3.2. Работа с пакетом программ origin

Рассмотренные выше действия производятся на персональном компьютере (ПЭВМ) с помощью программы ORIGIN.

Заполнение таблицы данных. После запуска ORIGIN на экране монитора появится пустая таблица Data1, в которую нужно занести численные значения спектра. Ввод данных в таблицу можно осуществить вручную путем набора с клавиатуры или перенести необходимые значения из файла с расширением *.dat, если таковой имеется.

Для этого:

1. В пункте меню "File" выбрать команду “Import" → "AscII". (Можно воспользоваться кнопкой панели инструментов "Import AscII".)

2. Выбрать нужный файл с разрешением *.dat. После нажатия клавиши “Enter” таблица заполнится значениями из этого файла.

Построение графика. Программа ORIGIN позволяет по введенным численным значениям выводить на экран графики и диаграммы. Для построения графика нужно:

1. В пункте меню "File" выбрать команду "New" →"Graph" (или нажать кнопку панели инструментов "New Graph"). После чего на экране отобразится окно построения графика.

2. Затем, в меню "Graph" программы выбрать опцию "Add Plot to Layer" →"Line" и установить столбцы, по которым будет построен график.

Примечание 1: Данную операцию можно провести с помощью пункта меню “Tools”, в котором необходимо выбрать команду “2D”. После этого на экране отобразится панель инструментов, в которой нужно выбрать команду "Line Graph".

Помимо построения графика по численным значениям можно вывести на экран график аналитически заданной функции. Для этого в пункте меню "Graph" нужно выбрать команду "Add Function Graph" и далее в появившемся окне ввести формулу.

Примечание 2. Закрывать таблицы и графические окна нужно через пункт меню: "File" →"Close Project…". При этом происходит закрытие файла со всеми содержащимися в нем таблицами и графиками. Переход между окнами в процессе работы осуществляется с помощью команды меню "Window".

Сглаживание. Для сглаживания спектра в программе необходимо:

1. В пункте меню "Analysis" выбрать команду "Smoothing” →“Savitzky-Golay”.

2. Установить количество точек, по которым будет производиться сглаживание (5, 7, 9, 11, 13).

Интегрирование. Интегрирование спектра в программе ORIGIN осуществляется достаточно просто:

1. В пункте меню "Tools" выбрать команду "Baseline". После чего на экране отобразится окно "Baseline", в верхней части которого находятся кнопочное меню, состоящее и следующих пунктов:

1. Peaks – предназначено для определения максимумов и минимумов построенных кривых, и вывода их значений на экран.

2. Baseline – здесь происходит построение базовой линии, и вычитание фона с ее помощью.

3. Area – пункт меню, предназначенный для интегрирования и вычисления площадей.

2. Для интегрирования выбрать “Area” →“Make New Graph" →"From y=0". Далее открывается графическое окно, в котором отображается уже проинтегрированный спектр, а его значения автоматически заносятся в таблицу Tab.1 в столбец Integ.

Дифференцирование. Для того, чтобы провести дифференцирование спектра нужно:

1. Окно с графиком, который будет продифференцирован, сделать активным.

2. В пункте меню "Analysis" выбрать команду "Calculus" →"Differentiate". Далее открывается графическое окно, в котором отображается продифференцированный спектр.

Вычитание фона можно проводить до или после интегрирования следующим образом:

1. В главном пункте меню выбрать опцию "Tools" →"Baseline".

2. Установить количество точек, по которым будет построена базовая линия, после этого нажать кнопку "Create Baseline", после чего базовая линия отобразится на спектре.

3. Чтобы получить необходимую форму базовой линии необходимо нажать "Modify" и, наводя с помощью мыши курсор на выделенные точки, добиться ее нужного положения. Процесс выбора количества точек и форма базовой линии зависят от вида конкретного спектра, в простейшем случае это прямая, построенная по двум точкам.

4. Для вычитания фона нажать кнопку "Subtract" в окошке "Baseline".

5. Если результат вычитания фона по каким-либо причинам не удовлетворителен, то нужно вернуться к предыдущему шагу, выбрав кнопку "Undo Subtraction".

Аппроксимация спектров. Процесс аппроксимации проводится с помощью программы ORIGIN следующим образом:

1. В пункте меню "Analysis" выбрать команду "Fit multi-peaks". После этого на экране появятся два типа предлагаемых для аппроксимации функций: “Lorentzian” (Лоренцева кривая) и "Gaussian" (Гауссова кривая); выбрать из них "Gaussian".

2. В появившемся на экране дисплея окне установить количество пиков аппроксимации и ширину линии аппроксимации.

3. Перемещая курсор по спектру, двойным нажатием левой кнопки мыши или клавишей "Enter" последовательно установить положения пиков.

После этого машина просчитывает данные и выводит на экран аппроксимирующую кривую (красный цвет), отдельные пики, составляющие ее (зеленый цвет), и значения параметров каждого из них, а также параметр χ².

