Методы электронной спектроскопии
Покупка
Тематика:
Микроэлектроника. Наноэлектроника
Издательство:
СибГУТИ
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 68
Дополнительно
Доступ онлайн
350 ₽
В корзину
Учебное пособие «Методы электронной спектроскопии» содержит подробное описание физических основ и экспериментальных методов определения физических и структурных свойств материалов методами электронной спектроскопии. Рассматриваются вопросы применения данных методов в современной науке, технике и технологии. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиль «Интегральная электроника и наноэлектроника» для дисциплины «Методы диагностики и анализа микро и наноструктур».
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Федеральное агентство связи Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (СибГУТИ) Н. И. Филимонова А. А. Величко Н. Е. Фадеева МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ Учебное пособие Новосибирск 2016
УДК [543.4:621.38](075.8) Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ Рецензенты: к.ф-м.н., руководитель группы электронной микроскопии ИФП СО РАН А. К. Гутаковский к.т.н, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники СГУГ Д. В. Чесноков Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е. Методы электронной спектроскопии : Учебное пособие / Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 68 с. Учебное пособие «Методы электронной спектроскопии» содержит подробное описание физических основ и экспериментальных методов определения физических и структурных свойств материалов методами электронной спектроскопии. Рассматриваются вопросы применения данных методов в современной науке, технике и технологии. Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиль «Интегральная электроника и наноэлектроника» для дисциплины «Методы диагностики и анализа микро и наноструктур» Кафедра технической электроники В авторской редакции © Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е., 2016 Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2016
ПРЕДИСЛОВИЕ В предлагаемом учебном пособии описаны методы электронной спектроскопии, применяемые для исследования поверхностных и объемных свойств твердых тел. Эти аналитические методы широко используются при создании новых полупроводниковых и диэлектрических материалов, наноструктур, новых типов приборов. Особенно актуально применение методов электронной спектроскопии при отработке технологии получения полупроводниковых гетероструктур и наноструктурированных материалов. Предлагаемое пособие будет полезным для направления подготовки 210100 (11.04.03) «Электроника и наноэлектроника», в которых значительные части отдельных изучаемых дисциплин базируются на одних и тех же методах исследования. В связи со сказанным, мы попытались с единых позиций осветить основные методы исследования, применяемые в области материаловедения и показать особенности использования этих методов для анализа свойств различных микро- и наноразмерных объектов. В данном пособии описаны спектральные методы для определения зонных и структурных параметров объемных полупроводниковых материалов и их поверхностных свойств. Целью пособия также является ознакомление студентов с основными физическими принципами работы измерительных приборов и систем, акцентирование внимания на достоверность и точность измерения параметров материалов. Важно отметить, что при формировании структуры и содержания методического пособия были приняты во внимание программы учебных курсов в рамках ГОС 3 и ГОС 3+.
1. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 1.1. Введение Для исследования твердых тел используется множество различных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о химическом составе, кристаллической структуре, распределении примесей и многих других свойствах, представляющих как чисто научный, так и практический интерес. В настоящее время особое значение придается методам анализа поверхности. Когда говорят о поверхности твердого тела, то чаще всего имеется в виду граница раздела между газообразной и твердой фазами. Столь пристальное внимание к поверхности связано с ее уникальными свойствами, которые, с одной стороны, в сильной степени влияют на характеристики самого твердого тела, а с другой - могут быть использованы для создания приборов и устройств нового поколения. В подавляющем большинстве методов анализа поверхности используются различного рода явления, происходящие при воздействии на нее корпускулярных частиц и электромагнитных излучений. Если такого рода воздействия приводят, например, к испусканию электронов, а информацию о свойствах поверхности получают при анализе электронных спектров, то говорят о методах электронной спектроскопии. В отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, легко регистрируются и поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет достаточно просто проводить количественный анализ поверхности, то есть получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов. Электроны Электроны Ионы Ионы Фотоны Фотоны Рис. 1.1. Схема принципов работы спектральных методов, основанных на электронном, ионном и фотонном облучении. К спектральным методам обычно относят методы исследования поверхности твердых тел, основанные на анализе энергетических спектров отраженных излучений, возникающих при облучении изучаемого материала электронами, ионами и фотонами (рис.1.1). Пучок частиц либо упруго рассеивается, либо вызывает электронный переход в атоме. Энергия вылетающей частицы позволяет идентифицировать атом, а интенсивность частиц дает информацию о количестве таких атомов, что
