Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
столкновений. Глубина выхода фотоэлектронов зависит от порядкового номера
элемента Z и от ЕКШ1. Для электронов с энергией в несколько кэВ длина
свободного пробега для широкого класса веществ составляет = 2,5 нм. В то
же время глубина поглощения рентгеновских квантов - несколько микрон. Для
повышения интенсивности сигнала от приповерхностных атомов используется
малоугловая методика. Разрешающая способность РФЭС обычно составляет по
шкале энергий 0,02-0,05 эВ. Для ее повышения, когда это возможно, в
качестве источника используют синхротронное излучение в рентгеновском
диапазоне.
При хорошем разрешении ценную информацию о состоянии поверхностных атомов
дают исследования химических сдвигов Д в фотоэлектронных спектрах. Эти
сдвиги отражают изменения co-
lt
. уровень вакуума
. зона проводимости
ье:- е.
I валентная зона I f-|---------'
13В
Глава 4
стояния валентных электронов атомов, например, при переходе из одного
валентного состояния в другое, изменении их координации, образовании
новых химических связей и т.д. В результате взаимодействия внутренних
электронов с электронами внешней оболочки происходит изменение
энергетического положения уровней Е, первых. В рамках чисто
электростатической модели кристаллической решетки с высокой ионностью
связей величина сдвига качественно оценивается следующим образом
АЕХ1Ш = С q ¦ (l/r - а/Я)", (4.12)
где г - радиус валентной орбитали исследуемого атома, Я - расстояние
между его ядром и орбиталью соседнего атома, на которые перешли п
электронов, а - константа Маделунга, константа С ~ \. Например, изменения
химического сдвига линии Si2p на межфазной границе Si-SiCb по сравнению с
чистым кремнием в области межфазной границы толщиной 0,3-2,0 нм
составляет 3,8-4,0 эВ.
Метод РФЭС, несомненно, дает ценную информацию об элементном составе,
зарядовом состоянии и координации атомов приповерхностного слоя.
Чувствительность метода к примесям в этом слое достигает = 1012 см'2.
4.4.2. Оже-спектроскопия. Для анализа самых верхних слоев кристалла
большое распространение получила электронная оже-спектроскопия (ЭОС), в
которой возбуждение электронов на внутренних оболочках атомов обычно
осуществляется пучком быстрых электронов, рентгеновских фотонов или
ионов. В ее основе лежит открытый в 1925 г. французским ученым Оже эффект
рождения вторичных электронов в результате электронных переходов между
внутренними оболочками атомов. Как видно из рис.4.12,д, под воздействием
внешней ионизации на внутренней оболочке (К - на рис.4.12,а) образуется
вакансия. Она может быть заполнена электроном, находящимся на более
высоком энергетическом уровне, например, на уровне L\. Выделившаяся при
этом переходе энергия затрачивается либо на испускание кванта
характеристического рентгеновского излучения hv (рентгеновская
флуоресценция) - переход 1 на рис.4.12,6, либо может быть передана
другому внутреннему электрону. Например, при переходе L\\\-К - электрону
на уровне Ц (переход 2), что сопровождается эмиссией его в вакуум (оже-
процесс). Рентгеновский спектр и энергетическое распределение
эмитированных оже-электронов (оже-спектр) несут информацию о природе
практически всех атомов периодической таблицы. Интенсивность
эмитированных оже-электронов для легких атомов превышает выход
флуоресценции. При переходе к более тяжелым атомам это соотношение
меняется на обратное. Например, для К-оболочки элементов с атомным
номером Z > 33 (мышьяк) выход флуоресценции преобладает над оже-
процессами.
Экспериментальные исследования структуры и свойств поверхности.
139
Современная рентгеновская флуоресцентная спектроскопия дает возможность
детектировать количество вещества = 10"14 г. Однако из-за высокой
проникающей способности рентгеновского излучения можно говорить лишь о
составе достаточно толстого (10-100 нм) приповерхностного слоя. Поэтому
для определения состава самой поверхности и тонкого прилегающего слоя
толщиной, определяемой длиной свободного пробега оже-электронов (0,5-1
нм) предпочтительно использовать оже-спектроскопию.
Используя для возбуждения скользящие пучки быстрых электронов (?, = 0,1 -
1,0 кэВ), удается в очень тонком поверхностном слое достичь
чувствительности к посторонним примесям порядка 1012 см'2, что составляет
0,1 % от монослоя атомов поверхности. При использовании сканирующих
устройств эту информацию можно получать с отдельных элементов поверхности
площадью = 10 мкм2. Как мы уже подчеркивали, использование для
диагностики поверхности жестких рентгеновских квантов, интенсивных
потоков фотонов (лазерная диагностика), а также быстрых ионов и
электронов (Е, > 1 кэВ) мало пригодно в случае реальных поверхностей,
т.к. приводит к изменению их химического состава.
4.4.3. Инфракрасная спектроскопия. Более широкое распространение для
анализа химической природы реальных поверхностей получили методы
инфракрасной спектроскопии {ИКС). Хотя чувствительность ИКС уступает
электронной спектроскопии, из-за низкой энергии квантов ИК излучения (10-
