Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)

Стр 1 из 3Следующая ⇒

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра "Химии технологии органических соединений азота"

РЕФЕРАТ

По дисциплине «Современные физико-химические методы анализа энергонасыщенных соединений»

На тему: «Методы исследования поверхностей. Общие характеристики»

Выполнил:
студент группы 1161-51
Корнилова В.С.

Проверил:
К.т.н, доцент кафедры «ХТОСА»
Снигирева О.А.

Казань 2021

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………….…3

1.Классификация методов исследования поверхностей………..….4

2.Общие характеристики методов исследования поверхностей

2.1 Спектроскопический метод……………………………….…5

2.2 Структурный метод исследования…………………………10

2.3 Микроскопический метод исследования…………………..11

Заключение………………………………………………………...…15

Список литературы……………………………………………..…...16

ВВЕДЕНИЕ

Методы исследования поверхностей, в которых для получения аналитического сигнала используются физические воздействия. Аналитическая информация – элементный состав, концентрация, химический состав (качественный и количественный). Сюда же примыкают структурные исследования, изучение морфологии поверхности.

В корне большинства физических методов лежит изучение характера взаимодействия ЭМ либо корпускулярного излучения с веществом. На сегодняшний момент существует очень большое количество методов, которые не поддаются классификации. Среди них выделяют две большие группы: различные молекулярные спектроскопии и методы исследования поверхности .

Вторая группа – методы исследования твердотельных образцов в том виде, в котором они получены. Само выражение ʼʼисследование поверхностиʼʼ подчеркивает высокую чувствительность этих методов, а также вполне определœенную, как правило, небольшую, глубину зондирования, позволяющую отличить поверхность от объёма.

Выбор рассматриваемых методов диктуется следующими обстоятельствами: общеупотребительность, взаимодополняемость, доступность. Все эти методы реализованы в стране в тех или иных институтах.

Классификация методов исследования поверхностей

Все методы базируются на эффекте взаимодействия зондирующего пучка с поверхностью образца. В качестве зондирующего излучения рассматриваются фотоны, электроны и ионы. Эффектами являются поглощение, рассеяние и отражение, генерация вторичных частиц в виде фотонов, электронов, ионов и молекулярных фрагментов. Иначе говоря, мы можем следить за протеканием эффектов, регистрируя ионные, фотонные и электронные потоки. Единственное, следует иметь в виду, что эти потоки бывают обусловлены первичным либо вторичным излучением. Следить – значит, что нас интересует энергия и интенсивность излучения с поверхности образца. Такое многообразие как средств зондирования, так и эффектов, происходящих при зондировании, породило очень большое количество методов исследования поверхности.

Классификация методов:

1. Спектроскопический метод.

Химический состав поверхности, химическое состояние элементов на поверхности.

2.Структурный метод.

От взаимного расположения поверхностных атомов и функциональных групп до пористой структуры веществ.

3.Микроскопический метод

Морфология поверхности.

Общие характеристики методов исследования поверхностей

2.1 Спектроскопический метод

Существует множество методов, которые можно отнести к классу спектроскопических.
Наиболее часто спектроскопические методы классифицируются по виду регистрируемых частиц (методы электромагнитной, электронной, механической, масс- спектроскопии), по виду зондирующего воздействия (методы электромагнитной, ионной спектроскопии), по процессу измерения (спектроскопия поглощения или адсорбционная спектроскопия, эмиссионная спектроскопия, спектроскопия рассеяния), по возможностям или по решаемым задачам.

К методам электронной спектроскопии относят электронную оже-спектроскопию (ЭОС), рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (РФС), ультрафиолетовую фотоэлектронную спектроскопию (УФС) и пороговые методы: спектроскопия потенциала появления (СПП), спектроскопия ионизационных потерь (СИП). Эти методы объединены по виду регистрируемых частиц. В электронной спектроскопии детектируют электроны с энергией в интервале 5-2000 эВ, которые испускаются поверхностью или рассеиваются на ней.

К методам ионной спектроскопии относятся методы вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС), ионно-нейтрализационной спектроскопии (ИНС), спектроскопия рассеяния медленных ионов (РМИ) или ионного рассеяния (СИР) (кинетическая энергия которых меньше 10 кэВ), спектроскопия рассеяния быстрых ионов (РБИ) (с энергиями от 10 кэВ до ~2 МэВ). Эти методы объединены по виду зондирующего воздействия.
Пример классификации методов представлен в таблице 1.

Таблица 1.Классификация методов

Метод	ЭОС	РФС	ВИМС динамический	ВИМС времяпролетный
Первичное возбуждение	электроны	рентгеновское излучение	первичные ионы	первичные ионы
Диаметр зондирующего пучка	10 нм (локальный метод)	‹10 мкм (интегральный)	5 мкм	100 нм
Регистрируемые частицы	оже-электроны	фотоэлектроны	вторичные ионы	вторичные ионы
Получаемая информация	элементный состав поверхности	элементный и химический состав поверхности	элементный состав, изотопный анализ	элементный, молекулярный и химический состав поверхности
Предельное значение определяемой атомной концентрации	10^-3 ат.% (кроме Н, Не)	10^-4 ат.% (кроме Н, Не)	10^-6 ат.% (для всех элементов)	10^-6 ат.% (для всех элементов)
Анализируемая глубина	2,5 – 10 нм	5 – 10 нм	1,5 нм	1,5 нм
Особенности	анализ микродефектов, легкий в использовании, количественный анализ	легкий в использовании, количественный анализ	количественный анализ затруднен	количественный анализ затруднен
Основное применение	дефектный анализ в полупроводниках, карта распределения элементов	во всех областях	анализ имплантированных полупроводников	полимеры, анализ загрязнения и остаточных металлов

Для получения необходимой информации об объекте спектроскопических исследований использование одного из методов часто недостаточно, поэтому экспериментальные результаты добавляются данными, полученными другим методом. Например, часто сочетают электронную оже-спектроскопию (ЭОС) и дифракцию медленных электронов (ДМЭ). ДМЭ обеспечивает простое и удобное описание дальнего порядка на поверхности, а ЭОС – состав или чистоту поверхности. Оба метода можно осуществить на одном оборудовании.

