Особенности детектируемого энергетического спектра электронов при разных факторах возбуждения

Если на поверхность кристалла падает электронный пучок и измеряется распределение эмитируемых электронов по энергии, то это распределение имеет вид, представленный схематически на рис. 3.1. Обычно электроны разбиваются на группы, возникновение и различия которых уже кратко обсуждались в разд. 3.2.1.

Остановимся более подробно на некоторых моментах, важных для спектроскопии.

Пик, расположенный при энергии, равной энергии первичного падающего пучка (см. рис. 3.1), соответствует упруго рассеянным электронам и дает сигнал, детектируемый при дифракционных экспериментах. Обычно принимается, что этот пик включает в себя электроны, которые могли рассеяться на фононах, поскольку в большинстве приборов столь малые переданные энергии не могут быть зафиксированы. Под неупруго рассеянными электронами подразумевают те, которые потеряли энергию по крайней мере в одном акте рассеяния. Электроны, претерпевшие более 2-х актов рассеяния, дают вклад в бесструктурный спектр, простирающийся от самых низких энергий до упругого пика. С другой стороны, те электроны, которые в единичном акте теряют энергию на возбуждение дискретного квантового состояния, в спектре распределения электронов по энергии образуют слабые пики, которые отстоят от упругого пика на эту дискретную величину энергии. Кроме того, в континууме электронно-дырочных возбуждений (межзонные переходы) при наличии четкой структуры начальной (заполненной) и конечной (пустой) плотностей состояний могут возникнуть дополнительные пики. Такие межзонные переходы обычно приводят к потерям энергии порядка нескольких эВ, тогда как потери на плазмонах составляют ~ 10−30 эВ, ионизационные потери — от нескольких десятков до 1000 эВ и более. Потери на возбуждение фононов составляют менее 1 эВ.

Большинство истинных вторичных электронов приводит к возникновению очень интенсивного пика в энергетическом спектре при энергии ~ 50 эВ и менее (рис. 3.1). Предполагается, что эти электроны возникают в результате «каскадных» процессов потери энергии первичными высокоэнсргетичсскими электронами. В дополнение к этому могут возникать слабые пики, обусловленные эмиссией электронов, связанной с релаксацией некоторых типов возбужденных состояний, которые инициируются в области поверхности падающим первичным пучком. Хотя такие особенности могут проявляться при энергиях меньше 20 эВ, отвечающих межзонным электронным переходам и из верхних зон в континуум (выше уровня вакуума), или в результате релаксации плазмонов через одночастичные возбуждения, среди процессов этого типа доминирует испускание оже-электронов.

Если электронная эмиссия возбуждается нс электронным пучком, а любым другим способом (ионами, фотонами), в спектре энергий должны проявляться те же основные составляющие, что и при возбуждении электронами.

Наиболее известный альтернативный (электронному) метод возбуждения состоит в использовании пучка фотонов. При таком способе возбуждения протекают те же нсупругие вторичные процессы. Однако в зависимости от природы возбуждающего пучка может радикально меняться отношение сигнал/шум, так что в целом измеряемый энергетический спектр оказывается другим. Действительно, с одной стороны, в случае электронного зондирования все электроны, которые детектируются в конечном счете, испытывали упругое отражение в обратном направлении (обычно с эффективностью меньше 1%) либо упругое и неупругое соударения, либо они возникали в результате некоторого вторичного процесса. В результате получается плохое отношение сигнал/шум для дискретных потерь и процессов вторичной эмиссии, по крайней мере при энергиях, меньших энергии упругого пика. С другой стороны, при фотонном зондировании фотоионизация сопровождается эмиссией электронов, при которой обычно 50% эмиссии направлено к поверхности, не испытывая упругого рассеяния с изменением направления на обратное. Таким образом, в случае зондирования фотонами отношение сигнал/шум обычно значительно лучше, чем при зондировании электронами. Действительно, если энергия падающих фотонов достаточно мала (например, 21,2 эВ в УФЭС), то даже низкоэнергстический пик вторичных электронов не полностью доминирует в спектре, как это имеет место в случае возбуждения электронным пучком. В РФЭС, однако, при более высоких энергиях фотонов (например, 1253 эВ) большой низкоэнергетический пик истинных вторичных электронов все же приводит к серьезным потерям в отношении сигнал/шум при низких кинетических энергиях.

