Физические методы исследования поверхности и наноструктур

1. Каф.78 Института ЛаПлаз Борисюк Петр Викторович [email protected]

«Физические методы исследования
поверхности и наноструктур»
Каф.78 Института ЛаПлаз
Борисюк Петр Викторович
[email protected]
1

2.

Насколько мал нанометр?
Молекула ДНК
Диаметр молекулы ДНК – 2.2 нанометра (нм) ~ 2.2 · 10-9 м
46 ДНК в одной клетке человека
Длина молекул ДНК в одной клетке человека ~ 2 м
Общее количество клеток в человеке ~ 1013 штук
4.3 см
Общая длина всех молекул ДНК
в человеке ~ 2 · 1013 м = 2 · 1010
км
Диаметр Солнечной системы – 9 · 109 км
Как это возможно?
Общий объем всех молекул ДНК в человеке –
2.2 · 10-9 м
¼ π (2.2· 10-9 )2 м2 · 2 м · 1013 = 7.6 · 10-5 м3
= объему куба со стороной 4 см !

3.

Что такое наночастица?
(нанокластер, квантовая точка)
Это частица с диаметром от 1 до 100 нм
Число атомов в наночастице – 102 - 106
d=1-100 нм
Наночастицы занимают промежуточное
состояние между атомами и объемным веществом
Атом
Наночастица
Объемное вещество
«Сколько раз можно делить яблоко, чтобы оно осталось яблоком?»

4.

Свойства наночастиц
Свойства зависят от материала и размера наночастицы!
1) Наночастицы менее 2 нм в диаметре перестают проводить ток
2) Температура плавления уменьшается с уменьшением размера наночастиц
3) Каталитическая активность увеличивается с уменьшением размера наночастиц
4) Изменяются электронные и оптические свойства
Применение:
1) Электроника (процессоры, и т.д.)
2) Медицина (доставка лекарств)
3) Химическая промышленность (красители)
4) Новые катализаторы

5.

Зачем это нужно?
Микро- и нано- электромеханические системы (МЭМС и НЭМС
www.sandia.gov
400 мкм
Микрофон
www.sandia.gov
50 мкм
Наноредуктор
www.sandia.gov
100 мкм
Датчик ядовитых газов
Датчик кровяного давления
Нанообъекты с заданными физическими свойствами

6. Лекция 1

Таблица 1 Основные физические методы исследования наноструктур и
поверхности, сгруппированные по типам воздействия на исследуемый объект и
регистрируемого сигнала. hv – электромагнитное излучение, е-, N± - пучки
ускоренных электронов и ионов, Т – температура.
Регистрируемый сигнал
hν
Воздействие на исследуемый объект
hν
е-
N±
T,
прочее
N±
е-
РСА,
РЭС, РАС,
ПТСРСП, ОСРСПа
РФЭС, УФЭС,
ФЭС, РОЭС
РСМА, ИФЭС
ОЭС, СОЭМ,
ДМЭ, ДБЭ,
СХПЭЭ,
ПЭМ, РЭМ
ИНС
поле,
ПЭМ, СТМ,
СТС
прочее
СРМИ,
СРБИ, ОРР,
ВИМС
ПИМ, ТПД
АСМ,
МСМ

7. Лекция 1

Разные методы позволяют получить различную информацию об
исследуемом объекте: информация об их атомной структуре, элементном
составе и электронных свойствах.
Возможности основных методов исследования наноструктур и поверхности
с точки зрения получаемой с их помощью информации.
Метод
Русское
Английское
название
название
РСА,
XRD,
ДМЭ/ДБЭ,
LEED/HEED,
ПЭМ, РЭМ,
TEM, SEM,
ПЭМ, ПИМ,
FEM, FIM,
АСМ, МСМ
AFM, MFM
СТМ/СТС
STM/STS
СРБИ, ОРР
HEIS, RBS
СРМИ
LEIS
ПТСРСП
EXAFS
ОСРСП
XANES
ОЭС, СОЭМ
AES, SAEM
РСМА
EDX/WDX
ВИМС
SIMS
РАС, РЭС
XAS, XES
ТПД
TPD
РФЭС/ЭСХА
XPS/ESCA,
ФЭС, РОЭС
PES, XAES
УФЭС,
UPS, IPES
ИФЭС
СХПЭЭ
EELS
ИНС
INS
Атомная
структура
Элементный
состав
Электронные
свойства
+
-
-
+
+
(+)
+
(+)
-/+
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
(+)
+
+
(+)
(+)
+
-
-
+
-
-
+
+
7

