SU1718069A1 - Способ определени средних длин свободного пробега электронов - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к методам исследовани  поверхности твердых тел с использованием электронных пучков и может быть использовано дл  проведени  количественных измерений элементного состава поверхности методами оже-спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновского микроанализа. Целью изобретени   вл етс  расширение энергетического диапазона электронов, дл  которых определ ютс  длины свободнеого пробега. Дл  определени  длин свободного пробега электронов в твердом теле монокристаллическую подложку и подложку с нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества облучают м гким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность рентгеновских фотоэлектронов определенной энергии, возбужденных в монокристаллической подложке, и о средних длинах свободного пробега суд т по изменению средней интенсивности и сглаживанию тонкой структуры на полученных угловых зависимост х. (Л С

Description

Изобретение относитс  к методам исследовани  поверхности твердых тел с использованием электронных пучков и может быть использовано дл  проведени  количественных измерений элементного состава поверхности методами оже-спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновского микроанализа.

Известен р д методов, позвол ющих определ ть значени  средних длин свободного пробега электронов. Эти метода позво- л ют определ ть среднюю длину свободного пробега электронов либо до неупругого взаимодействи , либо до упругого рассе ни , либо до потери когерентности. Однако они не обеспечивают определение одновременно в единых экспериментальных .услови х значений средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействи , до упругого рассе ни , до потери когерентности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  способ определени  средних длин свободного пробега электронов, основанный на использовании спектроскопии потенциалов возбуждени  м гкого рентгеновского излучени  (ПВМРИ). В методе ПВМРИ существенно отличаютс  средн   длина сзо- бодного пробега первичных электронов до неупругого взаимодействи  и глубина выходе регистрируемого рентгеновского излучени . В результате этого в спектрах ПВМРИ содержитс  пр ма  информаци  об эффекх|

00

о о ю

тах взаимодействи  электронов первичного пучка с твердым телом, не искаженна  вкладом неупруго рассе нных электронов и эффектами взаимодействи  вторичного излучени  с веществом, в частности информаци  об анизотропии веро тности образовани  первичным электроном вакансии на внутреннем уровне дл  монокристаллов. Это позволило предложить способ дл  одновременного в единих экспериментальных услови х определени  средних длин свободного пробега первичных электронов до неупругого взаимодействи , до упругого рассе ни , до потери когерентности в неупор доченных пленках, наносимых на монокристаллические подложки, по сглаживанию немонотонных угловых зависимостей интенсивности спектров ПВМРИ монокристалла по мере нанесени  на него неупор доченной пленки вещества, дл  которого средние длины свободного пробега определ ютс . Недостатком этого способа  вл етс  то, что в силу физических принципов , на которых основан методом ПВМРИ, средние длины свободного пробега электронов могут быть определены лишь при дискретных значени х энергий первичных электронов, определ емых энергетическим положением интенсивных линий в спектрах ПВМРИ. Эти значени  в основном ограничены р дом энергий св зи электронов некоторых внутренних уровней 3d - и 4 -элементов.

Целью изобретени   вл етс  расширение энергетического диапазона электронов, дл  которых определ ютс  длины свободного пробега.

Цель достигаетс  тем, что в способе определени  средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействи , до упругого рассе ни  идо потери когерентности в твердом теле, включающем последовательное облучение монокристаллической подложки и подложки с нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества первичным возбуждающим излучением , регистрацию угловой зависимости интенсивности вторичного излучени  от чистой подложки и от подложки с пленкой и определение средних длин свободного пробега электронов из сравнени  получаемых угловых зависимостей интенсивности вторичного излучени , облучение производ т м гким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность одной из линий спектра рентгеновских фотоэлектронов, возбужденных в монокристаллической подложке, и средние длины свободного пробега определ ют по изменению средней интенсивности и

сглаживанию тонкой структуры на зарегистрированных угловых зависимост х интен- сивностей.

