Компоненти спектрів характеристичних втрат енергії електронів, відбитих плівками Al, In та Ge

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Спектроскопія характеристичних втрат енергії електронів (ХВЕЕ), що відбиваються від поверхні твердого тіла, використовується при вивченні процесів взаємодії електронів з поверхневою областю твердого тіла. Спектр ХВЕЕ формується в результаті пружних та непружних актів розсіяння швидких електронів при взаємодії з твердим тілом і тому несе кількісну інформацію про їх властивості та характеристики. Вивчення процесів взаємодії електронів з поверхнею твердого тіла є особливо важливим в діапазоні середніх енергій електронів (100-1000 еВ). Електрони саме таких енергій використовуються в інших видах електронної спектроскопії (рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, електронна оже-спектроскопія та спектроскопія іонізаційних втрат енергії електронів), які мають прикладне значення. Кількісний аналіз таких спектрів базується на уявленнях про механізми найбільш імовірних непружних взаємодій електронів (розсіяння електронів із збудженням поверхневих та об'ємних плазмонів, а також одночастинкові електрон-електронні взаємодії), які сформовані в результаті досліджень по проходженню високоенергетичних електронів (10-100 кеВ) через тонкі плівки. Проте у діапазоні середніх енергій, коли довжини вільного пробігу та довжина хвилі де Бройля для електронів стають порівнянними з міжатомними відстанями, механізми формування спектрів ХВЕЕ можуть відрізнятись від встановлених для високих енергій.

Так наприклад, в 1995 році було експериментально встановлено явище азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ для плівок Mg, Al, Ge та In у діапазоні енергій 100-1000 еВ, яке полягає в існуванні залежності форми спектрів ХВЕЕ від кута розсіяння електронів , що реєструються. Подібні залежності форми спектрів ХВЕЕ від спостерігались і для інших речовин (W, Cu, Sn, Sm, Er, Au). Факт існування залежності форми спектрів ХВЕЕ від кута розсіяння електронів не може бути описаний моделями, що використовуються в електронній спектроскопії, і він досі не знайшов теоретичного пояснення. Це вочевидь вказує на недостатність знань про механізми взаємодії електронів середніх енергій з поверхневою областю твердого тіла, в результаті якої формується спектр.

Для отримання інформації про процеси взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла, що міститься в спектрах ХВЕЕ у неявному вигляді, необхідно використовувати надійні методи аналізу цих спектрів. В дисертаційній роботі пропонується новий метод аналізу спектрів ХВЕЕ. Він базується на одночасній обробці сукупності спектрів, виміряних для фіксованої енергії первинних електронів при різних геометричних умовах експерименту, які визначаються кутами падіння, розсіяння та виходу електронів для плоскої поверхні мішені. Метод дозволяє виділяти компоненти спектрів, що мають певні особливості і можуть бути використані для отримання кількісної інформації із спектрів ХВЕЕ. Цей підхід застосовується для досліджень форми складових спектрів ХВЕЕ плівок Al, In і Ge та їх кутових залежностей в діапазоні середніх енергій.

Актуальність обраної теми дисертації визначається зростанням наукового інтересу до досліджень процесів взаємодії електронів середніх енергій у поверхневій області твердого тіла (зокрема для вивчення її електронної будови) у зв'язку із розвитком прикладних методів діагностики поверхні та поверхневих наноструктур. Такі дослідження з використанням спектроскопії ХВЕЕ потребують розвитку надійних та інформативних методів аналізу спектрів та їх складових.

Метою досліджень дисертаційної роботи є розробка методу аналізу спектрів характеристичних втрат енергії електронів, що відбиваються від плівкових мішеней, без використання моделей формування спектрів і дозволяє кількісно вивчати форми спектральних складових та зміни їх інтенсивностей при зміні умов експерименту; з'ясування характеру дисперсії звичайного поверхневого плазмону та можливості прояву піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al, In та Ge в діапазоні середніх енергій первинних електронів; кількісне визначення залежності інтенсивностей піків поверхневих та об'ємних збуджень, що складають спектр ХВЕЕ Al, In та Ge в області однократних та двократних втрат енергій, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів.