8. Лекция 1

Расшифровка сокращенных названий методов:
РСА (XRD) – рентгеноструктурный (или рентгенодифракционный) анализ
РЭС (XES)– рентгеновская эмиссионная спектроскопия
РАС (XAS) – рентгеновская абсорбционная спектроскопия
ПТСРСП (EXAFS)– протяженная тонкая структура рентгеновского спектра
поглощения
ОСРСП (XANES) – околопороговая структура рентгеновского спектра
поглощения
РФЭС (XPS) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия = ЭСХА –
электронная спектроскопия для химического анализа
УФЭС (UPS) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия
ФЭС (PES) – фотоэлектронная спектроскопия
РОЭС (XAES) – возбуждаемая рентгеновским излучением ожеэлектронная спектроскопия
РСМА (EDX/WDX) – рентгеноспектральный микроанализ
(энергодисперсионный / с волновой дисперсией)
ИФЭС (IPES) – инверсионная фотоэмиссионная спектроскопия
ОЭС (AES) – оже-электронная спектроскопия
СОЭМ (SAEM) – сканирующая оже-электронная микроскопия
ДМЭ (LEED) – дифракция медленных электронов
ДБЭ (HEED) – дифракция быстрых электронов
8

9. Лекция 1

Расшифровка сокращенных названий методов:
СХПЭЭ (EELS) – спектроскопия характеристических потерь энергии
электронами
ПЭМ (TEM) – просвечивающая электронная микроскопия
РЭМ (SEM) – растровая электронная микроскопия
ИНС (INS) – ионно-нейтрализационная спектроскопия
СРМИ (LEIS) – спектроскопия рассеяния медленных ионов
СРБИ (HEIS) – спектроскопия рассеяния быстрых ионов
ОРР (RBS) – обратное резерфордовское рассеяние
ВИМС (SIMS) – вторично-ионная масс-спектроскопия
СЗМ (SPM) – сканирующая зондовая микроскопия
СТМ (STM) – сканирующая туннельная микроскопия
СТС (STS) – сканирующая туннельная спектроскопия
АСМ (AFM) – атомно-силовая микроскопия
МСМ (MFM) – магнитно-силовая микроскопия
ПЭМ (FEM) – полевая эмиссионная микроскопия
ПИМ (FIM) – полевая ионная микроскопия
ТПД (TPD) – температурно-программируемая десорбция
9

10. Лекция 1

Основные характеристики СВВ систем для анализа поверхности:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Элементы вакуумной камеры из нержавеющей стали.
Вакуумные уплотнения из металла (Au или Cu).
Возможность прогрева установки до ~ 470 К.
Безмасляная откачка.
Комбинация нескольких аналитических методов в одной системе.
Многокамерная СВВ система:
- шлюзовая камера;
- камера препарирования;
- камера анализатора;
7. Многоступенчатая система откачки:
- предварительная откачка от атм. до p~10-2÷10-4 Торр (форвакуумные
насосы);
- откачка СВВ камер до p~10-9÷10-11 Торр (диффузионные, ионные,
турбомолекулярные насосы).
10

11. Лекция 1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Физический принцип. Качественный анализ спектров. Интенсивность.

Историческая справка.
Нобелевский лауреат Кай Зигбан (1918-2007), Университет
Уппаслы, Швеция.
Открытие фотоэффекта (Герц, 1887),
исследования Резерфорда,
уравнение фотоэффекта (Эйнштейн),
открытие оже-эффекта (П.Оже, 1925),
исследования спектроскопии бета-излучения (Зигбан, с 1940-х),
первый РФЭ спектр (1954),
химсдвиг (1958),
стандартные спектрометры (с 1970-х).
Отличительные особенности РФЭС:
- исследование приповерхностных слоёв (длина пробега λ = 5–25 Å для
металлов и оксидов и λ = 40–100 Å для органических материалов и
полимеров);
- неразрушающий метод контроля поверхности;
- чувствительность к локальной электронной плотности, анализ
химического состава образцов.
11

