Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Spektroskopia elektronów Augera AES – Auger Electron Spectroscopy.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Spektroskopia elektronów Augera AES – Auger Electron Spectroscopy."— Zapis prezentacji:

1 Spektroskopia elektronów Augera AES – Auger Electron Spectroscopy

2 Podstawy E1E1 E2E2 E3E3 E4E4 EkEk Z E k =(E 2 -E 3 )-E 4

3 Proces Augera Jonizacja głęboko leżącego poziomu elektronowego przez elektrony pierwotne Nieradiacyjny zanik Augera Rejestracja energii kinetycznej elektronów, które uciekły do próżni Emisja elektronu Emisja fotonu X Powierzchniowo czuła

4 Wydajność produkcji elektronów Augera S A S A = P A /(P A + P X ) gdzie jest dopasowywanym parametrem Półempiryczny wzór Bishopa gdzie P i jest prawdopodobieństwem emisji elektronu (A) lub fotonu X (X)

5 Emisja elektronu a emisja fotonu Do Z=20 (wapń) dominuje emisja elektronów ( 90% ). W pobliżu germanu (Z=32) emisja elektronów Augera i fotonów X jest jednakowo prawdopodobna Dla ciężkich pierwiastków dominuje emisja fotonów X. Liczba atomowa Prawdopodobieństwo

6 Nomenklatura Proces Augera jest charakteryzowany przez zespół trzech liter ze wskaźnikami, określający odpowiednio poszczególne powłoki (litery) i podpowłoki (wskaźniki) biorące udział w procesie Augera. Idąc od największych energii (najgłębszych powłok) powłoki są oznaczane kolejno literami K L M N O Przyjęto konwencję oznaczania powłok w sprzężeniu j-j

7 Całkowity moment pędu atomu Sprzężenie j-j Najpierw sumujemy wektorowo orbitalny moment pędu l i spin s pojedynczego elektronu na wypadkowy moment pędu j, a następnie dodajemy wektorowo j-ty wszystkich elektronów Obowiązuje dla Z >~75 Stany z główną liczbą kwantową n=1,2,3,4, 5... Oznaczamy jako K, L, M, N, O... Stany z odpowiednią kombinacją l=0,1,2,3,... i j=1/2,3/2,5/2,7/2,... są oznaczane indeksami dolnymi 1,2,3,4,... zgodnie z następującą regułą: nljIndexpoziom 10½1K1s 1/2 20½1L1L1 2s 1/2 21½2L2L2 2p 1/2 21 3/2 3L3L3 2p 3/2 30½1M1M1 3s 1/2

8 Właściwości procesu Augera Najefektywniejsze są przejścia, w których biorą udział dwa elektrony znajdujące się na tej samej powłoce (mające tą samą główną liczbę kwantową) – reguła Costner-Kroning- np. L 2 L 3 M lub KLL, LMM, itd. Takie przejścia są bardzo szybkie. Piki są szerokie Zasada nieoznaczoności E t h Jeżeli t jest czasem życia to szerokość poziomu E h/ t Dlaczego ? t małe E duże

9 Właściwości procesu Augera Rozmycie energetyczne pierwotnej wiązki elektronów nie wpływa na szerokość pików Augera Jonizacja jest znacznie szybsza (t< s) niż czas życia wakancji na powłoce wewnętrznej ( s)

10 Dominujące przejścia Augera 3 < Z < 14 KLL 14 < Z < 40LMM 40 < Z < 82MNN 82 < ZNOO Liczba atomowa Typ przejścia Proces Augera NIE występuje dla wodoru (Z=1) i helu (Z=2) Dla zajścia procesu Augera potrzebne są 3 elektrony

11 Z jakiej głębokości pochodzą elektrony Augera ? Zależność średniej drogi swobodnej od energii elektronu n0n0 n x Minimum e przy eV Energie elektronów Augera ~kilkaset eV Głębokość emisji < kilka nm Rejestrując el. Augera o różnych energiach emitowane z tego samego atomu możemy wnioskować o profilu głębokościowym Zasięg elektronów zależy od ich energii

