Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Нанотехнология

..pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
19.11.2023
Размер:
33.02 Mб
Скачать
Энергия электронов Е , эВ
Рис. 2.35. Дифференцированные С KW Оже-спектры карбидов, графита и алмазов [25]
200 250
300

2.5. Электронная спектроскопия

81

веществ в газовой фазе, содержащие линии, соответствующие KLL-nepe- ходам (или KW -переходам) в атоме углерода, находящемся в состояниях с ординарной, двойной и тройной связью. Различия в химических свя­ зях достаточно хорошо выражены. KLL спектры углерода с поверхности твердого тела не менее хорошо отображают различие химических со­ стояний. На рис. 2.35 показаны Оже-спектры поверхности углеродных материалов.

Здесь спектры представлены в дифференциальной форме, что по­ могает подавить проявление интенсивного фона вторичных электронов. Различие KLL спектра углерода в слу­

чае карбидного и графитированного по­ крытий является одним из хорошо из­ вестных примеров определения хими­ ческого состояния для ЭОС. Основные различия, однако, наблюдаются в по­ ложительной части спектра дифферен­ циальных пиков. Основной пик все­ гда обладает крутым спадом со сторо­ ны более высоких энергий, что при­ водит к большему по амплитуде от­ рицательному пику в дифференциаль­ ном спектре. С другой стороны, если существует размытый спектр рассеян­ ных неупругих электронов со стороны низких энергий, то в дифференциаль­ ном спектре положительный пик будет относительно мал.

Приведенные примеры включали переходы с валентных уровней, что поз­ воляет ожидать проявление химических изменений не только благодаря релак­ сации, экранированию и химическому сдвигу, но также за счет изменения самих валентных уровней, что долж­ но отражаться на положении и ши­ рине пиков. В то время как началь­ ный остовный уровень характеризуется определенным дискретным значением,

валентные уровни образуют энергетическую зону, так что если в переход вовлечен какой-нибудь уровень внутри зоны, то вероятность его участия пропорциональна плотности электронных состояний в валентной зоне при этой энергии. Ширина линии во многом определяется соотношением U /W , где W — ширина валентной зоны. В тех элементах, для которых W > U, например Fe, Со, наблюдаются широкие линии, а для W < U, например Ni, Си, наблюдаются узкие линии (рис. 2.36).

82

Глава 2. Методы исследования

Выход электронов N(E)

Выход электронов N(E)

Выход электронов N(E)

Рис. 2.36. L3M4 5М4 5 Оже-спектры Со, Ni ’и Си [26]

В результате наблюдается переход от спектров с широкими линиями к узким линиям, по­ добным атомным. Трудности ин­ терпретации Оже-спектров при исследовании химических сдви­ гов и формы линии оставляют значительное поле деятельности и преимущества для РФЭС.

Другой стороной ЭОС, где ее преимущества неоспоримы, являются ее аналитические при­ менения. Основными критерия­ ми здесь служат наличие боль­ шого набора пиков для всех эле­ ментов и возможность сделать метод количественным, несмот­ ря на проблемы с количествен­ ной интерпретацией. ЭОС поз­ воляет провести анализ соста­ ва поверхности с количеством атомов на поверхности до 1 % от монослоя практически любого атомного состава. Имеется воз­ можность отслеживать заполне­ ние монослоя нанесенных ато­ мов на поверхность с помощью линейных зависимостей интен­ сивностей пиков Оже от тол­ щины монослоя. С увеличением количества атомов одного сорта на поверхности атомов другого сорта наблюдается линейная за­ висимость отношения интенсив­ ности пиков от атомов различно­ го сорта с постоянным наклоном до образования монослоя, затем наклон уменьшается.

Однако одним из важней­ ших преимуществ ЭОС, в част­ ности при сравнении с РФЭС, выступает то обстоятельство, что первичным пучком является пу­ чок электронов с удобной для фокусировки энергией, который легко сместить и сканировать по

2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия

83

поверхности электростатическим и магнитным полями. Это дает воз­ можность при анализе поверхности достичь высокого пространственного разрешения и получить карту распределения различных элементов на по­ верхности. Получение такого изображения возможно с помощью ска­ нирующей электронной микроскопии. Эта возможность получения хи­ мического изображения, особенно в сочетании с ионным распылением, позволяющим осуществить послойный анализ, имеет большую ценность при изучении реальных поверхностей в металлургии, полупроводниковых устройствах и т.д.

