3 Проблемы регистрации электронов низких энергий

3 Проблемы регистрации электронов низких энергий

Фото-, Оже- и другие электроны в процессе как электронного, так и электромагнитного воздействия на атомы металлов Bi, Au, Gd и Sm, преодолевают потенциальный барьер твердого тела и могут быть зарегистрированы. Однако их регистрация с технической точки зрения представляет определенные трудности, связанные с их низкой энергией, что в свою очередь накладывает ограничения на выбор детекторов, системы регистрации и условий регистрации. На основе метода электронной оже-спектроскопии, как наиболее развитого в настоящее время, рассмотрены указанные проблемы и пути их решения.

3.1 Метод электронной оже-спектроскопии
3.1.1 Физические основы
Метод электронной оже-спектроскопии(ЭОС) - один из наиболее распространенных методов изучения поверхности [1-3]. Атом, имеющий вакансию на внутреннем уровне, может перейти в невозбужденное состояние либо с испусканием рентгеновского кванта, либо безрадиационным путем - с испусканием электрона. Такой безрадиационный переход впервые обнаружил в 1925 г. французский ученый Пьер Оже, в честь которого процесс и получил свое название.
Термин «оже-процесс» связывается с любым возбуждением электрона, при котором возбуждающий электрон передает свою энергию вторичному электрону, так называемому оже-электрону. Конечное состояние атома при оже-процессе - атом с двумя вакансиями. Если одна из вакансий в конечном состоянии находится на том же уровне (подуровень может быть другой), что и вакансия, созданная первичным электронным пучком, безрадиационный переход носит название Костера-Кронига.
Метод оже-спектроскопии основан на изучении распределения оже-электронов по энергиям. Поскольку большая часть электронных уровней носит дискретный характер, метод дает информацию об энергетическом расположении уровней, а, следовательно, о химическом составе вещества. Измерение величины тока испускаемых оже-электронов позволяет в принципе производить не только качественные, но и количественные исследования, что делает метод электронной оже-спектроскопии (ЭОС) пригодным для анализа элементного состава [4].
Низкоэнергетические оже-электроны сильно поглощаются уже в одном монослое вещества и могут испускаться только из нескольких поверхностных слоев [5]. Таким образом, метод оже-спектроскопии является методом анализа элементного состава тонкой приповерхностной области толщиной 0,5-2,0 нм. Это свойство, а также быстрота получения информации, высокая чувствительность, возможность получения сведений обо всех элементах на поверхности при z > 2, о состоянии и количестве этих элементов делают метод электронной оже-спектроскопии весьма эффективным средством исследования [6]. Поскольку оже-спектроскопия - двухэлектронная спектроскопия, полученные с ее помощью результаты значительно труднее интерпретировать, чем данные по одноэлектронной фотоэлектронной спектроскопии. Однако возможность исследования изменений в локальных плотностях состояний для атомов, вступающих на поверхности в химическую связь, компенсирует эти недостатки метода, который становится особенно эффективным, когда используется в совокупности с другими методами исследования поверхности: сканирующей туннельной микроскопией (СТМ), фотоэлектронной спектроскопией (ФЭС), дифракцией медленных электронов (ДМЭ), методом характеристических потерь энергии электронами (ХПЭЭ), электронной спектроскопией и др.
Со времени открытия эффекта Оже прошло много лет, однако состояние вакуумной техники, необходимой для получения спектров, низкая чувствительность метода не позволяли использовать оже-спектроскопию в полной мере до 1968 г., когда Харрис предложил метод дифференцирования кривых энергетического распределения N(E). После этого электронная оже-спектроскопия стала развиваться весьма интенсивно, и уже в 70-х годах прошлого века были опубликованы многие работы, связанные с разными аспектами этого метода.
На рисунке 3.1 показан фрагмент электронной структуры атома, в состав которого входят три электронных уровня, частично или полностью занятые электронами (на рисунке 3.1 они обозначены как К, L1, L2,3). Если атом обстреливается ускоренными электронами, энергия которых выше потенциала ионизации уровня, то существует вероятность ионизации этого уровня, в результате чего на нем образуется вакансия (обозначена светлым кружком). Такое состояние энергетически невыгодно для атома, поэтому через некоторое время вакансия заполняется за счет перехода электрона с вышележащего уровня, например, L1. При этом выделяется энергия, равная разности энергий связи электрона на уровнях К и L1. В дальнейшем процесс может идти двумя путями: либо будет испущен рентгеновский фотон, либо эта энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, находящемуся, например, на уровне L2,3. Если этой энергии будет достаточно, то произойдет ионизация уровня L2,3, в результате чего будет испущен электрон. Реализация второй возможности - это собственно оже-процесс, а эмитируемый электрон - оже-электрон [7].
Электрон, представленный на рисунке 3.1, испускается в вакуум с энергией:
E_A=E_K-E_L1-E_L2-U(L₁,L₂) , (3.1)
где слагаемое U учитывает, что в конечном состоянии атом оказывается дважды ионизованным в результате образования вакансий на уровнях L₁ и L₂. Он учитывает увеличение энергии связи L2 - электрона, когда удален L1 -электрон и L1 -электрона при наличии вакансии на уровне L2. Точное вычисление слагаемого U(L₁,L₂) затруднено, однако часто используют эмпирическое соотношение, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными результатами.
Приближенное значение энергии E_ABC оже-перехода ABC в атоме с атомным номером Z было получено эмпирически Чангом и Дженкинсом:
E_ABC(Z)=E_A(Z)-0.5[E_B (Z+1)]-0.5[E_C(Z)+ E_C(Z+1)] , (3.2)
где E_i (Z) –энергия связи i- уровней в элементе с атомным номером Z,
E_i (Z+1) –энергия связи тех же уровней, но для следующего элемента периодической таблицы.



Рисунок 3.1 - Процесс ионизация атомов внешним излучением в результате, которого может быть: а -испущен рентгеновский фотон; б -образован оже-электрон

Более приемлемым с физической точки зрения выражением для энергии оже-перехода является:

E_ABC=E_A-E_B-E_C(BC:x)+R_x^внутр + R_x^внеш, (3.3)
где F(BC:x) –энергия взаимодействия между дырками B и C в конечном атомном состоянии и R_x – энергия релаксации. Она возникает вследствие дополнительного экранирования атомного остова, если на нем находится дырка и обусловлена притяжением или релаксацией внешних электронных уровней к этому остову. Член R_x^внутр есть энергия внутриатомной релаксации (в изолированном атоме). В области ионизированного атома появляется дополнительный член R_x^внеш, он называется энергией вне атомной релаксации. Значения, полученные по формуле (3.2) являются более точными. Значения пиков для дифференциального и интегрального преобразования не совпадают и поэтому, когда говорят об энергии пика оже-перехода, то подразумевается дифференциальный спектр.