12 Zależność przekroju czynnego na jonizację powłoki wewnętrznej od energii elektronów pierwotnych,max 0.38 a/ E 2 [ Å 2 ] dla E E Większość ważnych dla analizy linii Augera występuje przy energiach eV Energia wiązki pierwotnej E 0 powinna być 3 keV E 0 5 keV [ Å 2 ] cm 2 gdy E w [ eV ] Model Gryzińskiego E 0 /E poziomu Przekrój czynny na jonizację

13 Wyniki obserwacji Poziomy energetyczne Widmo elektronów Augera jest zwykle przedstawiane w postaci pochodnej dN/dE k, w celu eliminowania wysokiego tła wstecznie rozpraszanych elektronów pierwotnych. Na takim widmie energia elektronów wykazujących maksimum natężenia jest bardzo wyraźna. Wyznaczona energia w sposób jednoznaczny określa strukturę poziomów energetycznych, a zatem jednoznacznie identyfikuje pierwiastek.

14 Jak mierzyć energie elektronów ? Szczeliny -V +V E0E0 y Czas przelotu t przez kondensator o długości L Odchylenie y, gdzie y Detektor Przy ustalonych wartościach V zostaną przepuszczone tylko elektrony o energiach E ± u = ( y) –szerokość szczeliny L Kondensator płaski d – odległość okładek

15 Układ pomiarowy Potencjał kondensatora cylindrycznego (r) – ładunek powierzchniowy wewnętrznej elektrody Należy rozwiązać równanie ruchu Newtona z takim potencjałem

16 Spektrometry Spektrometry elektrostatyczne: Cylindryczny zwierciadlany (Cylindrical Mirror Analyzer) CMA Hemisferyczny (Hemispherical Energy Analyzer) HEA Warunki na ogniskowanie wymagają, aby próbka znalazła się w ściśle określonym miejscu Położenie próbki dowolne Detektor (powielacz elektronowy) Wewnętrzna elektroda Źródło elektronów Szczeliny Próbka Szczeliny Zewnętrzna elektroda Wewnętrzna elektroda Zewnętrzna elektroda Detektor (powielacz elektronowy) Źródło elektronów Próbka Układ kolimujący

17 Parametry analizatorów Energetyczna zdolność rozdzielcza R Transmisja T E - energia analizowanych elektronów E – rozmycie energii kinetycznej przepuszczonych elektronów N – liczba przepuszczonych cząstek, N – liczba wszystkich cząstek na wejściu analizatora R powinno być duże T powinno być duże Wąskie szczeliny Szerokie szczeliny

18 Wyniki obserwacji Poziomy energetyczne

19 Sposób pomiaru sygnału Augera Mierzymy sygnał elektronów Augera w funkcji energii elektronów pierwotnych Mierzymy pochodną po energii sygnału elektronów Augera w funkcji energii elektronów pierwotnych Mierzymy I x Odejmujemy tło Mierzymy I x Położenie piku określa energię Augera E p Położenie minimum określa energię Augera E m Uwaga E m E p Sposób całkowy Sposób różniczkowy

20 Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, 2003 Kształt piku Na kształt piku mają wpływ: - kształt pasma, z którego jest emitowany elektron - straty plazmonowe (od strony niskich energii) - rozszczepienie subtelne poziomów - otoczenie chemiczne atomu emitującego elektrony Energia elektronów ( eV ) Wpływ wiązania chemicznego Faza gazowa C(KVV) CH 4 C2H4C2H4 C2H2C2H2 N(E) D(E) E Izolatory Przewodniki Pasmo walencyjne Poziomy atomowe Energia elektronu Pasmo przewodnictwa Energia Fermiego E F Przerwa wzbroniona D(E) E Gęstość stanów

