Основы физики поверхности твердого тела - Киселев В.Ф.
Скачать (прямая ссылка):
двухступенчатой фотоэлектронной спектроскопии. Кристалл облучается
"тестирующими" квантами с энергией hv и мошной возбуждающей "подсветкой"
(энергия квантов hve < hv)
Природа атомарно-чистых поверхностей твердого тела
165
ный потенциальный барьер. На первой стадии выполняются условия сохранения
энергии и квазиимпульса
Av = Е2 - Е\, k2 = k, + q = к[. (5.18)
где Ei - энергия конечного состояния; q, к\ и ki - волновые векторы
фотона и электрона в начальном и конечном состояниях. Поскольку в
фотоэлектронной спектроскопии используются фотоны достаточно низких
энергий, импульсом фотона в (5.18) можно пренебречь.
На второй стадии часть электронов из-за неупругого рассеяния теряет
энергию. Поэтому информацию об энергетическом спектре электронных
состояний несут только те электроны, которые достигли поверхности без
соударений с решеткой. На рис.5.7 показан характер универсальной для
различных твердых тел зависимости средней длины свободного пробега
электрона /о от его энергии. Видно, что в области энергий Е = 10-100 эВ
/о < 1 нм, и, следовательно, энергетическое распределение эмитированных
электронов отображает электронную структуру только приповерхностного слоя
кристалла. Энергии квантов hv = 10-100 эВ соответствуют ультрафиолетовому
диапазону, поэтому соответствующий вариант методики называют
ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопией (УФС), в отличие от
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Наиболее полную информацию о характере энергетического спектра
поверхности получают из энергетических распределений эмитированных
электронов, снятых при разных ориентациях коллектора относительно
кристалла - методика ультрафиолетовой спектроскопии с угловым разрешением
(УФС УР). Пусть коллектором собираются электроны, вышедшие из кристалла
под углом 0 к нормали. Кинетическая энергия эмитированного электрона Е
связана с составляющей квазиимпульса, параллельной поверхности, кр (в
данном случае кр - кх) простым соотношением Е = k2ph2 jlm sin20.
Поскольку при выходе электрона из твердого тела величина кр не меняется,
это соотношение позволяет, зная кинетическую энергию Е и угол 0,
вычислять кр. Измеряя энергетические распределения эмитированных
электронов при разных полярных углах 0, можно получить, используя
соотношения (5.18), дисперсионное соотношение Е\(кр). Наконец, если
проводить эти измерения при разных азимутальных углах, получится полная
двумерная картина дисперсии Е\(кр).
Существенно, что эмиссия с ПЭС характеризуется тремя признаками,
отличающими ее от эмиссии из объемных состояний: а) дисперсионная кривая
Е\(кр) хотя бы частично захватывает область энергий, запрещенных в
объеме; б) функция Е\(кр) не зависит от энергии
166
Глава 5
Е,эВ
Рис.5.7. Универсальная зависимость средней длины свободного пробега
электронов в различных твердых телах от энергии [10]
фотонов Ь/ (для объемных состояний это не так, из-за того, что
kz * 0); в) высокая чувствительность к адсорбционным воздействиям.
Рассмотренный вариант фотоэлектронной спектроскопии пригоден для
исследования энергетического
спектра заполненных электронных состояний. Информацию об энергетическом
спектре незаполненных возбужденных состояний дает методика
двухступенчатой фотоэлектронной спектроскопии (ДС УФС), принцип которой
иллюстрируется рис.5.6,б. От простой фотоэлектронной спектроскопии этот
метод отличается лишь тем, что кристалл подвергается дополнительному
воздействию мощного лазерного излучения. Это делается для того, чтобы
создать неравновесное заполнение электронами возбужденных состояний.
Фотоэмиссия электронов с этих неравновесно заполненных состояний
регистрируется как обычно (рис.5.6,а). В результате из зависимостей
энергии фотоэмиттированных электронов от угла вылета с поверхности
получают дисперсионное соотношение, характеризующее возбужденные
электронные состояния кристалла. Следует, однако, помнить, что
предварительное лазерное облучение может привнести на поверхность новые
дефекты, тем самым изменив энергетический спектр исходных биографических
состояний.
Наиболее информативным для изучения энергетического спектра незаполненных
электронных состояний приповерхностной области твердого тела является
метод обратной фотоэлектронной спектроскопии (точнее назвать эту методику
электрон-фотонной спектроскопией - ЭФС). Поверхность кристалла облучают
электронами низких энергий (десятки эВ), а регистрируют испускаемые с
поверхности фотоны. По существу это разновидность тормозного излучения,
которое наблюдалось еще в 30-х годах Лукирским. Физические процессы,
протекающие в приповерхностном слое при этом те же, что и в случае УФС,
но только идут они в обратном порядке: сначала электроны, обладающие
кинетической энергией Е, попадают из вакуума на высоколежащие
энергетические уровни кристалла Ei, затем происходит захват электронов на
расположенные ниже свободные уровни Е\. В акте захвата испускается фотон,
энергия которого определяется соотношением (5.17). Заметим, что
