Троян Физические основы методов исследования наноструктур и поверкхности 2014
.pdf
Основными элементами спектрометра являются помещенные в СВВ камеру источник рентгеновского излучения (рентгеновская пушка), энергоанализатор электронов и детектор электронов, а также электронный модуль регистрации спектров и управления режимами работы спектрометра. Далее рассмотрим подробно каждый из указанных элементов.
2.7.1. Источник рентгеновского излучения
Схема рентгеновского источника представлена на рис.2.30.
Рис. 2.30. Устройство и принцип работы рентгеновского источника: а – диаграмма энергетических уровней Al, иллюстрирующая излучательный переход электрона с заполненного уровня 2p на свободный уровень 1s и эмиссией характеристического рентгеновского излучения AlKα; б – спектр излучения рентгеновского источника, состоящий из узкой линии характеристического рентгеновского излучения на широком фоне тормозного рентгеновского излучения; в – спектр линии Kα характеристического рентгеновского излучения, разложенный на две компоненты Al Kα1 и Al Kα2, отвечающие переходам с уровня 2р3/2 и 2р1/2 отстоящие друг от друга на ~0.43 эВ, что приводит к суммарной ширине рентгеновской линии ~0.85 эВ при ширине каждой из компонент ~0.5 эВ; г – схематическое изображение двойного анода рентгеновского источника в разрезе [19]
101
Он состоит из катода и анода. Катод представляет собой нить накала и служит источником электронов, работающим на эффекте термоэлектронной эмиссии. Разность потенциалов, прикладываемая между катодом и анодом, ускоряет электроны, торможение которых в материале анода сопровождается эмиссией тормозного и характеристического рентгеновского излучения.
Тормозное рентгеновское излучение характеризуется непре-
рывным энергетическим спектром в |
пределах 0 hv Ee , где |
Ee mv 2 / 2 – кинетическая энергия |
тормозящихся электронов. |
Максимум интенсивности тормозного излучения приходится примерно на половину максимальной энергии (рис.2.31), а сама интенсивность определяется током эмиссии катода, ускоряющим напряжением между катодом и анодом и материалом анода.
Рис.2.31. Рентгеновский эмиссионный спектр Al анода, бомбардируемого электронами с кинетической энергией 15 кэВ, состоящий из линии характеристического
излучения Al Kαс энергией ~1.5 кэВ и широкого спектра тормозного излучения
[15]
Характеристическое рентгеновское излучение возникает вследствие ионизации электронным ударом остовных электронных уровней атомов материала анода и последующих процессов излучательной рекомбинации. При этом энергия рентгеновского излучения определяется разницей энергий связи уровней, участвующих в переходе (рис.2.32).
102
Рис.2.32. Схема излучательного перехода с эмиссией характеристического рентгеновского излучения
Коэффициент полезного действие преобразования энергии быстрых электронов в энергию характеристического рентгеновского излучения составляет ~1% вследствие малой вероятности излучательных переходов по сравнению с безызлучательными. Следствием малости КПД также является нагрев анода. По этой причине внутри анода устроен канал для водяного охлаждения. Величина hv в общем случае тем больше, чем больше атомный номер элемента материала анода, однако увеличение энергии излучения сопровож-
дается уширением линии Whv , что снижает разрешение спектро-
метра.
Поскольку в рентгеновском спектре эмиссии анода присутствует как тормозное, так и характеристическое излучение, необходимо осуществить фильтрацию спектра, оставив лишь наиболее интенсивную линию характеристического излучения. Для обрезания хвоста спектра тормозного излучения между анодом и образцом устанавливают специальную сетку-анод («окно»), которая поглощает часть рентгеновского излучения, а также задерживает электроны, рассеянные на аноде. Материал окна зависит от энергии характеристического излучения, определяющейся материалом анода. Так, для
магниевого источника с линией Mg K ( hv 1253.6 эВ) исполь-
зуют алюминиевое окно. Интенсивность прошедшего через окно излучения определяется выражением
I I0 e (hv) z , |
(2.80) |
где I 0 – интенсивность падающего излучения, – плотность ма-
териала окна, z – толщина окна и hv – массовый коэффициент
поглощения. Зависимость коэффициента поглощения от энергии излучения схематически показана на рис.2.33.
103
Рис.2.33. Зависимость коэффициента поглощения алюминиевого окна и интенсивности рентгеновского излучения линии Mg K от энергии
рентгеновского излучения [7]
Пик поглощения на энергии hv 1486.6 эВ обусловлен ионизацией оболочки Al 1s . Таким образом, окно «вырезает» из рентгеновского спектра излучение в области энергий hv 1486.6 эВ. На самом деле определенное ослабление интенсивности происходит и для энергий эВ, поэтому окно должно быть достаточно тонким. Обычно для этой цели используют фольгу толщиной несколько сотен микрон. Кроме алюминия, в качестве материала окна можно также использовать бериллиевую фольгу.