2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия

Оптическая и колебательная спектроскопия связана с электронными и фононными переходами между атомными и молекулярными уровня­ ми. При этом возможно применение как в растворах, так и в твердо­ тельном вариантах для исследования нанокластеров, поверхности твер­ дого тела и адсорбированных на ней атомов, молекул и кластеров. К оптической спектроскопии относятся электронная адсорбционная спек­ троскопия и спектроскопия отражения, спектроскопия кругового дихроиз­ ма и магнитного кругового дихроизма, а также спектроскопия с переносом заряда, когда излучение сопровождается переходом электрона с уровня одного атома на уровень другого атома. Колебательная и вращательная спектроскопия включает инфракрасную адсорбционную и отражательную спектроскопию, спектроскопию комбинационного рассеяния, а также спектроскопию характеристических потерь электронов.

Электронная спектроскопия применяется для длин волн А = 2 100 4-

7500

А с энергиями в области 2 6

эВ, ультрафиолетовая область

А =

2 000-г 3 800 А, волновые числа v

= 1/А = 50 000 4- 26 300 см-1,

видимая область А = 3 800 4- 7 800 A, v = 26 300 4- 12 800 см” 1. Инфракрасная спектроскопия (обычно используются волновые

числа): ближняя область v = 12 800 4- 5 000 см-1, дальняя область v = 5 0004-100 см-1. Для удобства сравнения величин уместно напомнить соотношения:

1 см-1 = 2,858 кал/моль = 1,986 • 10“ 16 эрг/моль = 1,24 • 10“4 эВ/моль.

2.6.1. Оптическая спектроскопия

Происхождение оптических спектров легко понять из рассмотрения потенциальной энергии двухатомной молекулы на рис. 2.37.

При построении кривых потенциальной энергии Морзе принято, что за время электронных переходов (~ 10“15 с) не происходит изменения их положения в пространстве за счет колебаний или вращений (принцип Франка—Кондона). Поэтому все изображенные электронные переходы вертикальные. Каждое основное и возбужденное состояния включают

84

1лава 2. Методы исследования

Межъядерное расстояние г

Рис. 2.37. Потенциальная энергия (потенци­ ал Морзе) для основного и возбужденно­ го состояний двухатомной молекулы; ц0-з и VQ- з — колебательные уровни основ­ ного и возбужденного состояния молеку­ лы. Штриховыми линиями показаны ве­ роятностные колебательные функции ip*lb. Стрелками показаны оптические переходы

Рис. 2.38. Спектр, соответствующий электронно-колебательным переходам на рис. 2.37

также ряд колебательных уров­ ней. Колебательный уровень vn описывается своей колебатель­

ной волновой

функцией ^ ь -

Показаны для

примера

только

четыре уровня.

Квадрат

волно­

вой функции г/)2 указывает ве­ роятные межъядерные расстоя­ ния для отдельного колебатель­ ного состояния. Положение вра­ щательных уровней более мел­ ких, чем колебательные, не при­ водится.

На рис. 2.38 приведены три линии, соответствующие пере­ ходам на рис. 2.37.

Три перехода, показанные стрелками, происходят с уровня Vo на Ад, v\ , v'2 и обозначают­ ся как переходы 0 -> 0, 0 1, О -> 2 соответственно. Относи­ тельная интенсивность различ­ ных колебательных подполос за­ висит от колебательной волно­ вой функции для различных со­ стояний. В молекуле или кла­ стере могут происходить множе­ ство переходов с основного со­ стояния на различные возбуж­ денные состояния, каждое из ко­ торых характеризуется своей по­ тенциальной энергией, которая может не совпадать с потенци­ альной энергией основного со­ стояния. Электронные перехо­ ды имеют обозначение в свя­ зи с классификацией молеку­ лярных орбиталей, между кото­ рыми происходят переходы: это связывающие орбитали <т, тг; не­ связывающие орбитали пв, щ и разрыхляющие орбитали <т*, тг* (по поводу происхождения и на­ звания орбиталей читателю ре­ комендуется посмотреть в сле­ дующую главу).

2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия

85

Оптическая спектроскопия поглощения связана с регистрацией про­ хождения излучения через слой вещества так, что доля интенсивности света d l данной частоты А/, поглощенной слоем бесконечно малой тол­ щины d l, прямо пропорциональна интенсивности падающего на этот слой излучения J, толщине слоя и концентрации поглощающего ве­ щества (числу поглощающих молекул или кластеров в единице объема вещества, щ):

-d l(v ) = k(u) щ / ( v) dl.

