3. Описание лабораторных работ

3.1. Лабораторная работа 1

Ознакомление со спектрометром и программой обработки РФЭ-спектров. Обзорные спектры. Идентификация элементов. Аппроксимации спектров остовных уровней

ЗАДАНИЕ:

1.Установить и научиться работать с программой просмотра и обработки спектров Spectr на примере выданного файла обзорного

ичастичного спектров пленки молибдена, осажденной на поверхность высокоориентированного пиролитического графита (Mo/ВОПГ). Научиться определять положение спектральных линий, аппроксимировать спектральные линии функцией Гаусса, определять их основные характеристики (интенсивность и ширину на полувысоте).

2.Для выданного обзорного спектра неизвестного элемента (соединения) определить найти наиболее интенсивные спектральные линии, определить их положения (ВЕ или КЕ), с помощью прилагаемых таблиц или баз данных идентифицировать данные пики. По совокупности данных определить, из каких элементов состоит неизвестный образец, и предложить его состав (например, металлическая медь с адсорбированным на ее поверхности слоем углерода и кислорода, оксид кремния и т.д.).

ФОРМА ОТЧЕТНОСТИ:

На спектре указать обозначения спектральных линий (отдельные линии распечатывать не надо; пример выполнения работы показывает последовательность действий, а не оформление выполненной работы), идентифицированных элементов и предполагаемый элементный состав образца.

НЕОБХОДИМЫЕ ДАННЫЕ:

•установленная программа Spectr.exe с необходимыми системными файлами;

26

•файл обзорного и частичных спектров Mo/ВОПГ Example.xtm;

•файл обзорного спектра неизвестного элемента (соединения) Wide_XX.xtm;

•таблица значений энергий связи для различных уровней элементов и соединений (по элементам в порядке возрастания номера Z и в порядке возрастания ЭС).

•таблица значений сечений фотоионизации (факторов чувствительности) для всех элементов (файл Photoionization_crosssection_table).

Binding energy

Рис. 3.1. Обзорный спектр неизвестного элемента

27

Binding energy

Binding energy

Рис. 3.4. Линия ВЕ ≈ 230 эВ

29

Binding energy

Рис. 3.6. Пик Mo3s с энергией ВЕ ≈ 506 эВ

31

Mo3d неразрешенный спин-орбитальны дублет 3d3/2, 3d5/2 – уже рассмотренная линия 2. Mo4p неразрешенный спин-орбитальный

дублет 4p1/2, 4p3/2 с энергией BE ≈ 37 эВ. Mo4s с энергией

BE ≈ 63 эВ (рис. 3.7).

Binding energy

Рис. 3.7. Пики Mo4p: неразрешенный спин-орбитальный дублет 4p1/2, 4p3/2 с энергией BE ≈ 37 эВ и Mo4s с энергией BE ≈ 63 эВ

Найдем кинетические энергии оже-электронов, возбуждаемых рентгеном, для молибдена (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Значения кинетическиой энергии оже-электронов, возбуждаемых рентгеном, для молибдена (взято с сайта http://srdata.nist.gov/xps/)

32

Из представленных в табл. 3.2 энергий оже-переходов рентгеновским излучением источника MgKa с энергией 1253,6 эВ можно возбудить только линию MoM5VV, которая присутствует в нашем спектре с КЕ ≈ 222 эВ (ВЕ ≈ 1253,6 – КЕ ≈ 1031,6 эВ, рис. 3.8).

Binding energy

Рис. 3.8. Линии оже-серии молибдена

В данном спектре также присутствуют еще две линии M45VV оже-серии молибдена слабой интенсивности, которые не представлены в используемой базе данных:

M45N23V c КЕ ≈ 188 эВ (ВЕ ≈ 1253,6 – 188 = 1065,6 эВ) M45N1V c КЕ ≈ 161,6 эВ (ВЕ ≈ 1253,6 – 161,6 = 1092 эВ)

M45N1N23 c КЕ ≈ 121,6 эВ (ВЕ ≈ 1253,6 – 121,6 = 1132 эВ)

Рассмотрим оставшиеся пики:

Линия 4 ВЕ ≈ 531 эВ (рис. 3.9)

Этой энергии соответствуют пики: O1s, Pd3p3/2, Sb3d5/2, V1s. Наиболее вероятные – кислород, палладий и сурьма. Исследуем остальные пики этих элементов.

33

Binding energy

Binding energy

Рис. 3.10. Пик оже-электронов OKVV с КЕ ≈ 506 ÷ 510 эВ

34

Таким образом, линия 4 с ВЕ ≈ 531 эВ однозначно принадлежит кислороду.

– 553 = 55 эВ. Данные пики являются ложными сателлитами двух наиболее интенсивных пиков нашего спектра – С1s с ВЕ = 285 эВ и Mo3d5/2 c BE ≈ 230 эВ, расстояние между которыми равно dBE = 285 – 230 = 55 эВ. Сателлиты отстоят от основного пика на

энергию Е = 608 – 285 = 553 – 230 ≈ 323 эВ (точное значение 323,9 эВ) и возникают вследствие присутствия в рентгеновском излучении спектрометра, помимо линии MgKa, линии CuLa с энерги-

ей кванта hvCuLa = hvMgKa – E = 1253,6 – 323,9 = 929,7 эВ, излучение от которой может появляться в результате дефектов анода рентге-

новской пушки.

Пояснение:

Пусть электрон на уровне j в атоме исследуемого вещества имеет энергию связи ВЕ0. При облучении образца рентгеновским излуче-

нием с квантом hv(MgKa) = 1253,6 эВ и hv (CuLa) = 929,7 эВ в р е-

зультате фотоионизации уровня j произойдет эмиссия фотоэлек-

ленном в шкале энергий связи ВЕ, вычисляемых согласно выражению: ВЕ = hv(MgKa) – KE – φ, будут два пика: основной с ВЕ1 = hv(MgKa) – KE1 – φ = ВЕ0 и сателлит меньшей интенсивно-

сти с ВЕ2 = hv(MgKa) – KE2 – φ = 1253,6 – 929,7 + ВЕ0 = = ВЕ0 + 323,9 эВ.

Таким образом, в рассматриваемых в лабораторных работах спектрах неизвестных элементов необходимо иметь в виду возможное присутствие таких сателлитных линий наиболее интенсивных пиков спектра, отстоящих от них на 323,9 эВ в сторону больших значений энергии связи, и изначально идентифицировать их как сателлиты, не пытаясь найти в базах данных соответствующие этим энергиям линии элементов!

36

Binding energy

Рис. 3.12. Идентификация всех спектральных линий образца

Таким образом, образец состоит из элементов C, Mo и О. В действительности, приведенный спектр является спектром тонкой пленки молибдена, осажденной на поверхность высокоориентированного пиролитического графита. При этом молибден частично окислен.

37