научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ CU–NI, CU–MN МЕТОДОМ ПРОТЯЖЕННЫХ ТОНКИХ СТРУКТУР СПЕКТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОНОВ Физика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ CU–NI, CU–MN МЕТОДОМ ПРОТЯЖЕННЫХ ТОНКИХ СТРУКТУР СПЕКТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОНОВ»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2015, том 116, № 1, с. 31-39

^ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

УДК 669.3'24'74:548.74

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛОКАЛЬНОЙ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ Си-М, Си-Мп МЕТОДОМ ПРОТЯЖЕННЫХ ТОНКИХ СТРУКТУР СПЕКТРОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОНОВ

© 2015 г. О. Р. Бакиева, О. М. Немцова, Д. Е. Гай

Физико-технический институт УрО РАН 426000 Ижевск, ул. Кирова, 132

e-mail: ftiran@mail.ru Поступила в редакцию 31.01.2014 г.; в окончательном варианте — 17.06.2014 г.

Рассматривается возможность анализа локальной атомной структуры по сильно перекрывающимся экспериментальным EELFS-спектрам двух различных химических элементов. С поверхности сплавов CuxNi1 _ x и CuxMn1 _ x (х = 0.5) получены М2 3 спектры протяженных тонких структур энергетических потерь электронов. Предложена методика определения параметров локальной атомной структуры (координационные числа, длина химической связи и параметры их дисперсии) ближайшего атомного окружения сверхтонких (1—5 нм) поверхностных слоев двухкомпонентных сплавов 3ё-металлов из перекрывающихся протяженных тонких структур спектров энергетических потерь электронов. Методика апробирована на экспериментальных M2 3 EELFS-спектрах поверхности тестовых сплавов Cu50Ni50 и Cu50Mn50.

Ключевые слова: тонкая структура спектров энергетических потерь электронов, перекрывающиеся осцилляции, локальная атомная структура, длина химической связи.

DOI: 10.7868/S0015323015010027

1. ВВЕДЕНИЕ

При возбуждении твердых тел моноэнергетическим электронным пучком в спектрах эмиссии электронов, кроме оже-электронных пиков и краев характеристических потерь электронов, присутствуют протяженные тонкие структуры. Протяженные тонкие структуры спектров энергетических потерь электронов (EELFS — Electron Energy Loss Fine Structure) представляют собой осцилляции (периодом 10—20 эВ и протяженностью до 500 эВ) интенсивности спектра неупруго отраженных электронов, расположенные с низкоэнергетической стороны от краев характеристических потерь, обусловленных возбуждением внутренних уровней атомов твердого тела. По своей природе EELFS относятся к XAFS-подобным (X-ray Absorption Fine Structure) спектральным особенностям, поскольку формируются в результате модуляции интенсивности потери энергии падающего электрона процессами когерентного рассеяния вторичного электрона на локальном окружении возбуждаемого атома. Процесс возбуждения образца моноэнергетическим электронным пучком позволяет использовать EELFS-спектроскопию как метод анализа сверхтонких поверхностных слоев твердых тел, где в зависимости от экспери-

ментальных условий (энергия падающих электронов или/угловая геометрия эксперимента) глубина анализируемого слоя может варьироваться от 10 до 50 ангстрем. Поскольку ЕЕЬР8-спектры являются ХАБ8-подобной спектральной особенностью, при работе с ними можно использовать все наработанные в ХАБ8-методы [1], при этом необходимо учитывать мультипольность процесса возбуждения внутреннего уровня атома электронным ударом. Проведенные ранее [2] расчеты амплитуд и интенсивностей электронных переходов, формирующих соответствующие М-ЕЕЬБ8-спектры 3^-металлов и К-ЕЕЬБВ-спектры кислорода, показали удовлетворительное соответствие экспериментальным результатам. Это позволило формализовать задачу по определению парциальных атомных парных корреляционных функций из нормированной осциллирующей части ЕЕЬБ8-спектра. Используя метод регуляризации Тихонова для решения обратных некорректных задач, нам удалось получить устойчивое решение и провести анализ локальной атомной структуры (длина химической связи, параметры тепловой дисперсии и парциальные координационные числа) ряда 3^-металлов и сверхтонких оксидных пленок на их поверхности [2].