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішуються такі задачі:

1. Розробка та вдосконалення апаратних та програмних засобів для проведення автоматизованих вимірювань спектрів ХВЕЕ.

2. Вимірювання спектрів ХВЕЕ для плівкових мішеней, виготовлених методом термічного напилювання, в діапазоні енергій первинних електронів від 300 до 800 еВ: для Al - при різних кутах падіння та виходу електронів і фіксованому куті розсіяння електронів; для In та Ge - при різних кутах падіння, виходу та розсіяння електронів.

3. Розробка методики обробки спектрів ХВЕЕ, яка дозволяє проводити аналіз їх форми.

4. Розробка методик визначення компонентів спектрів ХВЕЕ, виміряних в різних геометричних умовах експерименту.

5. Аналіз форми піків поверхневого та об'ємного плазмонів та їх положень в компонентах спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge при різних енергіях первинних електронів з використанням відомих методів розрахунків цих піків на основі діелектричного підходу.

6. Встановлення відносних кутових залежностей інтенсивностей піків поверхневого та об'ємного плазмонів, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів, без використання моделей взаємодії електронів з твердим тілом.

7. Встановлення залежностей нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних втрат енергії від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів з використанням розрахунків форми піків в рамках існуючих теоретичних розробок.

1. Огляд літератури

Який показує, що спектри характеристичних втрат енергії електронів, відбитих від поверхні твердого тіла, можуть бути важливим джерелом інформації про пружні та непружні взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла. Ця інформація визначається електронною будовою поверхневої області (наприклад, профілем електронної густини на границі вакуум-мішень), існуванням об'ємних та поверхневих каналів електронних взаємодій та їх кількісними характеристиками (наприклад, дисперсія та імовірність збудження об'ємних та поверхневих плазмонів) й іншими діелектричними властивостями твердого тіла. Проте така інформація міститься у спектрах неявним чином, і для її визначення необхідне застосування адекватних методів. Загальними методами експериментального дослідження спектрів ХВЕЕ є вивчення кутових та енергетичних залежностей інтенсивностей складових піків та аналіз форми спектрів та їх складових. Існуючі методи таких досліджень базуються на певних припущеннях про форму та кількість піків, що складають спектр ХВЕЕ, (при визначенні інтенсивностей піків) або про досліджувані процеси розсіянь електронів (при визначенні форми спектральних складових). Ці недоліки обмежують інформативність визначених характеристик та область їх використання.

Протягом останнього десятиріччя зростає інтерес до дослідження процесів збудження мультипольного поверхневого плазмону і дисперсії звичайного поверхневого плазмону. Як показують теоретичні дослідження, можливість збудження мультипольних поверхневих плазмонів та існування від'ємної дисперсії звичайного поверхневого плазмону визначаються електронною будовою перехідної області мішень-вакуум. Проте дослідження цих питань методом спектроскопії ХВЕЕ у діапазоні середніх енергій первинних електронів не проводяться навіть на якісному рівні внаслідок відмічених вище недоліків існуючих методик аналізу спектрів.

Якісно встановлений раніше ефект азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ не знайшов свого пояснення. Це свідчить про недостатнє розуміння механізмів формування спектрів ХВЕЕ. Для з'ясування їх природи необхідні кількісні характеристики азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ, зручні для теоретичного аналізу. Однак детальних кількісних досліджень цього ефекту не проводилось.

2. Методика досліджень

Для проведення кількісного аналізу форми спектрів ХВЕЕ була розроблена та виготовлена автоматизована система вимірювань спектрів і розроблені спеціальні програми, необхідні для роботи з базою даних спектрів. Розроблена методика первинної обробки спектрів, використання якої дозволяє коректувати спектри ХВЕЕ з урахуванням нелінійності системи реєстрації, яка виникає при роботі з високим рівнем сигналу. Для проведення коректного порівняльного аналізу форм спектрів ХВЕЕ також була розроблена методика приведення спектрів до однакової апаратної функції.