Многие методы исследования поверхности сопровождаются ее повреждением или разрушением, однако, за исключением ВИМС, этот эффект является побочным. В ВИМС поверхность разрушается в результате достаточно грубого метода распыления, и распыленные заряженные фрагменты анализируются с целью определения состава поверхности. Методы десорбционной спектроскопии используют десорбцию адсорбированных частиц с поверхности для изучения связи адсорбат – подложка. При этом также можно получить и информацию о составе поверхности, но обычно эта информация носит второстепенный характер. Двумя основными методическими вариантами десорбции являются тепловая и электронно-стимулированная десорбция (ЭСД) или фотонно-стимулированная десорбция (ФСД).

Информацию об адсорбированной на поверхности частице можно получить и неразрушающими методами – методами колебательной спектроскопии. Это отражательно-адсорбционная инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия), спектроскопия комбинационного рассеяния света (КРС), спектроскопия характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ) или методы, использующие рассеяние молекулярных пучков.

Оже-спектроскопия

Метод электронной спектроскопии, основанный на анализе распределения по энергии электронов, возникших в результате Оже-эффекта.

По способу получения информации о поверхности методы анализа делятся на эмиссионные, в которых используется эмиссия частиц в результате воздействия на поверхность различных факторов (температура, электрическое поле), и зондирующие, основанных на эмиссии частиц или излучения, действующие на исследуемую поверхность. Метод электронной оже-спектроскопии относится к зондирующим методам. Он основан на анализе распределения энергии электронов, эмитированных исследуемым веществом под действием пучка первичных электронов, и выделении из общего энергетического спектра тех, которые возникли в результате оже-процесса. Их энергия определяется энергетической структурой оболочек атомов, участвующих в процессе, а ток в первом приближении — концентрацией таких атомов.

Оже-процессы проявляются при бомбардировке поверхности твердого тела медленными электронами с энергией E от 10 до 10000 эВ. Бомбардировка твердых тел в вакууме сопровождается вторичной электронной эмиссией. В состав вторичных электронов, эмитируемых, кроме собственно вторичных электронов, входят упруго- и неупругорассеянные первичные электроны.

Факторы, влияющие на интенсивность эмиссии оже-электронов:

На интенсивность эмиссии оже-электронов существенно влияют различные факторы, такие как зависимость сечения ионизации внутренних уровней атомов от энергии первичных электронов, обратный поток рассеянных электронов, вероятность перехода атома в невозбужденное состояние с возникновением фотона и другие процессы.

Зависимость сечения ионизации уровня от энергии электронов первичного пучка:

Поскольку значение энергии первичных электронов Е является важным фактором при образовании в атомах первичных вакансий, её изменение должно существенно влиять на величину тока оже-электронов.

Влияние угла падения первичных электронов на количество оже-электронов:

Существенное влияние на ток оже-электронов оказывает геометрия процесса, а именно угол падения электронов на образец и угол регистрации оже-электронов. Речь идёт об угле между направлением пучка первичных электронов и нормалью к исследуемой поверхности и об угле между нормалью и направлением попадающих в детектор оже-электронов.

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС)

полуколичественный спектроскопический метод исследования элементного состава, химического и электронного состояния атомов, на поверхности изучаемого материала. Он основан на явлении внешнего фотоэффекта. Спектры РФЭС получают облучением материала пучком рентгеновских лучей с регистрацией зависимости количества испускаемых электронов от их энергии связи. Исследуемые электроны эмитируются по всей глубине проникновения используемого мягкого рентгеновского излучения в исследуемый образец (обычно порядка 1 мкм, что очень много по сравнению с размерами атомов и молекул). Однако, выбитые рентгеновскими квантами электроны сильно поглощаются исследуемым веществом настолько, что эмитированные на глубине около 100 Å они уже не могут достичь поверхности, испуститься в вакуум и, соответственно, быть детектированными прибором. Именно поэтому методом РФЭС можно собрать информацию о самых верхних (около 10-30) атомных слоях образца без информации об его объеме. Поэтому РФЭС незаменим, как метод анализа и контроля в ряде отраслей таких, как полупроводниковая индустрия, гетерогенный катализ, и т.д.

РФЭС — метод анализа поверхности, который может быть использован для анализа химического состояния материала как в его первоначальном состоянии, так и после некоторой обработки, например скола, разреза или очистки в воздухе или сверхвысоком вакууме для исследования внутреннего химического состава образца, облучения высокоэнергетическим пучком ионов для очистки поверхности от загрязнений, нагрева образца, чтобы изучить изменения вследствие нагревания, помещения в атмосферу реактивного газа или раствора, облучения ионами с целью их внедрения, облучения ультрафиолетовым светом.

Поскольку для возбуждения фотоэмиссии используется излучение с известной длиной волны, энергия связи испускаемых электронов может быть найдена по уравнению, следующему из закона сохранения энергии:

E_b-энергия связи электрона

E_photon-энергия возбуждающего фотона

E_k-фиксируемая в эксперименте кинетическая энергия электрона

φ-работа выхода спектрометра

2.2 Структурный метод исследования

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 75; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!