3.2. Порядок выполнения работы

1. Получить вариант задания у преподавателя.

2. Ознакомиться с методом СХПЭЭ.

3. Ознакомиться с устройством и принципом работы экспериментальной установки.

4. Ознакомиться с документацией к программе для выполнения виртуальных лабораторных работ “VR_Lab”.

5. Запустить программу для выполнения виртуальных лабораторных работ “VR_Lab”.

6. Перейти в окно с установкой.

7. В соответствии с описанием включить виртуальную лабораторную установку.

8. Установить параметры записи спектров, указанные в варианте.

9. Записать спектр и сохранить его формате *.dat.

10. Выключить виртуальную установку, закрыть программу.

11. Произвести компьютерную обработку полученных спектров: вычесть фон, определить энергии и интенсивности наблюдаемых пиков. Идентифицировать пики: определить пики упруго отраженных электронов, пики объемных и поверхностных плазменных колебаний.

12. Вычислить энергии потерь для пиков плазменных колебаний.

13. Произвести анализ полученных результатов: сравнить энергии объемного и поверхностного плазмона, их зависимость от энергии первичных электронов, сравнить интенсивности плазмонов, возбужденных электронным пучком разной энергии. Построить зависимость отношения интенсивности пика объемных плазменных колебаний к интенсивности пика поверхностных плазменных колебаний от энергии первичных электронов. Объяснить полученные результаты, сделать выводы.

14. Оформить отчет по проделанной работе в WORD.

3.3. Контрольные вопросы

1. Объясните схему экспериментальной установки, назначение отдельных элементов установки

2. Почему анализ вторичных электронов необходимо производить в сверхвысоком вакууме?

3. Объясните устройство и принцип работы анализатора задерживающего поля.

4. Что понимают под плазмой твердого тела? Сформулируйте понятие квазинейтральности плазмы.

5. Объясните происхождение квазиупругих сил в плазме. Запишите уравнение движения единицы объема электронного газа твердого тела под действием квазиупругих сил.

6. От чего зависит частота плазменных колебаний? Каковы типичные значения энергий плазмонов в твердых телах?

7. Как экспериментально можно наблюдать плазменные колебания?

8. Какие потери называют характеристическими потерями энергии электронов? Какую информацию можно получить из спектров характеристических потерь?

Лабораторная работа 4 Физические основы электронной оже-спектроскопии

Цель работы: изучение физических основ и метода электронной оже-спектроскопии, качественный и количественный элементный анализ поверхности методом электронной оже-спектроскопии.

4.1 Физические основы электронной оже-спектроскопии

Метод электронной оже-спектроскопии (ЭОС) в настоящее время является одним из самых распространенных методов исследования элементного состава поверхности и границ раздела твердых тел. В основе ЭОС лежит оже-эффект, который был открыт в 1925 г. Пьером Оже. Оже-эффект является следствием ионизации одной из внутренних оболочек атома под действием первичного электронного пучка.

Рис. 35. Схема генерации оже-электрона

На рис. 35 показана схема оже-процесса для атома с полностью заполненными энергетическими уровнями и валентной зоной. Энергия электронов в атоме отсчитывается от уровня Ферми E_F, E_V и E_C - энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости, j - работа выхода электрона.

Первичный электрон с энергией E_P создает вакансию на уровне E_K атома. Образовавшаяся вакансия через время t ~ 10^-14…10^-16 c заполняется электроном с какого-либо верхнего уровня (в примере на рис. 35 – с уровня L₁). Избыток энергии (E_k – E_L1) может освободиться в виде характеристического рентгеновского излучения с энергией кванта ћw = E_k- E_L1.Оже-процесс является альтернативным излучению фотона, избыточная энергия в этом случае передается третьему электрону, находящемуся, например, на уровне L₂.Этот электрон испускается в вакуум с энергией

E_A = E_K – E_L1 – E_L2 – U(L1,L2) (18)

и регистрируется как оже-электрон. Слагаемое U в формуле (18) 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:

,

где Z - атомный номер элемента.

Оже-переход, представленный на рис. 35, обозначают как KL₁L₂. Первым записывается обозначение уровня, ионизованного первичным электроном, затем уровня, на котором образовалась вторичная вакансия, и далее уровня, с которого произошло испускание оже-электрона. Электроны, участвующие в оже-процессе, могут находиться и на одном и том же уровне, например, KL₁L₁, L₁L₂L₂ и т. д. Если оже-электрон испускается из валентной зоны, то такой оже-процесс обозначается, например, как KL₁V, KVV и т. д. В первом случае в оже-процессе участвует один электрон из валентной зоны, во втором – два.

Из соотношения (18) следует, что энергия оже-электрона определяется энергиями связи соответствующих атомных уровней данного элемента. Таким образом, для каждого элемента существует определенный, характерный только для этого элемента, набор энергий оже-электронов. Этот факт служит основой качественного элементного анализа поверхности методом электронной оже-спектроскопии. По характерному набору пиков в энергетическом спектре оже-электронов идентифицируют элементный состав исследуемого вещества.