Эффект Оже. Оже–спектроскопия (стр. 2 из 5)

Оже-спектроскопия

Оже-спектроскопия – область электронной спектроскопии, в основе которого лежат измерения энергии и интенсивностей токов оже-электронов, а так же анализ формы линий спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами в результате оже-эфеккта. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих атомов с окружающими, что приводит к небольшим изменениям энергии оже-электронов. Поэтому по оже-спектрам можно определить элементарный состав приповерхностных слоев твердых тел, получать информацию о межатомных взаимодействиях, осуществлять химический анализ газа. Оже-спектроскопия газов используется так же для исследования механизма оже-эффекта, основных и возбужденных состояний дважды ионизированных атомов, различных эффектов, связанных с процессом начального возбуждения атома. Анализ элементного состава производится путем сопоставления оже-спектров с табличными данными. Расположение пика в энергетическом спектре оже-электронов несет информацию о химической природе атомов, его амплитуда – об их концентрации. Взаимодействия атома с его окружением проявляются в форме оже-пиков и их энергетических сдвигах.

Реализация метода

Регистрация оже-электронов

Если оже-эффект был открыт в 1925 году, то первые приборы, в которых он был использован для исследования поверхности, появились лишь в 60-х годах XX века. Для того чтобы объяснить такую большую задержку во времени, нам придется узнать, что представляет собой спектр вторичных электронов, образующихся при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. Оказывается, что в области энергий, в которой находятся оже-электроны, существует большое количество неупругорассеянных первичных электронов, которые образуют сплошной спектр, являющийся фоном, на котором приходится выделять оже-электроны. Ток неупругорассеянных электронов на несколько порядков превышает ток оже-электронов, поэтому возникает обычная труднорешаемая задача выделения полезного сигнала на уровне большого фона. Эта задача впервые была решена в 1962 году Л.А. Харрисом, после чего начался период бурного развития оже-электронной спектроскопии.

Рис. 2. Участок энергетического спектра вторичных электронов: а – до дифференцирования, N(Е), б – после дифференцирования,

Чтобы понять, как была решена эта задача, обратимся к рис. 2, а, на котором изображен участок энергетического спектра (N - число электронов, Е - их энергия) вторичных электронов, в который попадают и оже-электроны с энергией Е₁ .

Как видно из рис. 2, а, оже-электроны образуют однополярный пик очень малой интенсивности, который накладывается на большой фоновой ток неупругорассеянных электронов, при этом последний относительно слабо зависит от энергии. Харрис предложил продифференцировать спектр N(Е), то есть превратить его в

, в результате чего фон практически исчезает, а на месте слабого оже-сигнала колоколообразной формы появляется интенсивный двухполярный пик с амплитудой А (рис. 2, б), который легко может быть зарегистрирован. При этом дифференцирование осуществляется электрическими методами непосредственно в процессе записи спектра.

Энергоанализаторы оже-электронов

В оже-спектроскопии атомы возбуждают электронным, фотонным (рентгеновским) и ионным пучками, соответственно различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС) оже-спектроскопию. Регистрация оже-спектров производится с помощью оже-спектрометров, близких по конструкции в случае ЭОС, РОС, и ИОС (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема оже-спектрометра: 1 – источник первичных частиц (электронов, фотонов, ионов); 2 – исследуемый образец; 3 – ионная пушка для для прослойного распыления образца; 4 – энергетический анализатор электронов; 5 – система регистрации и обработки данных. Пунктиром обведена вакуумная часть прибора.

Исследумый образец помещают в вакуумную (до 10 ^-11 мм рт.ст.)камеру и облучают электронными пучками первичных частиц, источниками которых служат электронная пушка, рентгеновская трубка и ионная пушка; они должны обеспечивать потоки частиц, интенсивность которых достаточна для эмиссии оже-электронов в количестве, надежно регистрируемом измерительной аппаратурой. Электронные и ионные пучки легко фокусируются, их можно развернуть в растр по поверхности образца (сканирующие оже-спектрометры), что позволяет изучать распределение по поверхности образца атомов различных химических элементов с высоким пространственным разрешением (~30 нм). Рентгеновский зонт имеет минимальный диаметр ~150 мкм, сканирующая РОС пока не используется.

Основной узел оже-спектрометра — энергоанализатор оже-электронов. Чаще всего используется электро-статические анализаторы с продольными и поперечными энергетическими полями (рис. 4). В анализаторах первого типа направления электрического поля и движения электронов совпадают. К этому типу анализаторов относится многосеточный анализатор с тормозящим полем (рис. 4, а); в нем максимальная энергия электронов, попадающих на коллектор анализатора, определяется по задерживающему потенциалу на сетках 3.

Рис. 4. Энергоанализаторы оже-электронов с продольным (а) и поперечным (б,в,г,д) электрическими полями: а – четырехсеточный анализатор с тормозящим полем; б – 127-градусный анализатор Юза – Рожанского; в, г – плоские, цилиндрические зеркала; д – сферический дефлектор. 1 – источник первичных частиц; 2 – образец; 3 – электроды анализатора – сетки (а), цилиндрические (б, г), плоские (в), сферические (д) поверхности; 4 – коллектор электронов – сферический электрод (а) или электронный умножитель (б,в,г,д).

В анализаторе второго типа (с дисперсией по энергии) электрон движется в поперечном электрическом поле по окружности, радиус которой зависит от его энергии (рис. 4, б, в, г, д). Выделив с помощью диафрагм траекторию определенного радиуса и регистрируя ток электронов, движущихся по этой траектории в зависимости от напряженности электрического поля (изменяя разность потенциалов между внешними и внутренними электродами 3 анализатора), измеряют распределение электронов по энергиям. К анализаторам такого типа относятся, например, 127-градусный цилиндрический анализатор Юза – Рожанского (рис. 4, б), плоское (рис. 4, в), цилиндрическое (рис. 4, г) и сферическое (рис. 4, д) зеркала. Они обеспечивают чувствительность на два порядка выше по сравнению с многосеточным анализатором с тормозящим полем, однако последний позволяет сочетать методы оже-спектроскопии с дифракцией медленных электронов, что дает возможность наряду с элементарным составом приповерхностных слоев монокристаллических образцов получать сведения об их кристаллической структуре. Обычно регистрируют не энергитическое распределение числа N эмитированных электронов по энергиям E, а производную

(Е – энергия электронов), что позволяет не только более четко выделить линии оже-спектра (повысить чувствительность метода), но и более детально анализировать их структуру.

Методами ЭОС и РОС осуществляют анализ для всех элементов переодической системы, за исключением Н и Не. Метод ИОС обладает селективностью: определенные ионы способны возбуждать эмиссию оже-электронов лишь в атомах определенных элементов, что обусловлено механизмом обменной генерации вакансий во внутренних электронных оболочках атомов ионным пучком. Поэтому применение метода ИОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемент, а не проводить полный анализ элементного состава поверхности.

Получение энергетического спектра

Для обнаружения оже-электронов необходимо уметь выделять электроны, находящиеся в очень узком интервале энергий. В оже-спектроскопии чаще всего используют электростатические анализаторы, и в частности анализаторы типа "цилиндрическое зеркало". На рис. 5 приведено схематическое изображение такого анализатора, позволяющее понять принцип его действия.