В качестве материала анода используют различные элементы, дающие рентгеновские линии с энергиями от сотен до десятков тысяч электронвольт. Помимо энергии, они различаются также шириной линии. Данные о наиболее часто используемых источниках представлены в табл. 2.5.
Таблица 2.5. Параметры основных источников рентгеновского излучения
Материал |
Энергия |
Ширина ли- |
Интенсивность |
анода и ли- |
hv, эВ |
нии Whv, эВ |
линии I, фо- |
ния перехо- |
|
|
тон/с. |
да |
|
|
|
Не I |
21.2 |
0.003 |
1∙1012 |
Не+ II |
40.8 |
0.017 |
1∙1011 |
Y M |
132.8 |
0.450 |
3∙1011 |
Mg K |
1253.6 |
0.680 |
1∙1012 |
Al K |
1486.6 |
0.830 |
1∙1012 |
Ti K |
4510.0 |
2.000 |
5∙1011 |
104
Из представленных в таблице источников He и Не+ представляют собой гелиевые лампы, используемые в УФС. Из твердотельных источников наиболее часто используемыми являются Mg и Al. На рис. 2.34 схематически представлены электронные оболочки атома в твердом теле, возбуждаемые различными источниками рентгеновского излучения.
Рис.2.34. Схематическое изображение остовных и валентных электронных оболочек атома в твердом теле и используемых в методе РФЭС источников возбуждающего рентгеновского излучения. Фотоэлектронный спектр отражает структуру электронных уровней исследуемого вещества (К. Зигбан 23)
Для уменьшения естественной ширины линии характеристического рентгеновского излучения в современных спектрометрах используют монохроматоры. Принцип действия монохроматора основан на дифракции рентгеновского излучения на кристаллической решетке. Схема монохроматора в виде круга Роуланда представлена на рис.2.35.
23) К. Зигбан // УФН 138 (1982) с.223.
105
Рис.2.35. Схема устройства рентгеновского монохроматора в виде круга Роуланда
[7, 19]
В этой схеме на круге Роуланда радиуса RR установлены анод рентгеновского источника, образец и сферический кристалл кремния. Падающее на кристалл под углом рентгеновское излучение дифрагирует на атомных плоскостях и вновь фокусируется на образце. Условие брэгговской дифракции имеет вид
2d sin , |
(2.81) |
где d – межплоскостное расстояние в кристалле, |
c / v – длина |
волны рентгеновского излучения. |
|
Рис.2.36. Условная схема устройства рентгеновского монохроматора с тремя кругами Роуланда, используемая для повышения интенсивности монохроматического рентгеновского излучения [7].
Для излучения линии Al K с энергией 1486.6 эВ величина8.34 Å, откуда получаем значение угла 13.4 для монокристалла SiO2 с d 4.26 Å. Если в падающем на кристалл рент-
106
геновском излучении присутствуют длины волн в интервале, где определяется шириной линии, то в отраженном излучении останется только та часть, длина волны для которой удовлетворяет условию дифракции Брэгга (2.81). В силу того, что этому условию удовлетворяет лишь малая доля падающего излучения (~1%), интенсивность излучения на выходе монохроматора значительно ослабляется (что приводит и к малой интенсивности спектральных линий). Для повышения интенсивности иногда используют схему с несколькими кругами Роуланда, лежащими в разных плоскостях, пересекающихся по прямой, соединяющей анод и образец (рис.2.36).
Рис. 2.37. Нормированные по интенсивности РФЭ спектры уровня Ag3d, полученные с использованием монохроматического и немонохроматического рентгеновского излучения. Использование монохроматора приводит к более узким спектральным линиям, меньшему фону и отсутствию рентгеновских сателлитов [17]
Использование монохроматора позволяет уменьшить ширину рентгеновского источника Mg и Al до 0.3÷0.5 эВ, что увеличивает разрешение спектрометра. В качестве иллюстрации на рис. 2.37 показаны нормированные по интенсивности спектры остовного уровня Ag3d, полученные с использованием монохроматического и немонохроматического рентгеновского излучения.
107
2.7.2. Энергоанализатор
Энергоанализатор необходим для того, чтобы измерять число фотоэлектронов в зависимости от их энергии. Анализатор электронов может быть либо магнитным, либо электростатическим, он должен находиться в условиях СВВ и быть изолированным от внешних магнитных и электрических полей (в том числе от магнитного поля Земли). В электростатических энергоанализаторах внешние магнитные поля устраняют при помощи специальных экранов.