12. Лекция 1

Физические принципы РФЭС: ФОТОЭФФЕКТ.
ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯРЕКОМБИНАЦИЯ
h BE j BE k
KE jkl BE j BE k BE l
hν = KE + BEj + φ
ОЖЕРЕКОМБИНАЦИЯ
12

13. Лекция 1

Измерение энергии связи для проводящих и непроводящих образцов
KE hv BE
KE hv BE sp
KE KE sp
BE hv KE sp
13

14. Лекция 1

Рентгеновские и спектроскопические обозначения электронных уровней
Число
электронов
в оболочке
Квантовые
числа
2
n
1
6
2
l
0
0
1
0
10
3
1
2
j
1/2
1/2
1/2
3/2
1/2
1/2
3/2
3/2
5/2
Рентгеновский
индекс
Спектроскопическое
обозначение уровня
(РФЭС)
Рентгеновское
обозначение
уровня (ОЭС)
1
1
2
3
1
2
3
4
5
1s1/2
2s1/2
2p1/2
2p3/2
3s1/2
3p1/2
3p3/2
3d1/2
3d3/2
K
L1
L2
L3
M1
M2
M3
M4
M5
РФЭС
14

15. Лекция 1

Качественный анализ спектров:
обзорный РФЭ спектр <---> электронные оболочки
15

16. Лекция 1

Количественный анализ спектров. Расчет интенсивности.
I = A∙B∙C,
A — характеристика процесса фотоионизации (вероятность ионизации атома
рентгеновским излучением),
B — характеристика образца (длина свободного пробега фотоэлектронов в
образце),
C — аппаратный фактор (регистрация вылетевших из образца
фотоэлектронов).
Сечение фотоионизации
nl ~ f Hˆ i
2
4 a02
2
*
hv ph r nl dr
3
Дифференциальное сечение фотоионизации
d nl nl
d
4
1 3 2
1
sin
1
2 2
1 2
A k
nl
4
1 3 2
1
sin
1
2 2
16

17. Лекция 1

Длина свободного пробега
Величина λ определяется неупругими потерями энергии
фотоэлектронов при движении в твёрдом теле.
Виды неупругих потерь:
-
рассеяние фотоэлектронов на фононах, ΔEph ≤ 0.01 эВ;
рассеяние фотоэлектронов на плазмонах, ΔEpl ≈ 5÷25 эВ;
одночастичные электронные возбуждения (переход электронов из
валентной зоны в возбуждённое состояние), ΔEее ~ 10 эВ;
ионизация фотоэлектроном остовов (возбуждение остовных электронов),
ΔEост = 10÷1000 эВ.
1
A
2
B
KE
KE 2
B c e d /
17

18. Лекция 1

Аппаратный фактор
Пропускающая способность T анализатора электронов - отношение
числа фотоэлектронов, попадающих на детектор электронов (на
выходе анализатора), к общему числу фотоэлектронов, испущенных
из образца в пределах телесного угла
A0
C I0
T ( KE) F ( KE)
sin
Режимы работы анализатора:
с постоянным коэффициентом
замедления (FRR — fixed retardation rate)
KE2 ~ KE1
TFRR ~ KE1
постоянной энергией пропускания
(FAТ — fixed analyzer transmission).
KE2 const
KE 2
TFAT ~
n
KE1
18

19. Лекция 1

Интенсивность фотоэлектронной линии
A0
nl
I I0
T ( KE) F ( KE) k
sin
4
1 3
c1 1 1 1 sin 2 1 1k1 KE 2
I1
2 2
I2
1 3 2
c 2 2 1 2 sin 1 2 k 2 KE1
2 2
Фактор чувствительности S
c1 I1 / S1
c2 I 2 / S 2
1 3 2
1
sin
1
c e
2 2
~ E
I1 c1 1 KE 2
I 2 c 2 2 KE1
Элемент
F1s
Cu2p3/2
Au4f
Si2p
d
I1 c1 1
I 2 c2 2
Фактор чувствительности
1
4.3
1.9
0.17
Относительная атомная концентрация элемента в образце
cx
Ix / Sx
nx
ci I i / S i
i
i
19