Предлагаемый способ основан на методе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС). В нем используетс  существенное различие глубины проникновени  возбуждающего излучени  и глубины выхода регистрируемого излучени , а также

то, что вклад в образование выходного сигнала дают лишь электроны с определенной энергией. В отличие от известного в предлагаемом способе дл  одновременного в единых экспериментальных услови х

определени  средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействи , до упругого рассе ни  и до потери когерентности используетс  не спектроскопи  ПВМРИ, а рентгеновска  фртоэлектронна  спектроскопи . Предложение использовать РФС основано на сочетании двух факторов: существенное различие глубины проникновени  возбуждающего рЈнт- геновского излучени  (6000 10000А) и

средней длины свободного пробега регистрируемых рентгеновских фотоэлектронов до неупругого взаимодействи  (15-30 А) и то, что вклад в регистрируемую интенсивность рентгеновской фотоэлектронной линии дают электроны, практически не

потер вшие энергии при выходе из твердо

го тела. В результате этого в рентгеновских

фотоэлектронных (РФ) спектрах содержит- с  пр ма  информаци  об эффектах взаимодействи  рентгеновских фотоэлектронов с твердым телом, не искаженна  вли нием неупруго рассе нных рентгеновских фотоэлектронов и эффектами взаимодействи  возбуждающего рентгеновского излучени 

с веществом.

В предлагаемом способе использован факт существовани  немонотонных зависимостей интенсивности, РФ спектров монокристаллов от угла регистрации.

Пример. Определ ли средние длины свободного пробега электронов в барии с помощью методики получени  рентгеновских фотоэлектронных спектров. В качестве монокристаллической подложки

используют монокристалл меди (001). Дл  этого кристалла зарегистрированы немонотонные зависимости интенсивности Зр - 2рЗ/2- РФ спектров от азимутального угла поворота мишени. Величина модул ции

тонкой структуры, определ ема  как отно

макс

-I

мин

макс

составила дл  этих спектров 70% (1макс, 1мин) - максимальное и соседнее с ним минимальное значение на

угловой зависимости соответственно). Кинетическа  энерги  2рЗ/2- и Зр-рентгено- вских фотоэлектронов составл ет 551 зВ и 1408 эВ при возбуждении включением KaAI.

Процессы взаимодействи  электронов изучают в пленке бари , наносимой на монокристалл Си (001) путем термического испарени  из специального источника. Дл  бари  определ ют среднюю длину свободного пробега электронов до потери когерентности , до неупругого взаимодействи  и до упругого рассе ни  на угол, превышающий угол Брэгга. Источником рентгеновского излучени  служит рентгеновска  трубка с алюминиевым анодом. Рентгеновские фотоэлектроны регистрируютс  полусферическим дисперсионным энергоанализатором с входной оптикой, обеспечивающей их сбор под углом 45° к рабочей поверхности подложки в конусе с полууглом при вершине , равным 1,5° . Изменение взаимной ориентации направлени  регистрации фотоэлектронов и кристаллической решетки подложки осуществл етс  путем вращени  образца вокруг оси, перпендикул рной его рабочей поверхности, т.е. за счет изменени  азимутального угла сбора вылетающих с образца рентгеновских фотоэлектронов. Дл  определени  средних длин свободного пробега электронов в барии монокристалл меди (001) с нанесенной на него пленкой бари  определенной толщины облучают рентгеновским излучением Ка AI, настраивают энергоанализатор на пропускание электронов с энерги ми или 551, или 1408 эВ, что соответствует 2рЗ/2- или Зр-рентге- новским фотоэлектронам соответственно, и регистрируют угловые зависимости интенсивности соответствующих рентгеновских фотоэлектронов. Мощность, рассеиваема  на рентгеновской трубке, при проведении эксперимента может не превышать 600 Вт.

Сравнива  полученные угловые зависимости интенсивности рентгеновских фотоэлектронов , определ ют значени  средних длин сёободного пробега электронов относительно различных процессов взаимодействи  электронов с барием. Поскольку энергоанализатор настроен на регистрацию электронов определенной энергии, соответствующей возбуждению 2рЗ/2- или Зр-фотоэлектронов, то неупругие взаимодействи  фотоэлектронов с веществом пленки привод т к уменьшению среднего значени  интенсивности Icp на угловых зависимост х интенсивности рентгеновских

фотоэлектронов, а отношение характеоср

ризует часть тока первичных электронов, прошедших пленку, не испытав неупругих взаимодействий. 10ср. и 1Ср- средние значе- 5 ни  интенсивности на угловых зависимост х интенсивности рентгеновских фотоэлектронов, полученных от чистого монокристалла и монокристалла с нанесенной на него пленкой соответственно.

