Физические основы метода Оже-электронной спектроскопии. Необходимое оборудование.

в Оже-электронной спектроскопии.

пучка, облучающего образец, может быть передана электрону внутренних оболочек атома.

Образовавшаяся за счет ионизации электронным ударом вакансия на оболочке атома через короткое время (τ~ 10-16 с) заполняется электроном одного из вышележащих уровней. Избыток энергии может пойти на испускание рентгеновского кванта или передан третьему электрону, который может быть испущен атомом. Схема, иллюстрирующая этот процесс, приведена на рисунке

изображенный на рисунке), либо испускание кванта характеристического рентгеновского излучения Кα1

или Кα2. То, что энергия Оже-электрона определяется энергиями связи электронов атомных оболочек, лежит в основе метода элементного анализа, называемого Оже-Электронной Спектроскопией (ОЭС, в зарубежной литературе AES).
Т.к. для Оже-процесса нужны, по крайней мере, два энергетических уровня и три электрона, то в атомах Н и Не Оже-электроны возникать не могут. Точно так же не могут быть источниками Оже-электронов изолированные атомы Li, имеющие на внешней оболочке один электрон. Все остальные элементы могут быть идентифицированы методом ОЭС.
Наиболее вероятные Оже-переходы, наблюдаемые в ОЭС:
KLL,
LMM,
MNN.

составе приповерхностных слоев образца.
Причиной этого является малая средняя длина свободного

пробега электронов с энергией, типичной для Оже-электронов (50 – 2000 эВ) вследствие их интенсивного неупругого рассеяния в твердом теле.
Оже-электроны, возникшие в глубине образца и отдавшие энергию на возбуждение плазменных колебаний, на возбуждение внутренних оболочек или на межзонные переходы, исключаются из наблюдаемых характеристических Оже-пиков и становятся частью фона отраженных электронов, на который накладываются Оже-пики.

различных атомах, от их энергии

как основные механизмы потерь включают в себя возбуждение электронов валентной

зоны, а плотность валентных электронов не является сильно меняющейся функцией атомного номера. Фактически, вклад в наблюдаемые Оже-пики дают только Оже-электроны, испущенные атомами поверхности и приповерхностных слоев (2 – 5 монослоев).
В силу этого, метод ОЭС чувствителен к составу атомов на поверхности и нескольких приповерхностных слоев образца.
Уже при наличии на поверхности исследуемого образца одного монослоя адсорбата, атомы, составляющие адсорбат, доминируют в Оже-спектре.

которой размещены:
механизм подачи образца;
электронная пушка;
энергоанализатор для регистрации спектра электронов;
ионный источник

для очистки поверхности образца.

измерения Оже-спектров необходимо проводить в условиях сверхвысокого вакуума.
Обычно давление в

аналитической камере у выпускаемых Оже-спектрометров ≤ 10-9 Тор. Так как получение такого давления после вскрытия камеры на атмосферу требует длительного времени (~ десятка часов), то используется шлюзовой механизм подачи образца в аналитическую камеру, обеспечивающий ввод образца с атмосферы через промежуточную вакуумную камеру с давлением ~ 10-5 - 10-6 Тор.
Аналитическая вакуумная камера вскрывается на атмосферу только в экстренных случаях (например, замена катода у электронной пушки).

электронов на образец до нескольких десятков мкА при ускоряющих напряжениях

до 10 кВ. Диаметр электронного пучка на образце обычно составляет 0.5 – 1 мм.
В качестве энергоанализатора применяются электростатические энергоанализаторы с разрешением ρЕ 10-3-10-4:
цилиндрическое зеркало (АЦЗ);
сферический дефлектор обычно с углом раствора 180о (т.н. полусферический анализатор - ПСА).

и ПСА.
В АЦЗ полный телесный угол сбора электронов составляет около

1 ср, тогда как в обычных ПСА он составляет около 10-2 ср. Таким образом светосила АЦЗ примерно в 100 раз больше, чем у ПСА. Естественно, что больший угол сбора приводит к увеличению интенсивности сигнала в спектрометрах с анализатором типа цилиндрическое зеркало.
Разрешающая способность ПСА обычно в 2–3 раза лучше для того же отношения сигнала к шуму в спектре, чем при использовании АЦЗ.

Оже-электронов с помощью АЦЗ







Первичный электронный пучок облучает образец – 1.

Энергетический спектр вылетающих из образца электронов измеряется АЦЗ, состоящего из внутренних - 2 и внешнего - 3 коаксиального электрода, между которыми приложена разность потенциалов, определяющая энергию прохождения электронов через АЦЗ (красным цветом показаны две возможные траектории - 4). Регистрация электронов прошедших АЦЗ осуществляется детектором – 5 (обычно канальный электронный умножитель или микроканальная пластина). Весь анализатор помещен в экран – 6

большинство выпускаемых Оже-спектрометров оснащается полусферическим дефлектором

полусферическом анализаторе энергий может осуществляться двумя способами. В режиме постоянного

задерживающего потенциала между входной и промежуточной линзой подается постоянное напряжение задержки ϕs, а развертка по энергии электронов производится изменением напряжения V0 между полусферами. Этот режим используется для анализа электронов с малыми энергиями (до 150 эВ), так как в этом случае задерживающим напряжением отсекается интенсивный пик низкоэнергетичных вторичных электронов, и, как следствие, повышается чувствительность и разрешение.
В режиме постоянного потенциала напряжение между полусферическими электродами остается постоянным, а развертка по энергии электронов осуществляется изменением напряжения задержки. Анализ электронов с энергиями свыше 150 эВ.
В качестве детекторов на выходе анализатора используется вторичный электронный умножитель (ВЭУ).

проявляются в энергетическом спектре на большом фоне, обусловленном отраженными электронами,

то часто для их записи применяется т.н. модуляционная техника. Суть ее в следующем.
Энергия электронов, проходящих через энергоанализатор, определяется разностью потенциалов между его обкладками U0. Изменением этого напряжения осуществляется развертка спектра. Если же напряжение развертки имеет вид U0 + Usinωt, где амплитуда U<< U0, то в этом случае будет осуществляться аппаратное дифференцирование спектра: сигнал, поступающий с выхода синхронного детектора, настроенного на частоту 2ω пропорционален dN 2(E)/dE2. Использование модуляционной методики позволяет значительно повысить величину отношения сигнал/шум в регистрируемом спектре.

методики

с применением модуляционной методики на разных типах энергоанализаторов



















энергия электронов, эВ
d

2N/dE2

для очистки поверхности образца за счет ионного травления.
Стандартная схема расположения

ионного и электронного пучка
Ионное травление в ОЭС используется
не только для очистки поверхности
образцов перед измерением,
но и для получения профилей
изменения состава образца по глубине.
Ионный пучок создает на поверхности
образца кратер, диаметр которого (5-20 мм)
намного больше диаметра электронного зонда (~ 0,5 мм).
Профиль концентрации по глубине получают путем непрерывной егистрации элементного состава на дне кратера в ходе распыления (или после прекращения травления). Ионная бомбардировка, проводимая одновременно с электронной, оказывает малое влияние на Оже-анализ, поскольку число вторичных электронов, возбуждаемых ионным пучком, намного меньше, чем при возбуждении первичным электронным пучком.