Запропоновано новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ. Він базується на аналізі сукупності спектрів ХВЕЕ, виміряних в різних геометріях експерименту. Не використовуючи моделі процесів розсіяння електронів у твердому тілі, а також припущення про кількість та форми піків, що входять до складу спектрів, були розроблені дві нові методики для визначення компонентів спектрів ХВЕЕ. Ці компоненти відрізняються наявністю або відсутністю в них піків поверхневого та об'ємного плазмонів. Наші методики дозволяють вивчати форми піків, що входять до складу спектра, та отримувати відносні кутові залежності інтенсивностей піків однократних втрат енергії, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Перша з них - методика визначення так званих S- та V-компонентів за допомогою різницевих спектрів - є математично простою, проте вона дає можливість отримання компонентів лише у випадку, коли форма спектра визначається співвідношенням внесків тільки двох компонентів. Ця методика демонструється на прикладі аналізу зміни форми спектрів ХВЕЕ Al при одночасній зміні кутів між поверхнею мішені та первинним пучком електронів і пучком відбитих електронів, що реєструються енергоаналізатором, при фіксованому куті розсіяння електронів =146 і енергії первинних електронів Ep=500 еВ. Для більш складного випадку, коли форма спектрів ХВЕЕ визначається більшою кількістю компонентів, нами пропонується інша, більш загальна в порівнянні з першою, методика - методика визначення компонентів за допомогою відомого в математичній статистиці методу головних компонентів. Ця методика демонструється на прикладі визначення S-, V- та C3-компонентів спектрів ХВЕЕ In, виміряних при різних значеннях як кутів та , так і кута розсіяння електронів та фіксованій енергії первинних електронів Ep=300 еВ.

3. Аналіз форм компонентів спектрів ХВЕЕ плівок Al, In та Ge, отриманих з використанням запропонованого підходу при трьох обраних значеннях енергій первинних електронів Ep в діапазоні 300-800 еВ

Були визначені форми піків однократних поверхневого та об'ємного плазмонів та встановлено, що вони не змінюються із зміною геометричних умов експерименту.

Був проведений аналіз форм піків поверхневого й об'ємного плазмонів та їх положень з використанням відомих методів розрахунків цих піків на основі діелектричного підходу. Показано, що експериментально визначені форми піків поверхневого та об'ємного плазмонів In можуть бути описані розрахованими формами цих піків при використанні зв'язку між поверхневою та об'ємною діелектричними функціями для стрибкоподібного профілю електронної густини на границі мішень-вакуум, який дає додатну дисперсію поверхневого плазмону. У випадку Al та Ge використання такого ж зв'язку не дозволяє одночасно з піком об'ємного плазмону описати положення і форму піка поверхневого плазмону. Форма піків поверхневих плазмонів Al та Ge може бути описана лише з використанням поверхневої діелектричної функції з від'ємною дисперсією поверхневого плазмону. Тобто дисперсія поверхневого плазмону Al та Ge, на відміну від In, є від'ємною.

Для речовин, дисперсія поверхневого плазмону яких від'ємна, у формах S- та V-компонентів були виявлені особливості між піками поверхневого та об'ємного плазмонів, які не описуються розрахованими формами цих піків. Зі збільшенням енергії первинних електронів прояв цих особливостей в компонентах Al та Ge значно зменшується. Теоретичні дослідження показують, що від'ємна дисперсія поверхневого плазмону можлива для поверхні з плавним профілем концентрації вільних електронів. Для такої електронної будови поверхні можливі збудження так званих мультипольних поверхневих плазмонів, частота яких більша за частоту поверхневого плазмону (звичайного), але менша за частоту об'ємного. Таким чином, враховуючи також відсутність подібних особливостей в компонентах спектрів ХВЕЕ плівки In (дисперсія поверхневих плазмонів якої додатна), зроблено висновок, що виявлені особливості пов'язані з проявом піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al та Ge. В спектрально-інтегральних за хвильовим вектором експериментах по непружному відбиттю електронів, як у нашому випадку, мультипольний поверхневий плазмон спостерігався вперше.