На рис. 5.13 показан типичный спектр РФЭС, в котором присутствуют оже-электроны тех же энергий, что и под воздействием зондирующего электронного пучка. Однако в случае возбуждения рентгеном эти оже-электроны не столь хороню проявляются из-за худшего отношения сигнал/шум. Каждый пик с дискретной энергией сопровождается заметным неупругим электронным хвостом. Это придает спектру РФЭС вид ломанной спадающей кривой. Этому способствует также то, что каждый новый акт дискретной эмиссии из атома открывает канал возникновения первичных электронов с высокой энергией, которые затем неупруго рассеиваются. Такие индивидуальные неупругие хвосты могут, вероятно, быть отнесены первоначально к фотоионизационным актам, происходящим на расстояниях от поверхности, значительно превышающих среднюю длину свободного пробега для неупругого рассеяния электронов. Таким образом, только неупруго рассеянные электроны, являющиеся следствием этих актов ионизации, могут детектироваться вне поверхности. Этот эффект особенно ярко выражен в фотоэмиссии из-за большего (по сравнению с глубиной выхода электронов) проникновения падающего пучка фотонов.

Рис. 5.13. Типичный спектр РФЭС, полученный с использованием фотонов с энергией 1253 эВ (MgKJ, не показана очень интенсивная эмиссия вторичных низкоэнергетических электронов

В заключение настоящего раздела подчеркнем важнейшие моменты, относящиеся к физике электронной спектроскопии.

Большое число методов электронной спектроскопии поверхности включает в себя детектирование электронов с энергией в интервале 5−2000 эВ, которые испускаются поверхностью или рассеиваются на ней при известных способах возбуждения электронной эмиссии (разд. 3.2). Для многих из этих методов характерна общность ряда свойств. В частности, высокая поверхностная чувствительность всех методов вытекает из того факта, что электроны в этой области энергий обладают высокой вероятностью неупругого рассеивания. Следовательно, если оказывается, что энергия детектируемых электронов не изменилась в процессе выхода за пределы поверхности, то можно быть уверенным, что электроны эмитированы из очень тонкого поверхностного слоя (то есть в этом случае метод является поверхностночувствительным).

Электрон с энергией порядка 5−2000 эВ, проходящий через твердое тело, может терять энергию разными путями. Рассмотрение процессов рассеяния электрона с такими энергиями при его движении в твердом теле приводит к заключению, что основными процессами, приводящими к потере энергии, являются:

a) рассеяние на плазмонах;

b) одночастичные электронные возбуждения, включающие валентные электроны;

c) ионизация остовных атомов.

Последний из перечисленных процессов лежит в основе нескольких методов спектроскопии остовных уровней атомов. Однако связанные с ним сечения малы по сравнению с сечениями для других (а и Ь) процессов, и средняя длина свободного пробега для ионизации остовных атомов по крайней мерс на два порядка больше величины средних свободных пробегов для других двух процессов.

Результаты расчетов и экспериментального измерения средней длины свободного пробега электронов однозначно доказывают, что средняя длина свободного пробега электронов во всей рассматриваемой области энергий порядка нескольких десятков ангстрем (или меньше), а в оптимальном энергетическом интервале (50−200 эВ) обычно меньше, чем 10 А. Таким образом, любой метод, использующий анализ электронов с дискретной энергией в этой области энергий, испускаемых или рассеянных твердым телом, чрезвычайно чувствителен к поверхности и позволяет зондировать только несколько первых атомных слоев. Эту важную роль неупругого рассеяния электронов при определении поверхностной чувствительности можно по-настоящему понять при рассмотрении возможных аналитических методов, основанных на детектировании имитируемых электронов или фотонов при возбуждении эмиссии падающими электронами или фотонами.

Вопросы для самопроверки

• 1. Что называют глубиной выхода электронов? Как соотносятся длина свободного пробега электронов и глубина выхода вторичных электронов?
• 2. Как средняя длина свободного пробега электрона зависит от типа металла?
• 3. Как частота плазменных колебаний свободных электронов в твердом теле связана с их плотностью? Как связаны энергии объемных и поверхностных плазмонов?
• 4. Что такое приведенная энергия, в каких единицах она измеряется?
• 5. Расскажите о следующих оже-процессах: KLL, KLM, KLV, КУ, У₂.
• 6. Какие типы рентгеновского излучения Вам известны? Чем они принципиально отличаются?
• 7. Какими факторами воздействия на поверхность может возбуждаться оже-электронная эмиссия?
• 8. Что называют массовым пробегом электрона?
• 9. Какой пробег называют пробегом электронов относительно возбуждения плазмонов? Относительно других возбуждений (каких?)?
• 10. За что А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию?