научная статья по теме АНАЛИЗ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ EELFS-СПЕКТРОСКОПИИ. ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ EELFS-СПЕКТРОСКОПИИ. ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 10, с. 53-58

УДК 538.971

АНАЛИЗ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ EELFS-СПЕКТРОСКОПИИ. ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

© 2015 г. О. Р. Бакиева*, О. М. Немцова, Д. В. Сурнин

Физико-технический институт УрО РАН, 426000Ижевск, Россия *Е-таИ: ftiran@mail.ru Поступила в редакцию 20.08.2014 г.

В настоящей работе рассматривается возможность исследования локальной атомной структуры поверхности вещества методом анализа протяженных тонких структур спектров энергетических потерь электронов. Показаны преимущества метода, ограничения и рассмотрены перспективы развития.

Ключевые слова: электронная спектроскопия, спектры энергетических потерь электронов, ХАБЗ-по-добные структуры.

Б01: 10.7868/80207352815060049

ВВЕДЕНИЕ

Спектроскопия эмиссии электронов при возбуждении твердых тел электронным пучком или рентгеновским излучением является основным методом исследования химического состава и электронной структуры поверхностных слоев образцов. Спектры энергетических потерь электронов содержат несколько особенностей. Началом отсчета принято считать пик, который соответствует упруго отраженным электронам (рис. 1). За пиком упруго отраженных электронов в спектре наблюдаются особенности, обусловленные процессами многократных некогерентных потерь энергии падающих электронов на возбуждение валентных электронов образца. При энергии порядка 10—20 эВ наблюдаются два пика, соответствующие процессам возбуждения объемного и поверхностного плазмонов. Величины потери энергии падающего электрона на возбуждение

объемных (Е„ - Е™) и поверхностных (Е„ - Ер,ш) плазменных колебаний определяются соотношением (Е„ - Е^и':)/(Е„ — Е^01) = >/2. Соотношение интенсивностей, формы и энергетического положения пиков плазменных колебаний содержит информацию об изменении структуры поверхностных и объемных валентных состояний образца, но данный анализ очень сложен и методика его проведения к настоящему моменту до конца не разработана.

Далее в спектре расположены края энергетических потерь, обусловленные пороговыми потерями энергии электронов на возбуждение внутренних уровней атомов образца. Величина

энергетической потери падающего электрона — положение краев энергетических потерь электронов — однозначно характеризует химический состав исследуемого образца, а интенсивность края поглощения — долю тех или иных атомов.

Кроме этих энергетически локализованных особенностей, в спектрах энергетических потерь электронов регистрируются протяженные тонкие структуры. Протяженные тонкие структуры спектров энергетических потерь электронов (EELFS — Electron Energy Loss Fine Structure) представляют собой слабоинтенсивные (1/5—1/10 от интенсивности потери на соответствующем краю) осцилляции, расположенные в низкоэнергетической части спектра вблизи краев поглощения внутренними уровнями атомов образца (рис. 1). Период этих осцилляций порядка 10 эВ, а протяженность до 500 эВ. Впервые эти структуры привлекли внимание исследователей в 1974 г. (J.J. Ritsko с коллегами). По своей природе EELFS-спектры относятся к классу XAFS-подобных явлений (X-ray Absorption Fine Structure) [1—6], поскольку формируются в результате когерентного рассеяния вторичного электрона на локальном атомном окружении возбуждаемого атома [7—9]. Следовательно, так же как и XAFS-, EELFS-спектры содержат информацию о локальной атомной структуре — о парциальных координационных числах, длинах химических связей и параметрах их дисперсии. В России XAFS-подобными спектральными особенностями занимались: в Новосибирске — Д.И. Кочубей, В.В. Кривенцов и С. Г. Ники-тенко; в Москве — К.Н. Ельцов с коллегами; в Ростове-на-Дону — Р.В. Ведринский с коллегами; в Екатеринбурге — Ю.А. Бабанов, Н.В. Ершов,

0 E.

CVV 1

Кинетическая энергия -гг-

N(E)

Энергия потерь

Ea 0

EELFS

Рис. 1. Характерный вид спектра эмиссии электронов из твердого тела при возбуждении образца моноэнергетическим пучком электронов: 1 — пик упруго отраженных электронов; 2 — плазмонные потери; 3 — край возбуждения внутреннего уровня |а) ; EELFS — Extended Energy Loss Fine Structure (протяженная тонкая структура спектров энергетических потерь электронов); 4 — оже-пики, соответствующие переходу с внутреннего (С — соге) уровня и с участием двух валентных (V) электронов; SEFS — Secondary Electron Fine Structure (тонкая структура спектра вторичных электронов) [20].

А.Л. Агеев; в Ижевске — группа авторов под руководством Ю.В. Раца и Д.Е. Гая.