позволяет провести, например, анализ элементного состава образца. Анализ энергии электронов, испускаемых с поверхности образца, дает информацию об энергетических уровнях электронов приповерхностной области исследуемого объекта. Эти уровни можно разделить на две группы: остовные уровни атомов (или уровни внутренних оболочек) и валентные уровни. Остовные уровни атомов или глубокие уровни Эти уровни соответствуют электронным состояниям единичного атома и, в значительной степени, являются характерными для данного атома. Полагают, что энергетическое положение этих уровней слабо зависит от того, находится ли атом в объеме твердого тела, на поверхности ли, или свободен. Энергия связи, соответствующая глубоким уровням превышает 10-20 эВ. Методы электронной спектроскопии, основанные на обнаружении остовных уровней атомов, позволяют определить химическую природу поверхностных атомов и получить информацию об их локальном химическом окружении. К основным методам спектроскопии глубоких уровней относятся: - Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС/XPS); - Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES). Валентные уровни Это энергетические уровни электронов, характеризующиеся меньшими энергиями связи, соответствуют валентной зоне твердого тела и связывающим орбиталям адсорбированных поверхностью молекул. Данные состояния слабо локализованы и потенциально очень чувствительны к локальному химическому окружению поверхностных атомов. Наиболее широко используемым методом исследования данных уровней является ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС/ UPS). Методов исследования поверхности в настоящее время известно несколько десятков. Однако не все из этих методов имеют преимущественное или особенное применение в области исследования наноматериалов. В связи с этим ниже будет рассмотрен ряд методов, которые с одной стороны по своим возможностям представляют интерес именно для изучения наноматериалов, а с другой - являются наиболее иллюстративными и достаточно широко используемыми.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 2.1. Энергетический спектр электронов Методы электронной спектроскопии основаны на регистрации и анализе распределения энергий электронов, которые испускаются исследуемой поверхностью или рассеиваются на ней (рис.2.1). Область возбуждения < 1 – 3 мкм Поверхность образца Упруго-рассеянные электроны Вторичные электроны Первичный электронный пучок Оже-электроны 4-50 Å > Атомный номер № 3 Характеристическое рентгеновское излучение > Атомный номер № 4 Рис. 2.1. Схема взаимодействия электронного пучка с веществом К методам электронной спектроскопии можно отнести следующие методы: 1. Электронная Оже-спектроскопия (ЭОС/AES); 2. Спектроскопия характеристических потерь энергии (СХПЭ/EELS); 3. Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС): 3.1. Рентгеновская ФЭС (XPS); 3.2. Ультрафиолетовая ФЭС (UPS). Все методы используют анализаторы энергии одинакового типа, так как поверхностная чувствительность методов основана на измерении энергии вторичных электронов. Типичные значения энергии вторичных электронов лежат в диапазоне 5-2000 эВ. Электроны с такой низкой энергией сильно рассеиваются твердым телом вследствие неупругого рассеяния, что обеспечивает высокую селективную поверхностную чувствительность данных методов, делая их особенно привлекательными для исследования микро- и наноструктур. Для анализа пригодны лишь те электроны, вышедшие из твердого тела, которые не потеряли энергию на своем пути в результате многократных хаотических неупругих столкновений. Такие электроны принято называть характеристическими. Основной характеристикой электронов, определяющей
их взаимодействие с веществом и характер получаемой информации о веществе, является их кинетическая энергия. Если на поверхность исследуемого образца падает моноэнергетический (монохроматический) электронный пучок (что соответствует таким методам как ЭОС и СХПЭ) с энергией EP, то распределение эмитируемых электронов по энергии имеет вид, схематично представленный на рис.2.2. В общем случае можно выделить три группы электронов при взаимодействии с образцом: - упруго рассеянные электроны; - неупруго рассеянные электроны; - вторичные электроны. Таким образом на кривой энергораспределения эмитируемых электронов (рис.2.2) можно выделить три области. 50 100 Ер Е, эВ N (E) Вторичные электроны низких энергий I Оже-пики II Пики потерь Пик упругого рассеяния III Рис. 2.2. Схема энергетического спектра электронов, возбуждаемых падающим моноэнергетическим электронным пучком Область I соответствует истинно вторичным электронам и характеризуется интенсивным размытым пиком, лежащим при очень низких энергиях (обычно менее 50 эВ даже при энергии первичного пучка электронов более 1 кэВ). Полуширина пика составляет порядка 10 эВ [1], а хвост простирается вплоть до EP энергии падающих (первичных) электронов. Предполагается, что вторичные электроны появляются в результате каскадных процессов потери энергии первичными высокоэнергетическими электронами. На фоне непрерывного распределения вторичных электронов от 0 до EP эВ могут появляться небольшие пики, обусловленные эмиссией электронов вследствие релаксации некоторых типов возбужденных состояний,
Доступ онлайн
350 ₽
В корзину