Однако, в связи с тем, что программа проводит аппроксимацию, исходя из условия минимального значения χ², и не учитывает физический смысл поставленной задачи (к примеру, возможно получение отрицательного пика), то далее необходимо провести корректировку полученных параметров пиков, в частности, нужно зафиксировать положения всех пиков.

Для корректировки параметров следует поступить так:

1. В пункте меню "Analysis" выбрать опцию "Non-linear Curve Fit". После этого на экране отобразится окно, в котором указаны параметры пиков, погрешность в определении данных параметров и величина χ².

2. Убирая "галочки" по нажатию левой кнопки мыши из областей, находящихся рядом с каждым параметром, можно зафиксировать тот или иной из них, и, наоборот, проставляя "галочки", оставить параметры свободными для варьирования.

3. Зафиксировав нужные параметры, провести повторную аппроксимацию, пользуясь кнопками окна "1 Iter", "10 Iter" или "10 simplex Iter". При этом результат будет отображаться как в окне, так и на графике спектра. Итерации проводить до достижения минимального значения χ².

4. Нажать кнопку "Done" в правом нижнем углу окна. После чего процесс аппроксимации завершится, а на мониторе останется результат последней итерации.

Вопросы для самопроверки:

1. Что представляет собой изображение спектра?

2. В чем заключается операция интегрирования спектра?

3. Какие параметры пиков и как измеряют на электронных спектрах для получения информации?

4. Для чего необходимо проводить операцию вычитания фона из спектра?

5. Как осуществляется сглаживание спектра?

6. Как можно провести расшифровку сложных электронных спектров?

7. При каком ограничении, накладываемом на модулирующее напряжение, можно проводить аппроксимацию спектра?

8. Какие функции используются для описания отдельных пиков?

9. Какой параметр используется для оценки качества аппроксимации?

10. Какие программы можно использовать для обработки спектров?

Часть Б. Лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1

Изучение спектров вторичных электронов

Цель работы: изучение особенностей спектра вторичных электронов при разных значениях энергии первичных электронов.

1.1. Вторичная электронная эмиссия - основа современных методов анализа поверхности

В основе большинства современных экспериментальных методов исследования поверхности лежит явление испускания твердыми телами вторичных электронов при их бомбардировке пучком первичных электронов. Это явление было открыто в 1902 году Л. Остином и Г. Штарке, и носит название вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ). Причина этого эффекта заключается в том, что первичные электроны, взаимодействуя с электронами твердого тела, передают им часть своей энергии. Если эта энергия достаточна для преодоления электронами твердого тела поверхностного потенциального барьера, то они покидают его и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны обладают энергиями от нуля до энергии первичных электронов. Энергетическое распределение вторичных электронов имеет сложный характер и отражает разнообразные, сложные и часто связанные между собой процессы взаимодействия первичных электронов с поверхностью твердого тела.

Энергетические спектры и угловые распределения вторичных электронов содержат достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках поверхности - составе, структуре, электронном строении.

Схематически вид кривой распределения вторичных электронов по энергии представлен на рис. 27.

Как показывают экспериментальные результаты, вид спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении энергии первичных электронов. При энергии первичных электронов 100 эВ ... 1 кэВ основная доля в спектре вторичных электронов приходится на медленные электроны (область а на рис. 27). Эти электроны называют истинно вторичными электронами, так как эту группу составляют, в основном, электроны, выбитые из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами. К истинно вторичным электронам условно относят вторичные электроны, энергия которых менее 50 эВ. Отношение числа истинно вторичных электронов к числу первичных электронов называют коэффициентом истинно вторичной эмиссии и обозначают обычно δ. Максимум спектра истинно вторичных электронов лежит в области 1 ... 10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера [9]. При достаточно больших значениях энергии первичных электронов положение максимума не зависит от Е_р, однако, при Е_р < 20 эВ он сдвигается в сторону меньших энергий. Если энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.

О

Рис. 27. Схематический вид кривой распределения вторичных электронов по энергии

бласть b относится к неупругоотраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии. Отношение числа электронов, эмитированных поверхностью твердого тела с энергией ≥ 50 эВ, к числу первичных электронов называют коэффициентом неупругого отражения электронов (КНО) η.

При энергии, близкой к энергии первичных электронов E_p (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам (пик 3 на рис. 27). Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии. Отношение числа этих электронов к числу первичных электронов - коэффициент упругого отражения электронов (КУО), который обычно обозначают R.

Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов, в спектре вторичных электронов на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рис. 27) не зависят от энергии первичных электронов, другие (максимумы 2) смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов. Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью. Эти потери энергии характеризуют вещество поверхности и называются пиками характеристических потерь энергии. Изучение этой группы пиков составляет предмет спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). Процессы упругого рассеяния электронов, характеризующиеся пиком упруго отраженных электронов, лежат в основе методов дифракции электронов, позволяющих изучать структуру поверхностных слоев. Наиболее распространенными из этих методов являются дифракция медленных электронов (ДМЭ) и дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ).

Количественной характеристикой явления вторичной электронной эмиссии служит коэффициент вторичной электронной эмиссии . Этот коэффициент численно равен отношению числа всех вторичных электронов к числу первичных электронов.