no нанотехнологи~м
МГУ им~ни М .В. Ламоносо&а
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА
НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР ПО НАНОТЕХНОЛОГИЯМ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
лучшие зарубежные учебники
Q
РОСНАНО
Издание осуществлено при поддержке
Фонда инфраструктурных и образовательных программ
FUNDAMENTALS OF NANOSCALE
FILM ANALYSIS
Тепу L. Alford
Arizona State University
Tempe, AZ, USA
Leonard С. Feldman
VanderЬilt University
Nashville, ТN, USA
James W. Mayer
Arizona State University
Tempe, AZ, USA
~ Springer
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ
АНАЛИЗА НАНОПЛЕНОК
Терри Л. Альфорд
Аризонский университет Темпе, Аризона, США
Леонард К. Фельдман
Университет Вандербильта Нэшвилл, Теннесси, США
Джеймс В. Майер
Аризонский университет Темпе, Аризона, США
Перевод с английского А.Н. Образцов, М.А. Долганов
Научное редактирование русского издания доктор физ.-мат. наук, профессор А.Н. Образцов
НАУЧНЫЙ МИР
2012
УДК 082.1; 539.216.2 ББК 94.3; 22.37
А56
Серия: Фундаментальные основы нанотехнологий: лучшие зарубежные учебники
Главный редактор серии: академик А.Р. Хохлов Ответственный редактор: канд. физ.-мат. наук А.В. Чертович
Редакционная коллегия:
Антипов Евгений Викторович, профессор химического факультета МГУ; Гудилин Евгений Алексеевич, профессор факультета наук о материалах МГУ; Клячко Наталья Львовна, профессор химического факультета МГУ; Образцов Александр Николаевич, профессор физического факультета МГУ.
Альфорд Терри Л., Фельдман Леонард К., Майер Джеймс В.
А56 Фундаментальные основы анализа нанопленок /Пер. с англ. Образцов А.Н., Долга
нов М.А., науч. ред. Образцов А.Н. - М.: Научный мир, 2012. - 392 с.: ил. - (Фунда ментальные основы нанотехнологий: лучшие зарубежные учебники).
ISBN 978-5-91522-225-9
Книга посвящена рассмотрению проблем фундаментальной физики, лежащих в основе методов,
используемых для изучения поверхностей и приповерхностных слоев материалов. Появление и раз витие таких аналитических методик, основанных на явлениях взаимодействия частиц и излучения с веществом, обусловлено, прежде всего, ростом технологических потребностей. Ионная имплан
тация, электронные пучки и лазеры используются также и для модификации состава и структуры
материалов. Осаждение потоков частиц, получаемых с помощью различных источников, позволяет получать пленочные материалы. Так, эпитаксиальные слои могут быть получены с использовани ем молекулярных пучков, а также с помощью физического и химического газофазного осаждения.
Методики, основанные на изучении взаимодействия с частицами, позволяют, например, обеспечить
контролируемые условия окислительных и каталитических реакций. Ключом к успешному исполь зованию данных методик является широкая доступность аналитических технологий, чувствитель
ных к составу и структуре твердых тел на нанометровом масштабе.
Книга предназначена для специалистов в области материаловедения и инженеров, интересую
щихся использованием различных видов спектроскопии и/или спектрометрии. Для людей, занимаю
щихся анализом материалов, которым необходима информация о технике, имеющейся за пределами и лабораторий; и особенно для студентов старших курсов и выпускников, собирающихся использо
вать это новое поколение аналитических методов в своей научной работе.
Translatioп from the English language edition:
Fundamentals ofNanoscale Film Analysis Ьу Terry L. Alford, Leonard С. Feldman, James W. Mayer Copyright © 2007 Springer Science-Business Media, Inc.