Уникальность метода EELFS-спектроскопии заключается в высокой поверхностной чувствительности. Конечно, существует еще один метод исследования поверхности — это дифракция медленных электронов (LEED — Low Electron Energy Diffraction), однако он подходит только для исследования монокристаллических объектов. В случае EELFS-спектроскопии таких ограничений нет. Кроме того, если метод EXAFS в режиме регистрации электронного выхода дает информацию о локальной атомной структуре на глубине не менее 50 нм, то в случае EELFS — это поверхностные слои не более 10 нм. Различие между EXAFS- и EELFS-спектроскопией заключается в способе возбуждения атома вещества: если мы имеем дело с рентгеновским возбуждением, получаем EXAFS, если возбуждение происходит моноэнергетическими электронами, получаем EELFS. На рис. 2 представлен процесс формирования EELFS-спектра: падающий электрон (с волновым вектором w) переводит невозбужденную электронную подсистему атома в конечное состояние — дырка на внутреннем уровне с энергией связи Еа, вторичный электрон в непрерывном спектре (с волновым вектором р) и неупруго рассеянный электрон (с волновым вектором u). Аналогичная схема реализуется в результате радиационного возбуждения внутреннего уровня атома вещества. Таким образом, природа

Ew

Ekin

Рассеяние вторичного электрона

на ближайшем атомном окружении

\ *

^ ч

— Ea

'Mil

Возбуждаемый атом

йш

йш = Er,

EXAFS

йш = Ep + Ea

■ 0 :

йш

■*Ч

E„ "

Рис. 2. Схема энергетических переходов, формирующих протяженные тонкие структуры спектров энергетических потерь электронов (ЕЕЕБ8), и протяженные тонкие структуры спектров рентгеновского поглощения (ХЛБ8).

формирования ЕЕЬБ8-спектра, так же как и ХЛБ8, заключается в модуляции интенсивности возбуждения внутреннего уровня атома вещества процессами когерентного рассеяния вторичного электрона на локальном атомном окружении ионизируемого атома.

Именно использование электронного возбуждения приводит к ряду преимуществ, которые будут рассмотрены далее. Однако существуют и некоторые нюансы, затрудняющие работу. В первую очередь, при использовании ЕЕЬР8-спектроско-пии сталкиваешься с трудоемкостью получения экспериментальных спектров. При исследовании вещества в конденсированном состоянии естественным образом возникает проблема так называемой "зарядки" поверхности. На поверхности образца может скапливаться статический заряд, дающий вклад в весь электронный спектр (резко возрастает "шум", происходит неконтролируемое смещение и искажение не только оже-линий, но и всего электронного спектра). То есть с прово-

0

w

E

а

w

Ew Eu = Ep + Ea

E

u

u

E

loss

E

p

E

F

a

дящими материалами можно работать без каких-либо затруднений, а при работе с непроводящей поверхностью необходимо обеспечивать сток накапливающегося заряда, что не всегда удается успешно сделать. На сегодняшний день это резко сокращает список объектов исследования. Кроме того, интенсивность процесса возбуждения внутреннего уровня |а) атома электронным ударом

пропорциональна -Е^2, т.е. чем меньше энергия связи внутреннего уровня атома твердого тела, тем больше интенсивность его возбуждения и соответствующая интенсивность ББББ8-спектра, но при этом она составляет ~1/10 от интенсивности всего сигнала (фон неупруго рассеянных электронов). Это приводит к проблеме корректного выделения полезного сигнала, что влечет за собой необходимость накопления большой статистики экспериментальных спектров (соотношение шум/полезный сигнал не хуже чем 10-3).

ББББ8 КАК ХАБ8-ПОДОБНАЯ МЕТОДИКА

Если рассматривать теоретическое описание ББББ8-процесса, то долгое время не существовало строгого теоретического формализма, который описывал бы процессы, формирующие протяженные тонкие структуры спектров энергетических потерь электронов. Долгое время анализ ББББ8-спектров проводился методом фурье-преобразования, традиционным для БХАБ8. Так, в 1978 г. Б.М. Кинкайд с коллегами получили К-спектры (структуры в низкоэнергетической части спектра вблизи ^-края энергетической потери) графита в режиме "на просвет" (просвечивающий электронный микроскоп, энергия падающих электронов 200 кэВ, энергоанализатор типа "фильтр Вина"). Проведя ХАБЗ-подобную процедуру обработки полученных спектров (выделение осциллирующей части и ее фурье-преобразование), авторы [8] идентифицировали длины я- и ст-связей кристаллического графита. В 1981 г. М. Де Кресчензи с коллегами опубликовали [10] результаты исследования чистых Си и N1 методами ББББ8-спектроскопии в геометрии обратного отражения от поверхности образца. Это послужило началом исследований локальной атомной структуры сверхтонких поверхностных слоев методом ББББ8. Используя традиционную в ХАБЗ-спектроскопии методику фурье-преобразования, М. Де Кресчензи с коллегами показали, что на полуколичественном уровне результаты фурье-преобразования осциллирующих частей спектров энергетических потерь электронов хорошо согласуются с соответствующими результатами фурье-преобразования БХАБЗ-спектров. Таким образом, без разработанного теоретического формализма получаемые результаты в лучшем случае даже на тестовых образцах были полу-

количественными — удавалось определить только длину химической связи [11].

Предложенное авторами [7—9, 12—14] теоретическое описание ББББ8-процесса строится на его аналогии с ХАБЗ-процессом. Так же как в ХАБ8-процессе, протяженная тонкая структура формируется в результате когерентного рассеяния вторичного электрона (в случае ХАБ8 — фотоэлектрона) на атомном окружении возбуждаемого атома. Однако, если конечное состояни

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»