Классификация и краткое описание основных спектроскопических методов исследования поверхности и наноструктур

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.
Лекция 1 Классификация и краткое описание основных спектроскопических методов исследования поверхности и наноструктур.

Физические принципы РФЭС И ОЭС
hν = KE + BEj + φ
ОЖЕ-РЕКОМБИНАЦИЯ
ИЗЛУЧАТЕЛЬНАЯ-РЕКОМБИНАЦИЯ
ФОТОЭФФЕКТ
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.

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

Спектры оже-серий в РФЭС
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);
3) Серия MNN, от Mo до Nd (MgKα), до Se (AlKα);
Зависимость положения линий фотоэлектронов и оже-электронов в шкале ВЕ и КЕ от энергии источника рентгеновского излучения.

Физические основы СТМ и СТС
Туннелирование электрона через потенциальный барьер:
одномерная задача для свободного электрона
Обратная длина затухания к ~ 1 А-1
Коэффициент пропускания
при
Экспоненциальная зависимость туннельного тока ширины барьера:
при увеличении ширины барьера (расстояния между зондом и образцом) на 1 Å туннельный ток уменьшится в ~ 7 раз:

Оценка величины туннельного тока
Пространственное разрешение СТМ

Сканирующая туннельная спектроскопия.
Дифференциальная туннельная проводимость

Монтаж СВВ камеры СТМ/АСМ на комплексе анализа поверхности и наноструктур Multiprobe MXPS VT AFM, Omicron NanoTechnology GmbH в наноцентре НИЯУ МИФИ

Спектроскопия рассеяния медленных ионов.
Классификация методов рассеяния ионов:
- СРМИ (LEIS), Е=0,1 – 10 кэВ;
- СРСИ (MEIS)
- СРБИ (HEIS), Е=0,01 – 2 МэВ;
- ОРР (RBS), Е > 2 МэВ
Получаемая информация:
1) Элементный состав поверхности образца (положение линий);
2) Относительная концентрация поверхностных атомов (интенсивность линий);
3) Структура поверхностной решетки (угловые зависимости);
4) Химическое состояние поверхностных атомов (тонкая структура, иногда).
Особенности метода СРМИ: Глубина зондирования один-два атомных слоя поверхности, вследствие:
1) ослабления интенсивности ионного пучка по мере его проникновения вглубь образца вследствие большого сечения рассеяния;
2) увеличения вероятности нейтрализации ионов, рассеянных на глубоких поверхностных слоях.
Историческая справка. Первое применение РМИ для исследования поверхности (1967).

СРМИ. Кинематический фактор.
знак «+» при рассеянии на тяжелом атоме,
знак «-» при рассеянии на легком атоме
Учет неупругих потерь энергии – фактор Q:
Сечение рассеяния определяется потенциалом взаимодействия иона и атома-рассеивателя

Применение метода СРМИ для определения степени покрытия поверхности
островковый рост (механизм Фолмера–Вебера)
послойно-островковый рост (механизм Франка – Ван–дер–Мерве)
послойный рост (механизм Странского–Крастанова
TiO2(110)

– дифференциальное сечение упругого рассеяния электронов на атомах образца;
Спектроскопии рассеяния электронов на отражение СРЭО

Спектроскопия характеристических потерь энергии
электронов СХПЭЭ
– дифференциальное сечение неупругого рассеяния электронов на атомах образца;