Электронное возбуждение электронной подсистемы образца, формирующее ЕЕЬБ8-спек-тры, приводит как к их поверхностной чувствительности, так и к ряду особенностей, которые необходимо учитывать при обработке ЕЕЬБ8-экспериментальных данных. Нередко встречается ситуация перекрывания областей определения осциллирующих ЕЕЬБ8-структур от разных химических элементов. Это приводит к проблеме анализа и обработки таких перекрывающихся осциллирующих структур, что в ХАБВ-спектроско-пии встречается чрезвычайно редко. Под перекрывающимися протяженными тонкими структурами в ЕЕЬБ8-спектроскопии будем понимать протяженные тонкие структуры, сформированные в результате когерентного рассеяния вторичного электрона на локальном атомном окружении возбуждаемого атома одного и другого химического сорта. Целью настоящей работы является разработка методики определения параметров локальной атомной структуры по экспериментальным ЕЕЬБ8-спектрам с протяженной областью перекрытия осциллирующих структур двух различных химических элементов — область 100% перекрытия в случае системы Си—N1 и 94% от всего спектра в случае системы Си—Мп. Для этого необходимо проведение анализа и обработки суммы двух осцилляций, определяемых различными волновыми числами вторичных электронов и соответствующим локальным атомным окружением возбуждаемых атомов. В перекрывающихся осциллирующих частях ЕЕЬБ8-ин-тенсивности вклады осцилляций определяются как концентрацией соответствующих химических элементов, так и интенсивностью соответствующих электронных переходов. В данной работе для определения параметров локальной атомной структуры будут использованы парные корреляционные функции, полученные методом решения обратных задач. Таким образом, требуется провести корректное теоретическое описание формирования перекрывающихся ЕЕЬБ8-структур, необходимое как для предварительной обработки (выделения нормированных осциллирующих частей), так и для задания параметров ядра интегрального уравнения.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ФОРМАЛИЗМ Интенсивность перехода падающего электрона с кинетической энергией Е„ = — у>2 в состоя-

ние неупруго рассеянного электрона с кинетической энергией Еи = — и2 при возбуждении внут-2т

реннего уровня атома с энергией связи Еа для однокомпонентных систем имеет вид

1а (Ек ) - 1а^ (Ек )

1 + (к2)х0у (к,Я°у)

(1)

Здесь d/at (Еи) = у (Е„) doо (Еи) 2п

ри

w

Т

интенсивность атомного процесса записана в зависимости от Ек — кинетической энергии вторичного электрона (здесь da0 (Еи) = 64п5а^Еи; у (Е„, ) — плотность потока падающих электронов на атом вещества; 2па — количество электронов на внутреннем уровне | а); р, и, м> — импульс вторичного, неупруго рассеянного и падающего электрона соответственно); закон сохранения энергии определяет Е„ - Еи = Еа + Ек. В выражении (1) величина ЩТ (к2) — зависящий от температуры образца фактор Дебая—Уайлера, учитывающий дисперсию межатомных расстояний. Интерференционное слагаемое определяется выражением

= Яе

Хоу (k, *°у) = ехр(/280)(-1)/у(к,п)еХР( 2^

¡кЯ00,

(2)

где Я°у — расстояние между возбуждаемым (0-м) и

соседним (/-м) атомами; к+ = к + /у, где к — волновое число, у — обратная длина свободного пробега вторичного электрона; /у (к, п) — амплитуда упругого рассеяния "назад" на у-м атоме, 8° — парциальный фазовый сдвиг от упругого рассеяния на возбуждаемом атоме (/ = 0). В выражении (2) муль-типольность процесса возбуждения атома электронным ударом учитывается через коэффициенты ц,, которые определяются следующим образом:

Х

(

ео8 к, к,

Та (к)Т* (ку)

Та (к)Т* (к)

(3)

т.е. амплитудами Та (к) и Та (ку) рождения вторичного электроны с импульсами к и к у = к И ° у/ ° у| из | а — внутреннего уровня возбуждаемого (0-го) атома [2]. В выражении (3) усреднение проводится по направлениям импульсов всех электронов непрерывного спектра ЕЕЬБ8-процесса, которые не регистрируются в эксперименте.