All Rights Reserved
ISBN 978-5-91522-225-9
© Образцов А.Н., Долганов М.А., перевод на русский язык, 2012
© Научный мир, издание на русском языке,
оформление, 2012
Оглавление |
|
Предисловие .......................................................................................................... |
10 |
Глава 1. Основные понятия, единицы измерения, атом Бора..................... |
13 |
1.1. Введение ..................................................................................................... |
13 |
1.2. Терминология ............................................................................................. |
14 |
1.3. Характерные энергии, единицы измерения и разновидности частиц .. |
19 |
1.4. Корпускулярно-волновой дуализм и периодичность |
|
кристаллической решетки......................................................................... |
22 |
1.5 Модель Бора ................................................................................................ |
23 |
Задачи................................................................................................................. |
25 |
Литература......................................................................................................... |
26 |
Глава 2. Атомные столкновения и спектрометрия |
|
обратного рассеяния ............................................................................. |
27 |
2.1. Введение ..................................................................................................... |
27 |
2.2. Кинематика упругих столкновений.......................................................... |
28 |
2.3. Спектрометрия резерфордовского обратного рассеяния ....................... |
32 |
2.4. Поперечное сечение рассеяния и прицельный параметр....................... |
32 |
2.5. Рассеяние в центральном поле ................................................................. |
35 |
2.6. Поперечное сечение рассеяния: задача двух тел .................................... |
38 |
2.7. Отклонения от законов резерфордовского рассеяния при низких |
|
и высоких энергиях частиц ........................................................................ |
40 |
2.8. Рассеяние ионов низких энергий ............................................................. |
43 |
2.9. Спектрометрия атомов отдачи, вылетающих вперед ............................. |
45 |
2.1 О. Преобразования при переходе от системы отсчета, связанной |
|
с центром масс, к лабораторной системе отсчета.................................. |
47 |
Задачи................................................................................................................. |
51 |
Литература......................................................................................................... |
52 |
Глава 3. Получение распределений по глубине с помощью |
|
обратного рассеяния с использованием измерений |
|
потерь энергии легких ионов.............................................................. |
53 |
3.1. Введение ..................................................................................................... |
53 |
6 |
Оглавление |
|
|
3.2. Общие закономерности и единицы измерения для потерь энергии ..... |
53 |
|
3.3. Потери энергии легких ионов высоких энергий в твердых телах ........ |
55 |
|
3.4. Потери энергии в химических соединениях и правило Брэгга............. |
61 |
|
3.5. Ширина энергетического спектра в обратном рассеянии...................... |
62 |
|
3.6. Форма спектра обратного рассеяния........................................................ |
65 |
|
3.7. Получение распределений по глубине с помощью |
|
|
резерфордовского рассеяния...................................................................... |
66 |
|
3.8. Разрешение по глубине и флуктуации потерь энергии .......................... |
68 |
|
3.9. Анализ распределения водорода и дейтерия по глубине ....................... |
73 |
|
3.10. Пробеги ионов водорода и гелия............................................................ |
75 |
|
3.11 .. Распыление и пределы чувствительности ............................................ |
77 |
|
3.12. Перечень формул и соотношений рассеяния ........................................ |
79 |
|
Задачи................................................................................................................. |
79 |
|
Литература......................................................................................................... |
81 |
Глава 4. Профили распыления и масс-спектроскопия |
|
|
|
вторичных ионов.................................................................................. |
83 |
|
4.1. Введение ..................................................................................................... |
83 |
|
4.2. Общие понятия о процессе распыления ионной бомбардировкой ....... |
85 |
|
4.3. Ядерные потери энергии ........................................................................... |
87 |
|
4.4. Выход распыления ..................................................................................... |
93 |
|
4.5. Масс-спектроскопия вторичных ионов (BИMC-SIMS) ......................... |
95 |
|
4.6. Масс-спектроскопия вторичных нейтральных частиц (BHMC-SNMS) 102 |
|
|
4.7. Избирательное распыление и анализ распределения по глубине ......... |
103 |
|
4.8. Уширение внутренней границы раздела и ионное перемешивание ..... |
106 |
|
4.9. Статистическая модель атома ТомасаФерми ...................................... |
108 |
|
Задачи................................................................................................................. |
110 |
|
Литература......................................................................................................... |
111 |
