3.3. Емісійні методи та методи розсіяння мікрочастинок
В суто емісійних методах вторинні частинки емітуються під дією температури або електричного поля (рис.3.1а). У вторинно-емісійних методах та методах розсіяння мікрочастинок зовнішнім впливом є пучки мікрочастинок (рис.3.1б). Інформація про стан поверхні в обох випадках отримується з аналізу відбитих (первинних) або емітованих (вторинних) частинок [2,3]. В якості мікрочастинок використовуються кванти електромагнітного поля й мікрочастинки речовини (електрони, нейтрони, іони, нейтральні атоми й молекули). В експериментальних установках пучки частинок випромінюються спеціальними джерелами (Х-променеві трубки, електронні гармати, лазери).
а) емісійні методи
б) вторинно-емісійні методи та методи розсіяння мікрочастинок
Рис. 3.1. Методи дослідження поверхні
Для надання падаючому пучку потрібних властивостей використовуються монохроматори, поляризатори, фільтри та інші пристрої. Аналізується відбитий пучок за допомогою детекторів і спектрометрів. Детектори зазвичай реєструють тільки кількість частинок, а спектрометри визначають стан частинок емітованого (або відбитого) пучка.
Таблиця 3.1
Емісійні методи та методи розсіяння мікрочастинок
Реєстровані частинки
Зовнішній вплив |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Електрони |
Іони |
Атоми, молекули |
Інфрачервоні промені |
Видиме світло |
Ультрафіоле-тові промені |
Х-промені |
||
1 |
Електрони |
ДШЕ ДПЕ РЕМП ЕОС ІСХВЕ НСХВЕ КСХВЕ |
ЕЗМС ЕСД |
|
|
|
РЕМП |
РЕМП СПП |
2 |
Іони |
ІЕЕ |
МСВІ СРПІ |
|
|
|
|
ІХС |
3 |
Атоми, молекули |
|
|
РМП |
|
|
|
|
4 |
Інфрачервоні промені |
|
ЛМС |
|
ІЧСП ВАІЧС ІЧСВВ ЕМ |
|
|
|
5 |
Видиме світло |
ФЕЕ |
ЛМС |
|
|
ЕМ , ОІ ОМ |
|
|
6 |
Ультра-фіолетові промені |
ФЕЕ УФЕС
|
ФД |
ФД |
|
|
|
|
7 |
Х-промені |
ХФЕС СПХВ |
|
|
|
|
|
ПЗВХ ХД |
8 |
Нагрівання |
ТЕМ ТЕЕМ |
ПІ |
ТД |
|
|
|
|
9 |
Електричне поле |
АЕМ АЕРВ АЕС КРП |
АІМ МАЗ ІМС |
МАЗ |
|
|
|
|
* Надалі в назвах підпунктів 3.3. буде подана класифікація згідно з цією таблицею за схемою /рядок–стовпчик/.
Залежно від того, які частинки падають на поверхню і які частинки аналізуються у відбитому пучку, можна виділити такі методи дослідження поверхні (табл.3.1). Методи діагностики поверхні в таблиці 3.1 подані за такою схемою: в рядках – різноманітні способи зовнішнього впливу на поверхню, а в стовпцях – види реєстрованих мікрочастинок. У цій таблиці наведені основні методи діагностики поверхні (за винятком таких специфічних методів, які використовують звукові хвилі, γ-промені, антиречовину, ядерні реакції, фізико-хімічний вплив на поверхню тощо). Подібне представлення (табл.3.1) не тільки відображає сучасний стан методів діагностики поверхні, але й вказує на можливі шляхи подальшого розвитку. Наприклад, мікроскопи спочатку використовувалися тільки в оптичному діапазоні, потім з'явилися інфрачервоні та ультрафіолетові мікроскопи, а на сьогоднішній час успішно використовуються методи мікроскопії в Х-променевій області. Тобто відбувається поступове заповнення комірок таблиці (якщо це фізично можливо).