(2.40)

Интегрирование выражения (2.40) по длине слоя дает известный закон поглощения, называемый иногда законом Ламберта—Бера или Бугера—Ламберта—Бера:

Н у) = / 0(v) exp {-fc(i/)n0/},

(2.41)

где 10(и) и 1(и) — интенсивность падающего и прошедшего излучения с частотой v.

Величина к(и) — коэффициент поглощения, зависящий от вещества,

иопределяется вероятностью электронно-колебательных переходов.

Вспектроскопии часто используется запись закона Ламберта—Бера в форме

lg ^ = 2 93k(u)n0l.

(2.42)

Если концентрация поглощающих молекул или кластеров выражена в единицах моль/л, а толщина слоя в см, то

lg 7 ^ ) = e^ d ’

(2-43)

где е(и) — коэффициент экстинкции (молярный коэффициент поглоще­ ния).

Величина D = lg (/0/I) называется

оптической плотностью

 

D = 2,3kn0l

= e d ,

(2.44)

которая удобна для многокомпонентного анализа.

Интегральная интенсивность спектра — А , или сила осциллятора,

вводится как

 

J D(y) dv — d j е(и) dv = d A .

(2.45)

Для оценки силы осциллятора однополосного спектра величина

А~ ^maxA^i/2, где £тах — коэффициент экстинкции в максимуме полосы,

аД|/|/2 ее ширина на половине высоты. Таким образом, для идентифи­

кации спектров примеряются величины £max, AI^I/2, I'max и форма линии. В случае спектров диффузного отражения появляются две компонен­ ты — £тах зеркальная, которая отражается от поверхности, и диффузная,

которая поглощается твердым телом и появляется после многократного отражения. Обычно максимум полосы в спектре диффузного отражения

86 Глава 2. Методы исследования

совпадает с максимумом полосы поглощения. Спектроскопия многократ­ ного внутреннего отражения позволяет исследовать электронные уровни поверхности твердого тела.

При изучении поверхности, включающей комплексы металлов или кластеры с переходами между d -орбиталями, наблюдаются спектры в ви­ димой области с различными коэффициентами экстинкции. Так, для октаэдрических комплексов е « 10, а для тетраэдрических и других ком­ плексов с пониженной симметрией е « 102 103.

Большей интенсивностью до е « 104 -г 105 обладают спектры с пере­ носом заряда. Эти спектры соответствуют переходу электрона из одного атома или кластера на другой. Переходы происходят между молекуляр­ ными орбиталями, локализованными на разных атомах. Электрон при этом переходит с лиганда L на металл М: M L -» М~. Частоты в макси­ муме поглощения соответствуют ультрафиолетовой или видимой области с энергией 3 6 эВ. К спектрам с переносом заряда относятся переходы с тг-орбитали лиганда на d -орбиталь металла или с d-орбитали металла на разрыхляющие тг*-орбитали лиганда. По спектрам с переносом заряда можно определить положение d-уровней переходного металла в зонной структуре вещества. Так, например, для оксидов первого переходного периода возможны два типа переходов с переносом заряда: из 2р-зоны кислорода на 3d-ypoBHH металла и с 3d-уровней в 35-зону кислорода.

Спектры, использующие оптическое вращение света — круговой дихроизм (КД) и магнитный круговой дихроизм (МКД) используются как для отнесения линий оптических спектров, так и для определения абсолютных конфигураций молекул.

Плоскополяризованный свет, проходя через оптически активное ве­ щество, меняет плоскость поляризации на угол а , выражаемый как

71/ — пг

а =

(2.46)

~ Х

~ ’

где нижние индексы обозначают направление вращения, п соот­ ветствующий показатель преломления. Величина удельного вращения записывается как

М - 5 ’

<147)

где с —■ концентрация оптически активного вещества, d — толщина образца.

Кривая дисперсии оптического вращения (ДОВ) представляет собой зависимость удельного или мольного вращения от А. Если плоскость поляризации вращается по часовой стрелке (наблюдатель смотрит вдоль распространения света), то [а] принимается положительным, если про­ тив — отрицательным.