20. Пример: обзорный спектр и относительная атомная концентрация элементов в поверхностном слое образца

NaKLL
O1s
↓
N1s
↓
O KLL
Na1s
C1s
1000.00
750.00
500.00
Binding energy, eV
S2s
250.00
S2p
Na2s
Na2p
0.00
20

21. Лекция 1

Расчет энергии связи электрона
Метод Хартри-Фока
1. Энергия начального состояния системы
Волновая функция системы в виде
детерминанта Слэтера
E
BE j E f ( j ) E i
i
1
x1 ,..., x N
N!
Гамильтониан системы из N электронов и M ядер с зарядом Z
1 x1
1 x2
2 x1 ...
2 x 2 ...
N x1
N x2
...
...
...
...
1 x N 2 x N ... N x N
N M
Zl e2
Zl Z me2
2 N
e2
H
i
2m i 1
r
rlm
i 1 l 1
k j rkj
l m
il
Уравнения Хартри–Фока для одноэлектронных волновых функций
Одноэлектронная орбитальная энергия
2
2
M
n
Zl e
2m 1 r
l 1
1l
r
2
J
K
r
r
k
i 1
i i 1
i 1 k
k 1
2
* e
J k i r1 k r2 i r1 k r2 dr
r12
2
* e
K k i r1 k r2 i r2 k r1 dr
r12
Полная энергия системы в начальном
состоянии:
n
i
i
n
i 1
0
i
i ,k 1
2 J ik K ik
0
i
0
H i r1 i i r1
0
Кулоновский интеграл
k 1
M
Zl e2
2
H
1
2m
l 1 r1l
0
2
e
J ik i J k i r1 k* r2 i r1 k r2 dr1dr2 ,
r12
*
i
Обменный интеграл
2
e
K ik i K k i r1 k* r2 i r2 k r1 dr1dr2
r12
E H 2 2 J ik Kik
i
i
n
HF
i
*
i
21

22. Лекция 1

Расчет энергии связи электрона
2. Энергия конечного состояния системы
BE j E f ( j ) E i
Ef
Теорема Купманса (приближение «замороженных» орбиталей, метод А)
E
f
j
0
j
2
i j
0
i
n
2 J
i ,k 1
Kik 2 J ij Kij
n
ik
i 1
расчет
Е=ВЕ
3. Энергия связи в приближении теоремы Купманса:
эксп
- ВЕ
BE j 2 J ij K ij HF
j
n
0
j
i 1
А
Метод В – учет релаксации электронной
подсистемы
R R R
in
В
А
В
ex
Энергия релаксации R
(внутриатомная и межатомная)
BE j hv KE j
HF
j
Rj
22

23. Лекция 1

Структура РФЭ спектров. Ширина линии. Форма линии.
Спин-орбитальное расщепление.
Первичная структура РФЭ спектра:
а) линии остовных уровней с эВ;
б) линии валентных уровней с эВ;
в) линии оже-электронов, возбуждаемых
рентгеновским излучением.
1. Спектры остовных уровней
- Интенсивность линии, I;
- Ширина линии на половине высоты (FWHM), W;
- Форма линии, I(E).
1) Ширина линии:
-
Собственная ширина уровня ;
Приборное уширение:
Ширина рентгеновской линии Whv;
Уширение анализатора Wsp
W 2 Whv2 Wsp2
~ /
Whv (MgKα)=0.68 эВ, Whv (AlKα)=0.83 эВ
23

24. Лекция 1

2) Форма линии:
- Если
Whv Wsp 0 и
- Если
I ( E ) ~ ( E E0 )
I (E) ~
( E E0 )
2
2
Лоренцева форма линии
- Учет «катастрофы ортогональности» Андерсона – возбуждение
электрон-дырочных пар вблизи поверхности Ферми при «внезапном»
включении потенциала остовной дырки:
I e h ( ) ~ 1 / 1
– индекс сингулярности Андерсона 0 1
E E0
cos
(1 ) arctan
2
I DS ( E ) ~
1
2
2
( E E0 ) 2
сингулярный спектр e-h пар
выражение Дониаха-Шуньича
- Учет приборного уширения
( E E0 ) 2
Гауссова форма
I sp E ~ exp
2
2
линии
I ( E ) I 0 I DS ( E E ) I sp ( E )dE
24

