9.2.3. Количественные исследования

Как и во всех других спектроскопических методах для определения количества химического элемента из спектра необработанных данных, необходимо извлечь характеристику сигнала отдельного элемента в возбужденном объеме, которую можно связать с содержанием этого элемента. Следовательно, количественный анализ включает в себя определение вклада от шумов в общий сигнал от, его вычитание, и подсчет окончательных интенсивностей характерных пиков. Существуют различные способы учесть кривую фона, лежащую в основе всего спектра. Для анализа тонких фольг эта кривая - почти горизонтальная линия довольно низкой интенсивности, которая просто вычитается из значения пика. Минимальная концентрация элемента, которую можно обнаружить данным методом ~0.01-1 атомного %. Значение зависит от анализируемого элемента в матрице и приборных установок, определяющих соотношение пика к фону.

Рис. 10 Вычитание фонового сигнала из спектра.

Комбинация EDXS и сканирующей или сканирующей просвечивающей электронной микроскопии позволяет формировать изображения распределения элементов или по линии или в прямоугольном участке поверхности кристалла. Латеральное разрешение определяется размером зонда, толщиной и составом образца. Для очень тонких образцов, когда используется зонд диаметром 1 нм, возможно получать латеральное разрешение в несколько нм.

9.3. Рентгеновские методы, использующие скользящее падение для околоповерхностных структурных исследований

Рентгеновская дифракция - классический метод для определения кристаллической структуры твердотельных материалов. Одной из разновидностей рентгеновской дифракции стала дифракция под скользящим углом, которая наиболее чувствительна к поверхности.

Основная идея заключается в том, чтобы за счет уменьшения угла падения пучка на поверхность уменьшать проникновение рентгеновских лучей в образец и таким образом ограничивать глубину, с которой собирается информация.

При углах падения больше нескольких градусов интенсивность рентгеновских лучей в материале образца, как функция расстояния z от поверхности дается следующим уравнением: I= I_oехр(-z/sin), где I_o – интенсивность на поверхности и коэффициент поглощения  зависит от состава и плотности материала. Глубина, на которой интенсивность падает до 1/e от ее значения на поверхности определяется, как глубина проникновения и задается уравнением:

z_1/e=sin()/. (4)

При углах падения меньше нескольких градусов это уравнение несправедливо. Коэффициент отражения материалов для рентгеновской длины волны немного меньше единицы. В результате при малых углах падения первичного пучка, отражение становится значительным, и ниже критического угла, _c, происходит полное отражение и эффективное проникновение пучка в материал уменьшается до нескольких нанометров. Это справедливо для плоских гладких поверхностей.

9.3.1. Отражение рентгеновских лучей под скользящим углом

Частичное или полное отражение происходит на границе раздела между любыми двумя материалами с различными коэффициентами преломления. Для слоистого материала эти отраженные пучки можно объединять, чтобы сформировать интерференционную картину, анализ которой может дать чрезвычайно точную информацию о толщине пленок. Кроме того, коэффициент отражения на каждой границе раздела зависит от ее шероховатости и от различия между плотностями на каждой стороне границы. Таким образом, методика отражения скользящих рентгеновских лучей может дать информацию относительно всех этих свойств.

Отражение рентгеновских лучей под скользящим углом может быть применено только к чрезвычайно гладким и плоским поверхностям. Среднеквадратическая шероховатость более чем в несколько нанометров делает данную методику неприемлемой. Так что, она обычно применяется только к пленкам, осажденным на монокристаллические Si подложки, или термоплированное листовое стекло, а также к поверхности жидкостей. Данная методика применяется для исследования тонких пленок и многослойных структур толщиной менее нескольких сотен нанометров. Так что, диапазон применений данного метода ограничен, и критическое значение имеет подготовка образца. Однако, информацию, полученную данным методом, трудно или даже невозможно получить с помощью других методов.

Для многих приложений важно, что интенсивность отраженного пучка может быть измерена в пределах нескольких порядков величины, поскольку фоновое излучение должно быть уменьшено до абсолютного минимума. На специализированных установках в падающем пучке обычно используется монохроматор, чтобы удалить нежелательные длины волн и, в комбинации с щелями, коллимировать падающий пучок. Обычно используются два концентрических гониометра. На один устанавливается образец, на другой - детектор. Щель располагается перед детектором, чтобы определить угол отраженного пучка. Чтобы уменьшить рассеяние пучка на воздухе, устанавливается специальная вакуумная трубка для вывода пучка.