Таблиця 3.2
Класифікація методів реєстрації мікрочастинок
Вид методу |
Тип методу |
Назва українською |
Назва англійською |
Явище або процес, який лежить в основі методу |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1. Електронні |
1-1. Електрон – електрон |
Дифракція швидких електронів (ДШЕ) |
High-energy electron diffraction (HEED) |
Дифракція первинних електронів |
Дифракція повільних електронів (ДПЕ) |
Low-energy electron diffraction (LEED) |
Дифракція первинних електронів |
||
Растрова електронна мікроскопія поверхні (РЕМП) |
Scanning electron microscopy of surface (SEMS) |
Розсіяння первинних електронів матеріалом поверхні |
||
Електронна оже-спектроскопія (ЕОС) |
Auger-еlectron spectroscopy (AES) |
Емісія оже-електронів |
||
Іонізаційна спектроскопія характеристичних втрат енергії (ІСХВЕ) |
Ionization spectroscopy (IS) |
Втрати енергії первинними електронами при вибиванні електронів із внутрішніх оболонок атомів |
||
Низькоенергетична спектроскопія характеристичних втрат енергії (НСХВЕ) |
Low-energy electron energy-loss spectroscopy (LEELS) |
Втрати енергії первинними електронами |
||
Коливальна спектроскопія характеристичних втрат енергії (КСХВЕ) |
Vibrational energy loss spectroscopy (VELS) |
Втрати енергії первинними електронами при взаємодії з фононами |
||
1. Електронні |
1-2. Електрон–іон |
Електронно-зондова мас-спектрометрія (ЕЗМС) |
Electron probe mass spectrometry (EPMS) |
Іонізація атомів і молекул речовини, яка випарувалась |
Електронно- стимульована десорбція (ЕСД) |
Electron stimulated desorption (ESD) |
Десорбція під дією первинних електронів |
||
1-7. Електрон–Х-промені |
Спектроскопія порогових потенціалів (СПП) |
Appearance-potential spectroscopy (APS) |
Збудження м'якого Х-променевого випромінювання первинними електронами |
|
2. Іонні |
2-1. Іон–електрон |
Електронно-іонна емісія (ІЕЕ) |
Ion-electron emission (IEE) |
Емісія електронів матеріалу під дією первинних іонів |
2-2. Іон – іон |
Мас-спектрометрія вторинних іонів (МСВІ) |
Secondary ion mass spectrometry (SIMS) |
Емісія іонів матеріалу під дією первинних іонів |
|
Спектроскопія розсіяння первинних іонів (СРПІ) |
Ion scattering spectroscopy (ISS) |
Розсіяння повільних первинних іонів |
||
2-7. Іон – Х-промені |
Іонно – Х-променева спектроскопія (ІХС) |
Ion-induced X-ray spectroscopy (IIXS) |
Збудження Х-променів первинними іонами |
|
3. Атомно-молекулярні |
3-3. Атоми, молекули–атоми, молекули |
Розсіяння молекулярного пучка (РМП) |
Molecular beam surface scattering (MBSS) |
Розсіяння первинних нейтральних атомів або молекул |
4. Інфрачервоні (ІЧ) |
4-2. ІЧ-промені –іон |
Лазерна мас- спектрометрія (ЛМС) |
Laser mass- spectorometry (LMS) |
Випаровування та іонізація при лазерному нагріванні |
4. Інфрачервоні (ІЧ) |
4-4. ІЧ промені – ІЧ промені |
Інфрачервона спектроскопія поглинання (ІЧСП) |
Infrared spectroscopy (IRS) |
Поглинання ІЧ випромінювання в матеріалі |
Відбивально- адсорбційна інфрачервона спектрометрія (ВАІЧС) |
Reflection-absorption spectroscopy (RAS) |
Відбивання ІЧ випромінювання |
||
Інфрачервона спектроскопія внутрішнього відбивання (ІЧСВВ) |
Internal reflectance infrared spectroscopy (IRIRS) |
Порушене внутрішнє відбивання |
||
Еліпсометрія (ЕМ) |
Ellipsometry (EM) |
Відбивання поляризованого електромагнітного випромінювання |
||
5. Оптичні |
5-1. Фотон–електрон |
Фотоелектронна емісія (ФЕЕ) |
Photoelectron emission (PEE) |
Виникнення зовнішнього фотоефекту |
5-5. Фотон –фотон |
Оптична інтерферометрія (ОІ) |
Optical interferometer (OI) |