Глава 5. Каналирование ионов .......................................................................... |
113 |
|
|
5.1. Введение ..................................................................................................... |
113 |
|
5.2. Каналирование в монокристаллах ........................................................... |
113 |
|
5.3. Определение расположения примесей в кристаллической решетке .... |
118 |
|
5.4. Распределение потока каналированных частиц...................................... |
119 |
|
5.5. Поверхностное взаимодействие в двухатомной модели ........................ |
123 |
|
5.6. Поверхностный пик................................................................................... |
127 |
|
5.7. Затенение подложкиАg (111) эпитаксиальным Аи ................................ |
130 |
|
5.8. Эпитаксиальный рост ................................................................................ |
133 |
|
5.9. Анализ тонких пленок............................................................................... |
134 |
|
Задачи................................................................................................................. |
135 |
|
Литература......................................................................................................... |
137 |
Оглавление |
7 |
Глава 6. Электрон-электронные взаимодействия и чувствительность
анализа с помощью электронной спектроскопии к глубине........ |
138 |
6.1.Введение """"."""""""""""""""""."""""""""""""""""."""""""""""138
6.2.Анализ энергии с помощью методов электронной спектроскопии """138
6.3.Глубина выхода электронов и объем исследуемой области вещества"140
6.4.Неупругие электрон-электронные столкновения """"" """"""""" """. 142
6.5.Поперечное сечение ударной электронной ионизации""""""""""""" 144
6.6.Плазмоны"""".""""".""."."""""".""".. """."."""""."."."".""""""""". 146
6.7.Средняя длина свободного пробега электрона"""""""."""""."".... "." 147
6.8.Влияние морфологии тонких пленок на уменьшение
выхода электронов "" "" """""""." """ """"".""". "" """"." """"" """""" 149
6.9.Пробег электронов в твердых телах."""""""".""""""""""""""""""." 154
6.10.Спектроскопия энергетических потерь электронов (СЭПЭ-ЕЕLS)""157
6.11.Тормозное излучение""""."""""""""""."".""""""""""."."."".""."". 161
Задачи................................................................................................................. |
164 |
Литература......................................................................................................... |
165 |
Глава 7. Дифракция рентгеновских лучей...................................................... |
166 |
7.1. Введение "".".""""""".""""""""""""."".""""""".""""".""""."""."""166 |
|
7.2. Закон Брэгга в вещественном пространстве "."""""."".""" """ """""" 167 |
|
7.3. Измерение коэффициента теплового расширения""""".""""""""""". 171 |
|
7.4.Определение текстуры в тонких поликристаллических пленках"""". 174
7.5.Измерение деформаций в эпитаксиальных слоях""."""""""""""""""176
7.6. Кристаллическая структура"""."""".".".""""".""""""""."""""""""" 181 7.7. Разрешенные отражения и относительные интенсивности""."""""""183
Задачи................................................................................................................. |
191 |
Литература......................................................................................................... |
193 |
Глава 8. Дифракция электронов ....................................................................... |
194 |
8.1.Введение """""""""""."""""""."""""""""."""."""""".""""".".".. """194
8.2.Обратное пространство"."""""."""""""""".""""""".""."""""."... """195
8.3.Уравнения Лауэ".""""""."""""""""."""""."""""."""""""""""""."""200
8.4. Закон Брэгга.................................................... " ............. "" ......................... 201 8.5. Построение сферы Эвальда"."""""""".""."""""".""""""""."""""."" 203
8.6. Электронный микроскоп................................ |
" ......................................... |
204 |
8.7. Расшифровка дифрактограмм"""".. |
"""""""""".".""""."""""""""""" 211 |
|
Задачи................................................................................................................. |
|
217 |
Литература......................................................................................................... |
|
219 |
Глава 9. Поглощение фотонов в твердых телах и расширенная |
|
|
рентгеновская спектроскопия поглощения тонкой |
|
|
структуры (PPCПTC-EXAFS) ............................................................. |
|
220 |
9.1. Введение ."" "."""" "" ".""""".""""""."." """""" .. """".""""" "" "."""". 220
8 |
|
|
Оглавление |
|
|
|
|
|
9.2. Уравнение Шредингера .................................................................... |
|
|
|
|
|
" .... |
". 221 |
|
9.3. Волновые функции "." ........ |
""" .. " .. |
"""""." ... |
" .. |
"."".""" .............. |
"" ....... |
223 |
||
9.4. Квантовые числа, электронные конфигурации и обозначения ............. |
226 |
|||||||
9.5. Вероятность переходов.............................................................................. |
|
|
|
|
|
|
228 |
|
9.6. Фотоэлектрический эффект в приближении прямоугольной ямы ........ |
229 |
|||||||
9. 7. Вероятность фотоэлектронного перехода |
|
|
|
|
||||
для водородоподобного атома .................................................................. |
|
|
|
|
231 |
|||
9.8. Поглощение рентгеновского излучения .................................................. |
|
|
|
233 |
||||
9.9. Расширенная рентгеновская спектроскопия поглощения |
|
|
||||||
тонкой структуры (PPCПTC-EXAFS) ...................................................... |
|
|
|
238 |