25. Лекция 1

Спин-орбитальное расщепление уровней
l
l
s
p
d
f
0
1
2
3
Z
Элемент
E2p, эВ
BE2p, эВ
j
l+s
1/2
3/2
5/2
7/2
23
V
7.7
511.95
l-s
1/2
1/2
3/2
5/2
24
Cr
9.3
574.1
I l s / I l s
2:1
3:2
4:3
25
Mn
11.25
638.8
j l s
j l s и (l s )
El s El s
26
Fe
13.2
706.8
27
Co
15.05
777.9
28
Ni
17.4
852.3
E El s El s
29
Cu
19.8
932.4
30
Zn
23.1
1021.5
I l s 2(l 12 ) 1 l 1
1
I l s 2(l 2 ) 1
l
25

26. Лекция 1

Валентные уровни. Серии оже-переходов. Химсдвиг.
Поверхностный сдвиг энергии связи.
2. Спектры валентных уровней
I XPS ( E ) ~ ( E )
РФЭС: плотность заполненных
электронных состояний
IUPS ( E ) ~ noc ( E E ) nun ( E )dE
УФЭС: свертка плотности
заполненных и свободных
электронных состояний
Определение приборного
уширения по размытию
ступеньки на уровне Ферми
26

27. Лекция 1

3. Спектры оже-серий в РФЭС
a
KL L
23 23
1) Серия KLL оже-переходов
(KL1L1, KL1L2, KL1L3, KL2L3, KL2L3,
KL3L3) от B до Na (MgKα), до Mg
(AlKα);
2) Серия LMM, от S до Ge
(MgKα), до Se (AlKα);
б
L3M 23M 45
L3M 45M 45
L3M 23M 23
KL1L23
L2M 23M 23
KL1L1
L2M 45M 45
3) Серия MNN, от Mo до Nd
(MgKα), до Se (AlKα);
460 470 480 490 500 510 520 530
KE, эВ
650
700
750
800
850
900
KE, эВ
Зависимость положения линий
фотоэлектронов и оже-электронов в
шкале ВЕ и КЕ от энергии источника
рентгеновского излучения.
KE jkl BE j BE k BE l
27

28. Лекция 1

Сдвиг энергии связи
Неэквивалентность атомов:
1) различие химического окружения атома (хим.сдвиг);
2) различие пространственного расположения атома в
твердом теле (поверхностный, размерный сдвиг).
1. Химический сдвиг энергии связи
BE BE V
qV (1) qV ( 2)
BE BE (1) BE ( 2) V (1) V ( 2)
rV (1) rV ( 2)
0
Модель зарядового потенциала
1) rV=const,
qi qV
V
rV
i ri
qv 0
- уменьшение плотности валентных
электронов qV (1) qV ( 2)
BE 0
- увеличение плотности валентных
электронов
qV (1) qV (2)
2)
BE 0
qV const
Увеличение радиуса валентной орбитали в
однотипных соединениях приводит к
уменьшению сдвига энергии связи.
28

29. Лекция 1

2. Поверхностный сдвиг энергии связи
BEs BEsurf BEbulk
n 5
BE s 0
Качественная модель для d-металлов
n 5
BE s 0
29

30.

Численный расчет с учетом DOS
Экспериментальное наблюдение
30

31. Лекция 1

Размерный сдвиг энергии связи.
BE BE (d ) BE bulk R
Вклады эффектов начального и конечного
состояний.
Метод оже-параметра
BE j KE jkl
KE jkl BE j BE k BE l
j R j k l Rkl Fkl .
KE jkl j R j k l Rkl Fkl
При условии:
1) j k l
R j Rk Rl R
2) Rkl 4 R
3) Fkl 0
BE j KE jkl
j R j j R j k l Rkl Fkl
2 j k l 2 R j Rkl Fkl .
R / 2,
BE / 2.
31