21 Efekty chemiczne Energia ( eV ) Grafit Grafit * Poziomy walencyjne (energia) danego atomu są czułe na jego otoczenie chemiczne. Przejścia Augera z udziałem elektronów walencyjnych V będą czułe na lokalne otoczenie chemiczne atomów. * - widma uzyskane po bombardowaniu jonowym 272eV 273eV 272eV 271eV 215eV Ar 215eV Ar

22 Analiza ilościowa I /I 0 = A (E B,E o ) A (E B ) r(E B,E 0,matryca) (E A ) n A A – czynnik doświadczalny (zależy od własności analizatora, kąta padania elektronów, chropowatości powierzchni), – całkowity przekrój czynny na jonizację, E B – energia wiązania elektronu, E 0 – energia elektronu pierwotnego, A – prawdopodobieństwo wystąpienia przejścia Augera 1 (przy tych energiach konkurencja promieniowania X jest zaniedbywalna) r – współczynnik rozproszenia wstecznego (uwzględnia wzrost natężenia linii spowodowany jonizacją danej powłoki elektronami rozproszonymi do tyłu oraz energetycznymi elektronami wtórnymi) najczęściej określamy doświadczalnie, – średnia droga swobodna, n A – koncentracja atomów A To chcemy wyznaczyć

23 Sposoby przeprowadzania analizy Metoda z pierwszych zasad Liczymy teoretyczne zależności: - przekroju czynnego - prawdopodobieństw przejść - współczynnika rozproszenia r Bardzo skomplikowane i mało dokładne I /I 0 = A (E B,E o ) A (E B ) r(E B,E 0,matryca) (E A ) n A Metoda wzorców

24 Obrazowanie powierzchniowe 2D Musimy użyć źródła elektronów o małej średnicy wiązki Spektrometr Skanowana wiązka elektronów Próbka Źródło elektronów

25

26

27 Steel Fracture Surface Secondary electron image, 10,000X Auger Images - Fe, Sb, Cr AES identified the composition of grain boundary particles to be Sb and Cr. These phases resulted in the embrittlement of an aged steel rotor.

28 Obrazowanie przestrzenne 3D Wiązka jonowa zdziera zewnętrzne warstwy. Wiązka elektronowa analizuje odkryty obszar. Skanowana wiązka jonów Skanowana wiązka elektronów Źródło elektronów Spektrometr Próbka Źródło jonów Czas rozpylania (min) Sygnał Augera

29 Zalety spektroskopii elektronów Augera Możliwość rejestracji wszystkich pierwiastków z wyjątkiem wodoru i helu. Prosta interpretacja wyników: duża baza widm wzorcowych widma od indywidualnych pierwiastków nie nachodzą na siebie Możliwość przeprowadzania dwu i trójwymiarowej analizy. Modularna budowa spektrometru – możliwość łączenia z innymi technikami badawczymi. Czułość ~0.01 monowarstwy.

30 Z. Postawa, Fizyka powierzchni i nanostruktury, 2003 Problemy spektroskopii Augera – modyfikacja powierzchni podczas pomiarów Wiązka pierwotna może modyfikować badaną powierzchnię Efekty termiczne (powierzchnie o słabej przewodności termicznej – półprzewodniki, izolatory, materiały organiczne): - lokalne stopienie powierzchni, - desorpcja termiczna, - dekompozycja warstw, - segregacja. Typowe parametry wiązki elektronów używanej w spektrometrii Augera: Energia: 3 keV. Gęstość prądu: 50 A/mm 2 (~5 mA/cm 2 ) Obniżyć gęstość prądu Pogorszenie zdolności rozdzielczej i stosunku sygnału do szumu Co na to poradzić ?

31 Ważne zastosowania Metoda AES jest powszechnie stosowana do badania wzrostu cienkich warstw. Natężenie linii zależy od grubości warstwy.


Pobierz ppt "Spektroskopia elektronów Augera AES – Auger Electron Spectroscopy."

Podobne prezentacje


Reklamy Google