Методы исследования поверхности конденсированных сред

Методы исследования поверхности конденсированных сред

Фотоэлектронная спектроскопия метод изучения строения вещества, основанный на измерении энергетических спектров электронов, вылетающих при фотоэлектронной эмиссии (фотоэффекте). Имеется два типа спектроскопии: • с возбуждением рентгеновским пучком – рентгеновская • с возбуждением пучком ультрафиолетового света – ультрафиолетовая

Энергетические переходы в атомах вещества при Оже-процессе (слева) и при фотоэмиссии (справа)

Принцип действия электростатического анализатора энергии электронов Условие фокусировки : Разрешение

Типичная схема установки

Типичный энергетический спектр фотоэлектронов, испущенных поверхностью чистой меди, под действием Kα линии Al Видна примесь кислорода

Тонкие пленки Tm на Si Толщины пленки Tm : g – 12, 5 нм f – 6, 5 нм e – 4 нм d – 2 нм c – 0, 5 нм b – 0, 2 нм a – 0 нм

Оже-спектроскопия отличается от предыдущего рассмотрения двумя аспектами: 1. Меньшей энергией вылетевшего электрона 2. Большей вероятностью процесса Следствия: 1. Можно повысить энергетическое разрешение 2. Наиболее эффективно для анализа легких элементов

Анализатор энергии для Оже-электронов (цилиндрическое зеркало)

Вот так выглядит типичный спектр оже -электронов Сам спектр оже-электронов, возбуждаемых с поверхности бора электронным пучком с энергией 1000 э. В, представлен кривой a. Для улучшения разрешения обычно применяется модуляционная методика, при которой получается не число электронов с данной энергией, а производная этой величины по энергии. Для этого модулируется потенциал на анализаторе и с детектора снимается сигнал на частоте модуляции (кривые b, c и d). Вспомним опыт Франка и Герца!

Характеристические линии легких элементов в спектре Оже-электронов (серия KLL)

Спектроскопия энергетических потерь электронов Используется при просвечивающей электронной микроскопии Нужны очень тонкие пленки

Энергетическая диаграмма процессов, происходящих при взаимодействии высокоэнергичного электронного пучка с атомами вещества

Типичный спектр энергетических потерь и соответствующая ему энергетическая диаграмма Si. C.

Пример аппаратуры

Другие методики исследования, основанные на использовании электронов Мы их только перечислим, рассматривать не будем: • Дифракция медленных электронов • Оже-спектроскопия при возбуждении заряженными ионами • Метод неупругого электронного туннелирования • И много-много других методов (десяток-другой) !Еще не все методы изобретены

Методики исследования поверхности, основанные на регистрации фотонов (света) Инфракрасная абсобционная спектроскопия поверхности • Колебательная спектроскопия имеет дело с высокочастотными фононами , поглощающими излучение , связанными с переходами между колебательными уровнями энергии молекул в твердых телах. Это диапазон 2 -12 1013 Гц. Это высокочастотные – оптические фононы. С их помощью обнаруживают ОН, СН 3, NH 2. • Например изменение изотопного состава, т. е. масс ядер приводит к изменению ИК частот в спектре

Эллипсометрия Метод неразрушающего измерения и контроля оптических параметров веществ по поляризационным характеристикам отражённого (реже - проходящего) света. Используется в инфракрасной, видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Поскольку наиболее общим случаем поляризации является эллиптическая, метод и называется эллипсометрия.

Принципиальная схема при поляризационных измерениях Основное уравнение эллипсометрии

Параметры эллипса

Таким образом, измеряя параметры эллиптического света (a, b, ) мы можем восстановить параметры процесса отражения ( и ), а по ним с помощью формул Френеля Найти значения материальных констант, которые определяются через значение угла ’’

Типичные спектры эллипсометрии для пленки Si. O 2 толщиной 2, 5 мкм на Si. Расчет и результаты измерений настолько совпадают друг с другом, что разница не видна невооруженным глазом (вооруженным тоже!)

Спектр эллипсометрии для пленки кварца (Si. O 2)…

… и значения параметров (показателя преломления и коэффициента поглощения) пленки, определенные из этих спектров