32. Лекция 1

Вторичная структура РФЭ спектров. Рентгеновские
сателлиты и духи.
Рентгеновские сателлиты - линии характеристического излучения,
возникающего в результате других электронных переходов, приводящих к
излучательной рекомбинации.
Основная линия
K 12 , сателлит K
: 48 эВ для Mg и на 70 эВ для Al
Рентгеновские духи - линии
характеристического рентгеновского
излучения, возникающего вследствие
наличия примесей в материале анода
рентгеновской пушки, а также в
результате бомбардировки
фильтрующего окна рентгеновского
источника вторичными электронами
Для Mg анода:
Al окно: 1253.6 – 1486.6 = - 233 эВ
Cu (анод): 1253.6 - 929.7 = 323.9 эВ
32

33. Лекция 1

Мультиплетное расщепление уровней
hv
(nl q ) core ... ( n l p ) val
( nl q 1 ) core ... (n l p ) val e
~
~
Правила L L l , ... , L l ,
отбора: S~ S 1 , S~ 0,
2
~
Если S L 0 , то L l , S 1 / 2 - одно конечное
состояние
L, S 0
Если
, то несколько конечных состояний
Рассмотрим мультиплетное расщепление остовного s-уровня (l=0).
~ L, S~ S 1/ 2
L
2 ( S 12 ) 1
L 2 S 2 L
2 ( S 12 ) 1
L
2S
L
Два конечных состояния, дублет
E ( L, S 12 ) E ( L, S 12 )
I ( L, S 12 ) S 1
I ( L, S 12 )
S
(2 S 1) K ns,n l при S 0,
E E ( L, S 12 ) E ( L, S 12 )
при S 0.
0
Пример: MnF2
Нач. сост.
6
S
7
( L 0, S
5
2
5
)
Mn 2 1s 2 2s 2 2 p 6 3s 2 3 p 6 3d 5
Конечн. сост.
(Mn 2 ) 1s 2 2s 2 2 p 6 3s1 3 p 6 3d 5
7
S
L 0, S
5
S
L 0, S 2
S
S
7
2
33

34. Лекция 1

Сателлиты встряски, стряхивания и асимметрия спектров
Сателлиты встряски (shake-up) - перестройка электронной системы с
возбуждением валентных электронов в вышележащие свободные уровни
энергии.
Сателлиты стряхивания (shake-off) –
возбуждение валентных электронов из
связанного в свободное состояние
В проводниках – возбуждение e-h пар малой
энергии вблизи поверхности Ферми
(«катастрофа ортогональности» Андерсона)
- асимметрия спектров;
- индекс сингулярности, в борновском приближении:
0.05
F2U 2
Au
F 0.25 эВ-1
Фазовые сдвиги
2(2l 1) l
l
2
Z 2(2l 1) l
l
0.22
Pt
F 2.87 эВ-1
34

35. Лекция 1

Плазмонные возбуждения
dN n 4 r 2 dr
dE
edN
4 endr
2
r
dF edE 4 e 2 ndr
md r dF
d r (4 e 2 n / m)dr 0
Частота объемного плазмона
Поверхностный плазмон
Пример: Al
4 e 2 n
pl
m
E pl pl
surf pl / 1
pl 15.3 эВ, surf 10.8 эВ
35

36. Лекция 1

Аппаратура для РФЭС.
36

37. Лекция 1

СВВ комплекс для анализа новерхности и наноструктур
методами РФЭС, ОЭС и СТМ: MULTIPROBE MXPS VT AF,
Omicron NanoTechnology, 2008 г., Германия
37

38.

38

39.

39

40.

40

41.

41

42.

42

43.

43

44.

Электронный спектрометр ESCA+,
Omicron NanoTechnology GmbH
44

45.

анализатор
ионная пушка
рентгеновская
пушка
монохроматор
Камера
препарирования
Камера анализа
45

46. Лекция 1

1. Источник рентгеновского излучения.
46

47.

Параметры наиболее широко используемых
источников рентгеновского излучения
Материал
Энергия
Ширина
Интенсивность
анода и
hv, эВ
линии Whv, эВ
линии I,
линия
фотон/с.
перехода
Не I
21.2
0.003
1·1012
Не+ II
40.8
0.017
1·1011
132.8
0.450
3·1011
Y M
Mg K
Al K
Ti K
1253.6
1486.6
4510.0
0.680
0.830
2.000
1·1012
1·1012
5·1011
47

48. Лекция 1

48

49.