0 Под средним значением интенсивности угловых зависимостей понимают значение интенсивности, соответствующее подложке , не имеющей упор доченной структуры. Среднее значение интенсивности на угло5 вых зависимост х можно определить.экспе- риментально либо подверга :аморфизации монокристаллическую подложку, либо нанос  на монокристаллическую подложку неупор доченную пленку того же вещества, что

0 и вещество подложки до тех пор, пока изме- р ема  интенсивность не перестанет зависеть от азимутального угла, поворота подложки. Это значение и будет соответствовать интенсивности от подложки, не йме5 ющей упор доченной структуры. Значение параметра 1Ср определ етс  током рентгеновских фотоэлектронов, прошедших пленку , не испытав неупругих взаимодействий. При этом, поскольку интенсивность рентге0 невских фотоэлектронных спектров дл  веществ , не обладающих упор доченной структурой, не зависит от угла поворота мишени вокруг оси, перпендикул рной иссле дуемой поверхности, то при таком

5 вращении мишени на значение Icp оказывают вли ние только неупругие взаимодействи  рентгеновских фотоэлектронов с веществом пленки. Значение средней длины свободного пробега электронов до неуп0 ругого взаимодействи  АН определ етс  по уменьшению значени  интенсивности на угловых зависимост х 2рЗ/2 РФ-спектров по формуле

з - d

лнеупрг

In

ср

18 А.

где d - толщина пленки.

При энергии 500-550 эВ, Лнеупр Участие электронов первичного пучка при прохождении пленки в упругом рассе нии , на угол, превышающий угол Брэгга, и в неупругих взаимодействи х приводит к потере электронами когерентности и вызывает уменьшение значени  величины амплитуды тонкой структуры 1Ма1сс-1мин на угловых зависимост х интенсивности РФ

спектров, а отношение

харак омакс омин

теризует часть тока фотоэлектронов с определенной энергией, прошедших пленку, не

испытав ни неупругих взаимодействий, ни упругого рассе ни  на угол, превышающий угол Брэгга. Значени  10макс, макс соответствуют максимальному значению интенсивности на угловых зависимост х спектров РФС, полученных дл  монокристалла до и после нанесени  пленки исследуемого вещества соответственно. Значени  10мин и 1Мин соответствуют значению интенсивности на угло- вых зависимост х спектров РФС, полученных дл  монокристалла до и после нанесени  пленки исследуемого вещества соответственно в минимуме, ближайшем к упом нутому выше максимуму. Значение средней длины свободного пробега электронов до потери когерентности „Лс определ етс  по сглаживанию тонкой структуры на угловых зависимост х интенсивности спектров РФ по формуле d

Ак омакс

-Т

омин

Як

1мвКС 1МИН

Дл , бари  при энергии 500-550 эВ

ЗА.

Упругое рассе ние фотоэлектронов в пленке на угол, превышающий угол Брэгга, приводит к уменьшению величины

макс- мин по Сравнению с величиной

«ср Iомакс 1мин

locp (I макс 1мин

их отношение

1Ин)

-1о

locp

, f. t -. характеризует часть тока

омакс - IOMMH; .;:.-..

фотоэлектронов, прошедших пленку, не испытав упругого рассе ни  на угол, превышающий угол Брэгга. Значение средней длины свободного пробега электронов до упругого рассе ни  на угол, превышающий угол Брэгга , Ау аналогично определ етс  из соотношени 

/упр Ј

омакс

омин

1%

оср ( макс - 1кин)

Дл  бари  при энергии 500-500 эВ Ау ЗА.

Положительный эффект от использовани  предлагаемого способа по сравнению с известным заключаетс  в том, что предлагаемый способ позвол ет в широком энергетическом диапазоне одновременно в единых экспериментальных услови х определ ть средние длины свободного пробега электронов до упругого рассе ни , до неупругого взаимодействи  и до потери когерентности . Способ обеспечивает получение этой информации дл  электронов, выход щих из твердого тела.

Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает отсутствие радиационного повреждени  системы монокристалл - пленка пучком первичных электронов, что имеет место в известном способе.

Claims (1)

1. Формула изо б рете ни   Способ определени  средних длин свобедного пробега электронов до неупругого взаимодействи , до упругого рассе ни  идо потери когерентности в твердом теле, включающий последовательное облучение монокристаллической подложки и подложки с

   нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества первичным возбуждающим излучением , регистрацию угловой зависимости интенсивности вторичного излучени  от чистой подложки и от подложки с пленкой и

   определение средних длин свободного пробега электронов из сравнени  получаемых угловых зависимостей интенсивности вторичного излучени , отличаю щи и с   тем, что, с целью расширени  энергетического

   диапазона электронов, дл  которых определ ютс  длины свободного пробега, облучение производ т м гким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность одной из линий спектра рентгеновских фотоэлектронов, возбужденных в монокристаллической подложке , и средние длины свободного пробега определ ют по изменению средней интенсивности и сглаживанию тонкой структуры

   5 на зарегистрированных угловых зависимост х интенсивностей.