Энергоанализаторы могут иметь различную геометрию. В большинстве электронных спектрометров используют электростатические энергоанализаторы. Они могут быть разделены на два класса: анализаторы отклоняющего типа и анализаторы задерживающего поля.
В анализаторах отклоняющего типа регистрируются только электроны, кинетическая энергия которых лежит в пределах узкого диапазона энергий. Выделение электронов с нужной энергией производится путем использования геометрии, в которой только электроны с определенной энергией проходят по заданной траектории к детектору электронов. Это достигается путем приложения электростатического поля в направлении, перпендикулярном к направлению движения электронов. Наиболее распространенными анализаторами отклоняющего типа являются концентрический полусфери-
ческий анализатор, анализатор типа «цилиндрическое зеркало»,
анализатор типа «сферическое зеркало» и 127 -градусный сектор-
ный цилиндрический анализатор [5, 19].
Анализаторы задерживающего поля работают путем отсече-
ния электронов с кинетической энергией меньше, чем eV0 , где V0
– напряжение, прикладываемое к задерживающему электроду. Наиболее распространенный тип анализатора задерживающего по-
ля – это четырехсеточный анализатор, который обычно исполь-
зуют в установках по ДМЭ. Его описание приведено в разделе 5.4. Другим примером анализатора задерживающего поля является без-
дисперсионный энергоанализатор.
Далее будут рассмотрены три наиболее широко используемых типа энергоанализаторов.
108
Концентрический полусферический анализатор
Данный тип анализатора называют еще электростатическим полусферическим анализатором или сферическим отклоняющим анализатором. Схема устройства полусферического анализатора приведена на рис.2.38.
Основными элементами анализатора являются два электрода в виде концентрических полусфер. На внешнюю полусферу относительно внутренней полусферы подается отрицательный потенциал, создающий в пространстве между ними электростатическое поле.
Рис. 2.38. Схема устройства концентрического полусферического анализатора. R – радиус траектории движения электронов в электрическом поле, создаваемом разностью потенциалов, подаваемой на внешний и внутренний полусферические электроды с расстоянием между ними R [7]
Перед входом в анализатор электроны проходят через систему электростатических линз, формирующих тормозящее поле. Входящие в анализатор электроны под действием электростатического поля движутся по круговой траектории с радиусом R. При заданной геометрии анализатора кинетическая энергия фотоэлектрона KE, прошедшего через анализатор, определяется разностью потенциалов на электродах :
KE |
e R |
, |
(2.82) |
|
2 R |
||||
|
|
|
где R – расстояние между полусферическими электродами. Регистрация спектра происходит путем изменения напряжения, прикладываемого к электродам таким образом, чтобы через выходную щель анализатора на детектор последовательно проходили электро-
109
ны с разной энергией. Такой режим работы анализатора называется режимом с постоянным коэффициентом замедления. В другом режиме работы анализатора, называемом режимом с постоянной энергией пропускания, на электроды анализатора подается постоянная разность потенциалов, но варьируется электрическое поле, тормозящее электроны на входе в анализатор. Фотоэлектроны замедляются в этом поле и через анализатор проходят только те электроны, скорость которых соответствует условию (2.82).
Полусферический анализатор является пространственно фокусирующим: точечный источник электронов изображается в виде точки на выходе анализатора.
Важной характеристикой анализатора является его разрешающая способность:
RE KE / KE ,
где KE – минимальная разница кинетической энергии электронов, линии которые еще могут быть разрешены в спектре, КЕ – среднее значение кинетической энергии электронов (обычно KE KE ). Разрешающая способность полусферического анализатора определяется радиусом R, шириной S входной и выходной щелей анализатора и углом разброса входящего в анализатор элек-
тронного пучка (углом сбора электронов) : |
RE |
|
2R |
|
|
|
|
||||
S R( / 2) |
2 |
||||
|
|
|
[19]. При типичных значениях параметров анализатора
мм, S 1 мм и 3 , его разрешающая способность составляет RE 190. В то же время для измерения типичных сдвигов энергии
связи E ~ 0.1 эВ при кинетической энергии |
фотоэлектронов |
KE ~ 1 кэВ необходимо наличие анализатора с |
RE 104 . Дости- |
жение такой разрешающей способности требует слишком малого угла сбора электронов и ширины щелей анализатора. Поэтому на практике перед входной щелью анализатора обычно устанавливается блок замедления, уменьшающий кинетическую энергию фотоэлектронов до величины ~10 эВ. В этом случае KE / KE ~ 10/ 0.1 ~ 100 и имеющейся разрешающей способности анализатора оказывается достаточно для измерения сдвигов энергии.
110