Рассмотрим двухкомпонентную систему с атомами химического сорта а и Ь и соответствующими концентрациями Са и Сь. Закон сохранения энергии при возбуждении на атоме а внутреннего уровня | а) с энергией связи Еа имеет вид Е„ - Еи =

= Ер + Еа. Здесь Е„ - Еи — потеря энергии на возбуждение внутреннего уровня | а), Ер — кинетическая энергия вторичного электрона при возбуждении внутреннего уровня | а) атома а. Аналогично закон сохранения энергии при возбуждении внутреннего уровня | в атома Ь имеет вид Е„ - Еи = = Ед + Е^, здесь Ед — кинетическая энергия вторичного электрона при возбуждении внутреннего уровня | в атома Ь, Е р — энергия связи внутреннего уровня | в атома Ь. Введем разность между энергиями связи атомов а и Ь: АЕра = Ер - Еа. Кинетическую энергию вторичного электрона при возбуждении внутреннего уровня | в атома Ь можно выразить через кинетическую энергию вторичного электрона при возбуждении внутреннего уровня | а) атома а как Ед = Ер - АЕра. Тогда интенсивность потери на возбуждение внутреннего уровня | а) атома а в приближении однократного рассеяния на соседних атомах в двухкомпонентной системе в шкале кинетической энергии Ер выглядит следующим образом:

Т (Ер) = е(Ер)Са/аа1) (Ер)

1 + 4пр0 х

х ^^(гУхАА(рг) + 4про ^АВ(г)хАв(рг)

(4)

где

Xаа(рг) = Яе XцА ехр(2/5А)/А(р)

Ач.А. чехр(2гр+)

Xав(рг) = Яе X ехр(2/5А)/В(р)

.оАч ¿в, чехр(2гр )

(5)

Т (Ер) = е(Ер +Ща)Сь1?) (Е,)

1 + 4пр0 х

х |^г^ва(г)ХВА(^г) + 4про |^г^вв(г)Хвв(дг)

(6)

где

Xва(Цг) = Яе X цв ехр(2/5В)/А(д)

•х^^А/ чехр(2гд+)

д

Xвв(рг) = Яе X ехр(2/5В)/В(д)

вч/-В/ чехр(2гд )

(7)

д

Здесь 0(Ер) и 0(Ер + АЕра) являются функциями Хевисайда.

Поскольку экспериментальный сигнал есть суперпозиция интенсивностей Та (Ер) и ]ь (Ер), то для двухкомпонентных систем с атомами химического сорта а и Ь и соответствующими концентрациями Са и Сь нормированная осциллирующая часть спектра энергетических потерь электронов может быть представлены в виде

Са (Ла (Ер ) - ^ (Ер )) + Сь (1ьа (Ед) - 4а] (Ед))

Са^аа (Ер) + СьТьа^ (Ед)

да

= 4про ^Г [АХаа (р, Г) 8аа (г)

+

(8)

+ (АХаь (р, Г) + Вхьа (д, Г))) (г) + В^ьь (д, г) Ёьь (г)] ,

где р0 — атомная плотность образца. Выражения (4), (6), (8) записаны через атомные парные корреляционные функции gaa (Г) , gaЬ (г) = 8ьа (г) и gьь (Г). В выражениях (5), (7) индексы а и Ь определяются тем, возбуждение какого атома мы рассматриваем, а какой считаем атомом ближайшего окружения. Также в зависимости от химичес

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»