Інтерференція опорної та відбитої від поверхні хвиль |
|
Оптична мікроскопія (ОМ) |
Optical microscopy (OM) |
Збільшення зображення поверхні за допомогою оптичної системи |
||
6. Ультрафіолетові (УФ) |
6-1. УФ – УФ |
Ультрафіолетова електронна спектроскопія (УФЕС) |
Ultraviolet photoemission spectroscopy (UPS) |
Виникнення зовнішнього фотоефекту під дією УФ- випромінювання |
6-2. УФ –іон |
Фотодесорбція (ФД) |
Photodesorption (PD) |
Десорбція під дією електромагнітного випромінювання |
|
7. X-променеві |
7-1. Х-промені – електрон |
Х-променева фотоелектронна спектроскопія (ХФЕС) |
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) |
Виникнення зовнішнього фотоефекту під дією Х-променів |
Спектроскопія поглинання Х-променевого випромінювання (СПХВ) |
Extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) |
Виникнення зовнішнього фотоефекту під дією Х-променів |
||
7. X-променеві |
7-7. Х-промені –Х-промені |
Повне зовнішнє відбивання Х-променів (ПЗВХ) |
X-ray reflectivity (XRR) |
Повне зовнішнє відбивання Х-променів від поверхні |
Х-променева дифракція (ХД) |
X-ray diffraction (XD) |
Дифракція Х-променів на кристалічній гратці зразків |
||
8. Термоемісійні |
8-1. Нагрівання– електрон |
Термо-електронний метод (ТЕМ) |
Thermoelectron measurement (TEM) |
Термоелектронна емісія |
Термоелектронна емісійна спектроскопія (ТЕЕМ) |
Thermoelectron emission microscopy (TEEM) |
Термоелектронна емісія |
||
8-2. Нагрівання–іон |
Поверхнева іонізація (ПІ) |
Surface ionization spectroscopy (SIS) |
Термоіонна емісія |
|
8-3. Нагрівання– атоми, молекули |
Термічна десорбція (ТД) |
Thermo-stimulated desorption (TSD) |
Термічна десорбція |
|
9. Електроемісійні |
9-1. Електричне поле – електрон |
Автоелектронна мікроскопія (АЕМ) |
Field-emission microscopy (FEM) |
Емісія електронів під дією електричного поля |
Автоелектронна робота виходу (АЕРВ) |
Field-electron work-function measurement (FEWF) |
Емісія електронів під дією електричного поля |
||
Автоелектронна спектроскопія (АЕС) |
Field-electron energy spectroscopy (FEES) |
Емісія електронів під дією електричного поля |
||
Контактна різниця потенціалів (КРП) |
Contact potential difference (CPD) |
Виникнення контактної різниці потенціалів між двома провідниками |
||
|
9-2. Електричне поле – іон |
Автоіонна мікроскопія (АІМ) |
Field- ion microscopy (FIM) |
Емісія іонів під дією електричного поля |
Метод атомного зонда (МАЗ) |
Atom probe spectroscopy (APS) |
Емісія іонів під дією електричного поля |
||
Іскрова мас- спектроскопія (ІМС) |
Spark mass spectroscopy (SMS) |
Емісія іонів під дією електричного розряду у вакуумі |
Деякі методи діагностики поверхні відповідають одночасно кільком комбінаціям способу зовнішнього впливу та виду реєстрованих мікрочастинок. Наприклад, у методі РЕМП (растрова електронна мікроскопія поверхні) зовнішнім впливом є електрони, а реєструватися можуть електрони, ультрафіолетові та Х-промені. У такому випадку надалі буде описано одну з модифікацій методу (звичайно, найпоширенішу).
Розглянемо емісійні методи та методи розсіяння мікрочастинок, які загалом можна віднести до методів реєстрації мікрочастинок, більш детально (табл.3.2) [2]. У вибраній класифікації вид методу дослідження поверхні визначається фізичною природою зовнішнього впливу на по-верхню (наприклад електронні методи). Кожен вид методів може поділятися на кілька типів, які враховують фізичну природу зовнішнього впливу й тип реєстрованих частинок (наприклад методи типу "Електрон–іон"). Нумерація методів вибрана на основі даних таблиці 3.1.