Материал: Экспериментальные методы исследований. Калинин Ю.Е

11.2.2. Метод ультрафиолетовой спектроскопии

При возбуждении электромагнитным излучением ультрафиолетового диапазона фотоэлектроны эмитируются с валентных электронных оболочек атомов или из валентной зоны твердого тела. В силу этого в спектрах УФС наиболее ярко выражены химические сдвиги, поэтому этот метод в основном применяется для исследования химических связей и электронной структуры валентной зоны твердых тел.

Таким образом, метод электронной Оже-спектроскопии применяется для определения элементного состава поверхности и нескольких приповерхностных слоев атомов твердого тела. По спектру энергий Оже-электронов производится качественный элементный анализ участка поверхности, облучаемого первичными электронами, а по интенсивности спектральных линий - количественный. Также в ряде случаев он позволяет получить информацию о химических связях. Метод ЭОС, проигрывая в спектральном разрешении методам РФЭС и УФС, имеет преимущество перед ними в локальности. Благодаря тому, что диаметр электронного пучка в современных электронных пушках может быть уменьшен до 10-15 нм, а глубина выхода Ожеэлектронов составляет 2-5 нм, становится возможен локальный элементный анализ областей микро- и нанометровых масштабов (Оже-микроанализ).

11.3. Вторично-ионная масс-спектрометрия

Взаимодействие быстрых ионов с твердым телом приводит к выбиванию атомов и молекул материала как в нейтральном, так и в заряженном состоянии. На таком явлении сравнительного эффективного образования заряженных частиц (вторичных ионов) и на принципе высокочувствительных масс-спектрометрических измерениях и основан метод ВИМС.

516

Наиболее важными характерными особенностями метода, которые вызывают повышенный интерес к нему, являются очень низкий порог чувствительности для большинства элементов (меньше 10-4 моноатомного слоя), измерение профилей концентрации малых количеств примесей с разрешение по глубине меньше 50А, разрешение по поверхности порядка микрометра, возможность изотопического анализа и обнаружение элементов с малыми атомными номерами (H, Li, Be и т.

д.).

Основные физические и приборные параметры, характеризующие метод ВИМС, охватываются формулами (11.11) - (11.13). Коэффициент вторичной ионной эмиссии SА , т. е. число (положительных или отрицательных) ионов на один падающий ион, для элемента А в матрице образца дается выражением

где А - отношение числа вторичных ионов (положительных или отрицательных) элемента А к полному числу нейтральных и заряженных распыленных частиц данного элемента, а СА -атомная концентрация данного элемента в образце. Множитель S - полный коэффициент распыления материала (число атомов на один первичный ион). В него входят все частицы, покидающие поверхность, как нейтральные, так и ионы. Величины А и S сильно зависят от состава матрицы образца, поскольку отношение А связано с электронными свойствами поверхности, а S в большой степени определяется элементарными энергиями связи или теплотой атомизации твердого тела. Любой теоретический способ пересчета измеренного выхода вторичных ионов в атомные концентрации должен, давать абсолютное значение отношения А или набор его приведенных значений для любой матрицы.

518

чувствительности при регистрации методом ВИМС (минимальное количество элемента, которое можно обнаружить в отсутствие перекрывания пиков масс-спектра) обратно пропорционален полному току ионов IP. Коэффициент пропорциональности между порогом чувствительности ВИМС и IP определяется исходя из результатов измерений для ряда элементов в различных матрицах путем приближенной оценки, основанной на экспериментальных значениях для типичных пар элемент - матрица. При построении графика на фиг.5 предполагалось, что площадь захвата анализатора, из которой вторичные ионы отбираются в анализатор, не меньше сечения пучка первичных ионов. Данное условие обычно выполняется в массспектрометрии, если диаметр области, из которой поступают ионы, не превышает 1 мм.

Разрешающая способность масс-спектрометров определяется отношением R = т/Ат, т - масса иона; Am - разность масс между двумя ближайшими надежно различимыми пиками. В современных спектрометрах R лежит в диапазоне от сотен до сотен тысяч.

Любой масс-спектрометр содержит ионизатор исследуемого вещества, собственно масс-анализатор, приемник (коллектор) ионов и регистратор полного тока. Весь прибор вакуумируется для беспрепятственного пролета по нему ионных пучков.

Принцип действия большинства масс-анализаторов основан на чувствительности направления и скорости движения ионов к приложенным внешним электрическим и магнитным полям. В зависимости от конструктивных особенностей различают несколько типов масс-спектрометров:

•секторные магнитные и электрические;

•квадрупольные;

•с ловушкой для ионов;

•времяпролетные;

•циклотронные с преобразованием Фурье.

520