Показано, що для всіх речовин, що досліджувались нами, форми піків двократних втрат енергії спектрів ХВЕЕ визначаються формами піків однократних втрат енергії і можуть бути розраховані на основі існуючих методів, в яких припускається статистична незалежність послідовних непружних взаємодій електронів.

4. Дослідження інтенсивностей піків однократних та двократних непружних розсіянь електронів в спектрах ХВЕЕ плівок Al, In та Ge

Без використання моделей взаємодії електронів у поверхневій області твердого тіла та моделей розрахунку форм піків, що входять до складу спектрів ХВЕЕ, для Al, In та Ge були визначені відносні залежності інтенсивностей піків однократних об'ємного та поверхневого плазмонів, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів.

Використання відомих методів розрахунку форми піків поверхневого та об'ємного плазмонів дозволило визначити нормовані на інтенсивність піка пружно відбитих електронів інтенсивності піків однократних (Js та Jv) та двократних (Jss, Jsv та Jvv) збуджень і побудувати їх залежності від кута розсіяння електронів , кутового параметра =sin-1+sin-1 та енергії первинних електронів.

Для спектрів ХВЕЕ плівки Al вперше вдалось зробити оцінку нормованої інтенсивності піка мультипольного поверхневого плазмону Jm та встановити характер її кутової та енергетичної залежностей. В діапазоні енергій первинних електронів Ep, що досліджувався, нормована інтенсивність цього піка може бути значною порівняно з інтенсивністю піка звичайного поверхневого плазмону. Вона не залежить від геометрії експерименту і різко зменшується при збільшені Ep.

Для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов'язаних із збудженням об'ємних плазмонів, величини Jv, Jsv та Jvv складним немонотонним чином суттєво залежать від кута розсіяння електронів . Збільшення енергії первинних електронів Ep приводить до зсуву максимумів залежностей Jv, Jsv та Jvv від кута в область менших значень . При сталих кутах падіння та виходу електронів нормовані інтенсивності піка об'ємного плазмону Jv можуть змінюватись із зміною кута майже у 3 рази. В той же час, нормовані інтенсивності піків однократного та двократного поверхневих плазмонів Js та Jss слабко залежать від кута розсіяння для обох речовин. Кут майже не впливає на вигляд залежностей нормованих інтенсивностей плазмонних піків від кутового параметра для даного Ep, однак може принципово змінювати характер енергетичних залежностей інтенсивності піка об'ємного плазмону внаслідок зсуву залежності Jv() при зміні Ep. Характер залежностей нормованих інтенсивностей Jv, Jsv та Jvv від кута та його зміна при зміні Ep корелює з диференціальним перерізом пружного розсіяння електронів () для вільних атомів In та Ge. Розглянуті можливі механізми виникнення азимутальної залежності спектрів ХВЕЕ. Робиться припущення, що головною причиною суттєвої залежності інтенсивностей піків об'ємного плазмону від кута є взаємодія каналів пружного та непружного розсіянь, можливість існування якої передбачається в деяких теоретичних роботах, але в більшості досліджень ігнорується.

Аналіз наших експериментальних кутових залежностей нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних втрат енергії електронів показав, що існуючі моделі електронної будови поверхневої області твердого тіла не можуть претендувати на адекватний опис процесів формування спектрів ХВЕЕ для всіх трьох речовин, що досліджувались нами, внаслідок ігнорування каналу розсіяння електронів при збудженні мультипольного поверхневого плазмону та впливу кута на інтенсивності складових піків.

Робиться висновок про необхідність подальших теоретичних досліджень стосовно взаємодії каналів пружного та непружного розсіянь електронів та ролі збудження мультипольного поверхневого плазмону у формуванні спектрів ХВЕЕ.

