Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов

На следующем рис. 5 представлены различные процессы взаимодействия электронного пучка с тонким кристаллическим образцом.

Интенсивность процесса характеризуется сечением процесса, обозначаемым σ и имеющим размерность [см²]. Если образец имеет толщину t, плотность атомов N, плотность ρ, и атомный вес A, то интенсивность процесса, скажем, рассеяния, будет

Q_Т t = N t σ_T = N₀ σ_Т ρ t/A , (1.3)

где N₀ – число Авогадро. Значок T означает интенсивность полного или интегрального сечения, в отличие от дифференциального, описывающего угловое распределение,

dσ/dΩ = (1/(2πsinθ))dσ/dθ. (1.4)

Рис. 5. Процессы взаимодействия электронного пучка с тонким кристаллическим образцом.

При прохождении высокоэнергетических электронов сквозь тонкий образец существует вероятность неупругого и упругого рассеивания электронов. Эта вероятность определяется по существу энергией электронов, толщиной образца и атомным номером возбужденных атомов. В обычной просвечивающей электронной микроскопии, о которой речь пойдет на одной их следующих лекций, неупруго рассеянные электроны не требуются, потому что они приводят к дефокусировке изображения. Однако эти электроны могут использоваться для получения детальной информации о химическом составе материала, через который они проходят - его электронной структуре, химических связях элементов внутри.

Физический метод, используемый для измерения потерь энергии электронов, рассеянных в определенном угловом диапазоне, называется Спектроскопией характеристических потерь энергии электронов. Он может использоваться в аналитической просвечивающей электронной микроскопии для химического анализа при высоком латеральном разрешении, а также в режиме отражения для исследования поверхности. В последнем случае поверхность образца бомбардируется электронами относительно низкой энергии (от нескольких сот эВ до приблизительно 3 кэВ) и анализируются энергетическое и угловое распределения отраженного пучка. Аппаратура, необходимая для отраженной спектроскопии обычно комбинируется с оже-электронной спектроскопией, так как спектрометры для ЭОС могут обычно использоваться и как спектрометры энергетических потерь.

Потери энергии называются характеристическими, так как энергия потерь не зависит от энергии первичных электронов, а ее величина характерна для данного материала. Пики характеристических потерь энергии электронов располагаются вблизи пика упруго отраженных электронов. В отличие от пиков оже-электронов, положения которых не зависят от энергии первичных электронов, положения пиков характеристических потерь определяется Е_р. При смещении максимума упруго отраженных электронов пики характеристических потерь смещаются вместе с ним, оставаясь на одинаковом энергетическом расстоянии от упругого пика.

Рис.6. Вид спектра характеристических потерь энергии электронов.

Рис. 7. Процессы возбуждения валентной зоны и остовных уровней атомов твердого тела.

Потери энергии электронами связаны с различными процессами на поверхности твердого тела или в тонкой пленке. Это возбуждение в твердом теле квазичастиц фононов и плазмонов, колебания адсорбированных на поверхности атомов и молекул, одночастичные возбуждения валентных электронов (внутризонные и межзонные переходы), ионизация внутренних атомных уровней. Характеристические потери охватывают большой диапазон энергии от нескольких миллиэлектронвольт до, более чем, 10³ эВ. Поэтому для реализации этого метода во всем интервале энергии требуются различные экспериментальные методики, чтобы достичь требуемого разрешения как при очень малых, так и при достаточно больших энергиях возбуждения [12]. На рис. 6 схематически представлен полный спектр характеристических потерь энергии электронов, на котором обозначены основные механизмы потерь.

Если для получения спектра характеристических потерь энергии электронов используется первичный пучок электронов с энергией E_P < 20 эВ, то метод называется спектроскопия характеристических потерь энергии электронов высокого разрешения (СХПЭЭВР). Первичный пучок электронов в этом случае должен быть очень монохроматичным с шириной линии первичных электронов, измеренной на половине ее высоты, порядка 1 мэВ. Как правило, в СХПЭЭВР исследуют рассеянные отраженные электроны. В некоторых экспериментах изучают угловое распределение электронов, рассеянных поверхностью твердого тела. Этот метод дает большую информацию о дисперсионном соотношении для поверхностных фононов чистых и содержащих адсорбат поверхностях металлов. Широкое применение находит СХПЭЭВР для изучения колебаний адсорбированных на поверхности атомов и молекул, она используется для идентификации адсорбированных частиц и для получения информации о положении адсорбата и геометрии связей.

В обычном методе СХПЭЭ используют первичные электроны с энергией в интервале 100…500 эВ. В этой области энергий возбуждаются поверхностные и объемные плазмоны, внутризонные и межзонные переходы. СХПЭЭ при Е_Р ~ 100 эВ можно изучать электронную структуру чистых поверхностей, тонких покрытий и адсорбатов. В этом случае энергетическое разрешение может быть приблизительно 0,3…0,5 эВ, что не требует дополнительной монохроматизации электронного пучка. Используют луч обычной электронной пушки с термической шириной линии приблизительно 0,3 эВ.

В высокоэнергетической области спектра потерь энергии электронов лежат пики, возникающие в результате ионизации остовных уровней атомов первичными электронами. Метод электронной спектроскопии, связанный с исследованием потерь энергии электронов на ионизацию остовных уровней атомов иногда называют ионизационной спектроскопией. Между СХПЭЭ и ионизационной спектроскопией нет принципиального различия. Различаются они лишь количественной величиной потерь энергии электронами.

Спектры характеристических потерь энергии электронов являются потенциальными носителями информации о составе и химическом состоянии элементов на поверхности твердого тела и адсорбированных слоев. Для чистой поверхности кристалла положение пиков объемных и поверхностных плазмонов на электронном спектре является характеристикой вещества, что позволяет идентифицировать отдельные элементы. СХПЭЭ позволяет получать информацию о химических реакциях, происходящих на поверхности при нанесении на нее тонких покрытий или адсорбции атомов другого элемента. Энергия пиков плазменных потерь меняется в зависимости от структурных модификаций одного и того же элемента. Так, например, для различных кристаллических состояний углерода (алмаз, графит, аморфное состояние) энергия объемного плазмона меняется от 33 до 22 эВ.