Спектр поглощения Al «окна» для
обрезания хвоста тормозного излучения
I I 0e
( hv ) z
49

50. Лекция 1

Монохроматор: круг Роуланда
2d sin
Условие дифракции Брэгга-Вульфа
50

51.

51

52.

52

53.

53

54.

54

55. Лекция 1

2. Энергоанализатор
1) Концентрический полусферический анализатор
Разрешающая
способность
e R
KE
2 R
RE KE / KE
2R
RE
S R( / 2) 2
55

56.

Полусферический анализатор СВВ комплекса
MULTIPROBE MXPS VT AFM, Omicron NanoTechnology GmbH
56

57. Лекция 1

2. Энергоанализатор
2) Анализатор типа «цилиндрическое зеркало»: обычно используется в
оже-электронной спектроскопии
RE 5.56R1 / S
57

58. Лекция 1

3. Детектор электронов
Канальный электронный умножитель
58

59. Отжиг системы в течение 24 часов при T=150 C после развакуумирования

Достижение СВВ < 10-10 торр
59

60. Лекция 1

Применение РФЭС для исследования нанообъектов
Эволюция электронной структуры нанокластеров благородных металлов
Нормированные РФЭ
спектры линии Cu2p3/2 и
оже-электронные спектры
перехода Сu L3M45M45 для
металлической меди и
нанокластеров Cu среднего
размера 15 Ǻ на
поверхности графита
Cпектры валентной
зоны нанокластеров
Au размера ~2 нм и
металлического
золота
Зависимости сдвигов энергии связи, энергии
начального состояния и энергии релаксации для
уровня Cu2p3/2 кластеров Cu на поверхности
графита от размера кластеров d
60

61. Лекция 1

Применение РФЭС для исследования нанообъектов
Спектры наноразмерных структур с угловым разрешением AR XPS
61

62.

62

63.

Профили распределения концентрации элементов в образце
Al2O3/SiO2/Si, полученные по результатам анализа методом РФЭС с
угловым разрешением (www.thermo.com)
63

64.

Влияние структуры металлической пленки на РФЭ спектр
Ni2p3/2
Сдвиг 6 эВ сателлита встряски
при вакуумном отжиге
Ni2p1/2
Металлический
Ni
Пленка Ni после
вакуумного
отжига 15 мин
при T=475 C
Напыленная
пленка Ni на
графит
645
640
5.7 эВ
7.1 эВ
635
630
625
Энергия связи, эВ
620
615
64

65.

Исследование окисления никеля
Bulk Ni met=852.8 eV
Ni2p3/2
O in NiO=529.85 eV
O1s
Ni sat
5.9 eV
P(O2)=1*10-6, 345 C
30 min
Clean Ni bulk
NiO sat
NiOmax=854.6 eV
865.00
860.00
P(O2)=1*10-7, 358 C
9 min
P(O2)=1*10-6, 370 C
30 min
P(O2)=1*10-6, 500 C
30 min
P(O2)=1*10-6, 500 C
30 min
P(O2)=1*10-6, 370 C
30 min
P(O2)=1*10-6, 320 C
30 min
P(O2)=1*10-6, 345 C
30 min
6.7 eV
855.00
Binding energy, eV
P(O2)=1*10-6, 320 C
30 min
850.00
P(O2)=1*10-7, 358 C
9 min
532.05 eV
Clean Ni bulk
O подсвечивает
535.00
532.50
530.00
527.50
65

66.

Bulk Ni Исследование окисления и восстановления никеля
NiO 854.6 eV
Ni2p
shake-up
6.8 eV
NiO (окисление в O2)
NiO 529.85 eV
O1s
Ni met
852.8 eV
#6031 s4m+
естественный (гидр-)оксид
никеля (с атмосферы)
NiO
529.85 eV
#6029 s1m
O in Ni(OH)2
531.65 eV
O in H2O
533.35 eV
травление Ar+ 10 мин
530.5 eV
#6029 s2m
shake-up
5.9 eV
отжиг 500 С в вакууме
остаточный
532.35 eV
#6029 s4m
880.00
875.00
870.00
865.00
860.00
Binding energy, eV
855.00
850.00
535.00
532.50
530.00
Binding energy, eV
527.50
66

67.

СПАСИБО ЗА
ВНИМАНИЕ!
67