||||
9.10. Нестационарная теория возмущений..................................................... |
|
|
|
241 |
||||
Задачи................................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
247 |
Литература......................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
248 |
Глава 10. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС-ХРS) ... |
249 |
|||||||
10.1. Введение .......... |
" ....................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
249 |
10.2. Экспериментальные методики ............................................................... |
|
|
|
|
250 |
|||
10.3. Кинетическая энергия фотоэлектронов ................................................. |
|
|
|
254 |
||||
10.4. Энергетический спектр фотоэлектронов......................................... |
|
|
" .... |
256 |
||||
10.5. Энергия связи и влияние конечных состояний ............... |
" .................... |
258 |
||||||
10.6. Сдвиги энергии связи - |
химические сдвиги ...... |
" .................... |
" ........... |
260 |
||||
10.7. Количественный анализ " ...... |
" ...... |
" .. " .......... |
" .............. |
" ........... |
" ........... |
262 |
||
Задачи................................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
264 |
Литература......................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
265 |
Глава 11. Излучательные переходы и электронный микроанализ ............ |
267 |
|||||||
11.1. Введение ................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
267 |
11.2. Обозначения в рентгеновской спектроскопии ................ |
" .................... |
268 |
||||||
11.3. Дипольные правила отбора |
..................................................................... |
|
|
|
|
269 |
||
11.4. Электронный микроанализ |
..................................................................... |
|
|
|
|
270 |
||
11.5. Скорости переходов для спонтанного излучения ................................. |
|
273 |
||||||
11.6. Скорость перехода для Ка излучения никеля |
......................... |
" ............ |
274 |
|||||
11.7. Электронный микроанализ: количественные данные .......................... |
|
276 |
||||||
11.8. Рентгеновская эмиссия, возбуждаемая частицами (РЭВЧ-РIХЕ)........ |
280 |
|||||||
11.9. Вывод формулы вероятности излучательных переходов ..................... |
283 |
|||||||
11.1 О. Вычисление отношения К~/Ка .............................................................. |
|
|
|
|
285 |
|||
Задачи................................................................................................................. |
|
|
|
|
|
|
|
287 |
Литература......................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
288 |
Глава 12. Безызлучательные переходы |
|
|
|
|
|
|||
и Оже-электронная спектроскопия................................................. |
|
|
|
290 |
||||
12.1. Введение ................................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
290 |
12.2. Оже-переходы........................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
291 |
Оглавление |
9 |
12.3. Выход Оже-электронов и выход флуоресценции ................................. |
299 |
12.4. Ширина атомных уровней и времена жизней....................................... |
301 |
12.5. Оже-электронная спектроскопия............................................................ |
302 |
12.6. Количественный анализ .......................................................................... |
306 |
12.7. Получение профилей распределения концентрации по глубине |
|
с помощью Оже-спектроскопии ............................................................. |
308 |
Задачи................................................................................................................. |
311 |
Литература......................................................................................................... |
313 |
Глава 13. Ядерные методики: активационный анализ |
|
и мгновенный анализ наведенной радиоактивности "................ |
314 |
13.1. Введение ................................................................................................... |
316 |
13.2. Значения Q и кинетические энергии...................................................... |
318 |
13.3. Радиоактивный распад ............................................................................ |
322 |
13.4. Закон радиоактивного распада ............................................................... |
325 |
13.5. Получение радионуклидов...................................................................... |
326 |
13.6. Активационный анализ ........................................................................... |
327 |
13.7. Мгновенный анализ наведенной радиации ........................................... |
329 |
Задачи................................................................................................................. |
336 |
Литература......................................................................................................... |
337 |
Глава 14. Сканирующая зондовая микроскопия.""."".""."""".".."".."... |
". 339 |
14.1. Введение ................................................................................................... |
339 |
14.2. Сканирующая туннельная микроскопия ............................................... |
342 |
14.3. Атомно-силовая микроскопия ................................................................ |
348 |
Литература......................................................................................................... |
355 |
Приложения....................................................................................................... |
356 |