdf. 3. Анализ поверхности методами оже и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / под ред. Д. Бриггса, М. П. Сиха. М. : Мир, 1987 4. Вудраф Д. , Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. М. : Мир, 1989. 5. Применение электронной спектроскопии для анализа поверхности / под ред. Х. Ибаха, Рига, Зинатне, 1980. 6. Электронная и ионная спектроскопия твердых тел / под ред. Л. Фирмэнса, Дж. Вэнника и В. Декейсера, М. : Мир, 1981. 7. Фельдман Л. , Майер Д. Основы анализа поверхности и тонких пленок. М. : Мир, 1989. 8. Трейси Д. К. , Баркстренд Д. М. Успехи в исследовании поверхности методами ДМЭ и ЭОС. / в книге «Новое в исследовании поверхности твердого тела» выпуск 2, стр. 83. М. : Мир, 1977. 9. К. Оура, В. Г. Лифщиц, А. А. Саранин, А. В. Зотов Введение в физику поверхности. – М. : Мир, 2006.