Висновки

спектр плазмон кутовий

В дисертації експериментально досліджуються процеси взаємодії електронів середніх енергій (100-1000 еВ) у поверхневій області плівкових мішеней Al, In та Ge методом спектроскопії характеристичних втрат енергії електронів (ХВЕЕ), що відбиваються від твердого тіла. Запропонований новий підхід до кількісних досліджень спектрів ХВЕЕ, в рамках якого розроблені методики визначення компонентів спектрів, які не використовують модельні припущення про процеси розсіянь електронів у твердому тілі або дані про положення, форму і кількість піків, що входять до складу спектра. Методики дозволяють отримувати форми спектральних піків та відносні кутові залежності інтенсивностей піків однократних втрат енергії, нормованих на інтенсивність піка пружно відбитих електронів. Вони були використані для з'ясування характеру дисперсії звичайного поверхневого плазмону та можливості прояву піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ Al, In та Ge в діапазоні середніх енергій первинних електронів, а також для кількісних досліджень залежностей інтенсивностей піків поверхневих та об'ємних збуджень, що складають спектр ХВЕЕ Al, In та Ge в області однократних та двократних втрат енергій, від геометричних умов експерименту при різних енергіях первинних електронів. В дисертації були виконані задачі, що описані у загальній характеристиці роботи, та зроблені такі основні висновки:

В діапазоні енергій первинних електронів 300-800 еВ були визначені форми піків поверхневого та об'ємного плазмонів спектрів ХВЕЕ Al, In та Ge і встановлено, що вони не змінюються із зміною геометричних умов експерименту.

Аналіз форм цих піків показав, що дисперсія поверхневого плазмону індію додатна, а алюмінію та германію - від'ємна.

Вперше в спектрально-інтегральних експериментах по непружному відбиттю електронів виявлений прояв піка мультипольного поверхневого плазмону в спектрах ХВЕЕ плівок Al та Ge. Для Al зроблено оцінку нормованої інтенсивності цього піка і встановлений характер її кутової та енергетичної залежності.

При різних енергіях первинних електронів визначені відносні залежності нормованих інтенсивностей піків однократних об'ємного та поверхневого плазмонів Al, In та Ge від геометричних умов експерименту без використання моделей взаємодій електронів або моделей розрахунку форм піків. Визначені кутові залежності нормованих інтенсивностей піків однократних та двократних збуджень з використанням відомих методів розрахунку форм складових піків.

Встановлено, що для спектрів ХВЕЕ In та Ge нормовані інтенсивності піків, пов'язаних із збудженням об'ємних плазмонів, суттєво та складним немонотонним чином залежать від кута розсіяння електронів. В той же час, інтенсивності піків однократного та двократного поверхневих плазмонів слабо залежать від кута розсіяння. Кут розсіяння електронів майже не впливає на вигляд залежностей нормованих інтенсивностей піків від кутового параметра , однак може принципово змінювати характер залежностей інтенсивності піка об'ємного плазмону від енергії первинних електронів.

Література

1. Кулик С.П., Находкін М.Г., Кринько Ю.М., Мельник П.В. Азимутальна залежність спектра характеристичних втрат енергії електронів, відбитих полікристалічними плівками Be, Mg, Al, Ge та In // УФЖ - 1995. - Т. 40, № 11 12. - С. 1225-1228.

2. Seah M.P. Background subtraction. III. The application of REELS data to background removal in AES and XPS // Surf. Sci. - 2001. - Vol. 471. - P. 185-202.

3. Chiarello G., Formoso V., Santaniello A., Colavita E., Papagno L. Surface-plasmon dispersion and multipole surface plasmon in Al(111) // Phys. Rev. B. - 2000. - Vol. 62, N 6. - P. 12676-12679.

4. Liebsch A. Electronic Excitations at Metal Surfaces. - New York and London: Plenum Press, 1997. - 336 p.

5. Plummer W., Tsuei K.D., Kim B.O. The impact of the concept of a surface plasmon // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. - 1995. - Vol. 96. - P. 448-459.

Размещено на Allbest.ru