Метод КД основан на определении доли оптически активных ве­ ществ, поглощающих правую или левую компоненту поляризованного по кругу света. Все оптически активные вещества проявляют КД в области

2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия

87

соответствующей полосы поглощения. Молярный КД £ i~ er определяется по формуле

ei- e r = ? ^ ,

(2.48)

где к — коэффициент поглощения, который определяется из соотношения

J = /о • 10 -kd

Построение зависимости £/ - ег от А дает кривую КД.

Для получения спектров МКД необходимо воздействие внешнего или внутреннего магнитного поля в образце. Если плоскополяризованный свет проходит через вещество, находящееся в магнитном поле, компонента которого в направлении распространения света отлична от нуля, то вещество становится оптически активным. Левая и правая компоненты поляризованного спектра взаимодействуют с полем разными способами. Например, для атомов левая компонента поляризованного по кругу света вызывает переходы с А т = -1 , а правая компонента — с А т = +1. В спектрах это проявляется в появлении линий £/ и ег разного знака.

2.6.2. Колебательная спектроскопия

Колебания атомов на поверхности твердого тела и колебания или вра­ щения молекул или кластеров, адсорбированных на поверхности, могут изучаться методами инфракрасной спектроскопии. Применяются мето­ ды адсорбционной спектроскопии с применением стандартных приборов. Однако для исследований поверхности эффективно применяются методы отражательно-адсорбционной инфракрасной спектроскопии (ОАИКС), спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) и спектроско­ пия характеристических потерь энергии электронов высокого разрешения (СХПЭЭВР).

В методе ОАИКС измеряется поглощение инфракрасного излучения, связанного с возбуждением поверхностных колебаний адсорбата после отражения от плоской поверхности подложки, например металла. Когда частота света совпадает с собственной частотой дипольно активного ос­ циллятора — молекулы или кластера на поверхности, у поля излучения отбирается энергия. Эта энергия переходит в тепло в результате ангармо­ нического взаимодействия осциллятора с системой. Взаимодействие меж­ ду излучением и колеблющимся диполем осуществляется через электри­ ческое поле света, действующего на эффективный заряд осциллирующего адсорбата. Длина световой волны велика по сравнению с межатомным расстоянием, так что соседние диполи будут возбуждаться практически синфазно. Для решетки поверхностного адсорбата это соответствует тому, что волновой вектор кц поверхностной волны мал (кц —- составляющая волнового вектора, параллельная поверхности). Можно выразить кц через волновой вектор падающего света kt и угол падения 0,- по отношению к нормали в виде

кц = kL sin#,-.

(2.49)

88

Глава 2. Методы исследования

Рис. 2.39. Схема ОАИКС: 1 — ионная пушка; 2 — зонд измерения потенциала; 3 — окно; 4 — направление отраженного излучения к приемнику; 5 — фоновый свет; 6 — ионный монометр; 7 — образец; 8 — окно; 9 — входящий пучок излучения от монохроматора

ИК спектр отражения адсорбированным слоем может быть получен из измерений потерь на отражение в области полос поглощения, что

исоставляет основу ОАИКС. Кроме того, можно измерять эллиптич­ ность отраженного плоскополяризованного света, что является следстви­ ем изменения фаз и амплитуд при отражении от металла составляющих электрического поля, вектор напряженности которых параллелен плос­ кости падения (р-поляризация) и перпендикулярен ей («-поляризация). Такого рода И К спектроскопия носит название эллипсометрии. Погло­ щение ИК излучения тонкими пленками усиливается при увеличении 0,

иэффективно для р-поляризации. Таким образом, методом ОАИКС мож­ но исследовать колебания, которые имеют нормальную к поверхности составляющую дипольного момента.

Схема применения ОАИКС приведена на рис. 2.39.

Увеличение чувствительности и накопления результатов поглоще­ ния в поверхностном слое требует применения техники многократного отражения. Однако каждое дополнительное отражение сопровождается потерей энергии, связанной с неидеальной отражательной способностью металлов. В связи с этим, большое число отражений уменьшает в ре­ зультате величину сигнала и, кроме того, такая конструкция неудобна, особенно для исследования поверхности монокристаллов.

Поэтому в ряде случаев применяется однократное отражение типа установки на рис. 2.39, которая использовалась для исследования поверх­ ности монокристалла меди. В обычных условиях интенсивность спектров

2.6. Оптическая и колебательная спектроскопия

89

отражения записывается до и после адсорбции, проводимой, например, с помощью ионной пушки, и затем измеряется их разность спектров. Остается, однако, проблема фона и шума, понижающих чувствитель­ ность. Здесь, как и во многих приборах и методах, применяется модуля­ ция по длине волны или модуляция поляризации. Модуляция по длине волны может создаваться колебанием положения щели монохроматора, зеркала перед щелью или диспергирующего элемента. В результате мо­ дуляции на детекторе возникает сигнал, пропорциональный производной обычного спектра той же частоты. Сигнал производной быстро меняется при сканировании в области пиков поглощения адсорбата и усиливает слабые, но относительно узкие полосы поглощения, наложенные на ин­ тенсивный, но гладкий фон, обусловленный собственно металлической поверхностью. Таким способом чувствительность спектров однократного отражения достигает 10“2 %.

Одним из адсорбатов, изученных методом ОАИКС, является моле­ кула СО, которая имеет интенсивные полосы поглощения в ИК-области. На рис. 2.40 приведен спектр ОАИКС поглощения СО на поликристаллической и монокристаллической поверхности меди.

Для адсорбции СО на Си{100} характерна полоса при 2 086 см-1, которая при насыщении заполнения поверхности сдвигается до часто­ ты 2 094 см-1 без уширения. Узость полосы при 2 094 см” 1 позволяет предположить, что связь связь между СО и поверхностью слабо меняется в зависимости от положения на поверхности. Эта полоса существенно отличается от полос, обнаруженных для поликристаллических пленок

Рис. 2.40. Спектры ОАИКС на поликристаллинеекой пленке меди (1) и положение полос поглощения СО на различных поверхностях монокристалла меди [27]

90 Глава 2. Методы исследования

и пленок, нанесенных на монокристаллическую медную подложку и рас­ положенных при 2 100-г 2 103 см-1. Подобные результаты получены и для грани Си{111}, для которой наблюдается еще большее отличие полосы при 2 075 см "1 от полос пленок. Так как результаты для граней с боль­ шими индексами {НО}, {211} и {311} значительно ближе к результатам для поликристалла, можно сделать вывод о том, что в поликристаллических или в нанесенных на монокристалл пленках меди преобладают ступенчатые или высокоиндексные плоскости.

В методе СХПЭЭВР измеряются спектры характеристических потерь пучка электронов после его взаимодействия с колеблющимися на поверх­ ности молекулами и кластерами. При приближении электрона к поверх­ ности электрическое поле электрона обуславливает его взаимодействие с электрическим диполем подобно методу ОАИКС. Однако из-за дальнодействующего характера кулоновского поля основное взаимодействие возникает на больших по сравнению с атомными расстояниях от по­ верхности. В этих условиях поле на атомных масштабах практически од­ нородно и возбуждаются только длинноволновые поверхностные долны. В ОАИКС поле периодично во времени и поэтому возбуждается только основная частота гармонического осциллятора. В спектроскопии потерь энергии электрона могут возбуждаться все частоты с пуассоновским рас­ пределением вероятностей возбуждения. Альтернативная трактовка взаи­ модействия электрона с поверхностными волнами основывается на том, что электрическое поле диполь-активной поверхностной волны иници­ ирует взаимодействие, действующее на электрон. Это взаимодействие достигает максимума, когда скорость электрона вдоль распространения волны совпадает с фазовой скоростью о;в/кц, где ш$ — собственная ча­ стота поверхностной волны, т. е. электрон ведет себя подобно «серферу». Как и в ОАИКС, величина кц мала по сравнению с вектором обратной решетки. Такой механизм известен как дипольное рассеяние.

Хотя для малых углов вблизи зеркального направления рассеяния ме­ ханизм дипольного рассеяния преобладает, вне этого дипольного лепестка или при больших углах рассеяния наблюдается рассеяние, объясняемое ударным механизмом. Вклад ударного рассеяния определяется коротко­ действующей частью взаимодействия электрона с молекулой и поэтому угловое распределение неупруго рассеянных электронов относительно широко. Фактически при короткодействующем взаимодействии электрон не реагирует на электрическое поле (колеблющиеся частицы адсорбата) на расстоянии большем, чем ~ lA от поверхности металла, в которую электрон затем проникает на глубину около 10А. Поэтому неупругое рас­ сеяние происходит, когда электрон находится уже внутри твердого тела, а не в пространстве над ним.

Таким образом, рассеяние на малые углы вокруг зеркального на­ правления дает потери энергии электронов, обусловленные возбуждением колебательных мод, которые связаны с изменением составляющей ди­ польного момента перпендикулярной поверхности металла. В процессе

Соседние файлы в папке книги