Взаимодействие вещества с рентгеновским излучением

При облучении поверхности вещества фотонами в нем могут протекать различные процессы, в том числе образование фотоэлектронов (заключается в эмиссии фотоэлектронов при падении фотонов на поверхность твердого тела Рис. 1)., рассеяние фотонов.

Рис. 1. Явление фотоэффекта [1].

Суть метода РФЭС состоит в получении фотоэлектронных спектров, т.е. измерении кинетической энергии внутреннего или валентного электрона, выбитого квантом известной энергии электромагнитного излучения, при облучении поверхности образца рентгеновскими лучами. Выбивание электрона может произойти лишь в том случае, если энергия излучения превышает энергию связи электрона в атоме. Описанный процесс представляет собой первичный фотоэффект, принцип которого положен в основу метода РФЭС. В результате получается атом с дыркой на одном из нижних электронных слоев. Рассмотрим такой процесс для уровня K (1s).

На Рис. 2. изображена схема процессов взаимодействия вещества с рентгеновским излучением. На Рис. 2а. показана схема энергетических уровней твердого тела. Энергия в данном случае отсчитывается вниз от уровня Ферми, принятого за уровень нулевой энергии. В результате облучения происходит выбивание электрона (Рис. 2б). После образования дырки на уровне K атом релаксирует, заполняя эту дырку, вследствие перехода электрона с внешнего уровня, в данном примере с уровня L₁ (Рис. 2в). В результате этого перехода возникает избыточная энергия, равная разности энергий (E_K-E_L1), которая может быть использована атомом любым из двух следующих способов: может перейти в энергию фотона характеристического рентгеновского излучения (Рис. 2г), или может быть передана другому электрону, находящемуся на том же или более высоком уровне, вследствие чего этот второй электрон покинет атом (Рис. 2д и 2е). Первый процесс является рентгеновской флуоресценцией и лежит в основе метода Рентгенофлуоресцентного Анализа (РФА), а второй – ОЖЕ – эмиссией, также известной как вторичный фотоэффект.

Рис. 2. Схема процессов взаимодействия вещества с излучением [2].

ОЖЕ - процесс – трехступенчатый процесс, возникающий при ионизации одной из внутренних оболочек атома (I-ая ступень), рекомбинации вакансии электроном с более высокоэнергетичной оболочки или из валентной зоны (II-ая ступень), передачей разницы в энергии третьему электрону, также покидающему атом и регистрируемого в эксперименте (III-ступень). Таким образом, ОЖЕ – электрон получает энергию равную разнице энергий между исходным ионом и дважды ионизированным конечным состоянием. Сумма кинетических энергий эмитированных электронов не может превышать энергии ионизирующего излучения. [1,2]

ОЖЕ – переход, изображенный на Рис. 2. Обозначается как KL₁L_2,3. Данное и подобные ему обозначения основаны на использовании главного квантового числа n и электронных квантовых чисел l и j (полный угловой момент частицы равный j=l+s). В рентгеновских обозначениях состояния с n=1, 2, 3, 4,… обозначаются соответственно K, L,M, N,..., в то время как состояния с различными комбинациями l=0, 1, 2, 3, … и j= 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, … имеют условный индекс 1, 2, 3, 4, …. Рентгеновские обозначения почти всегда используются для ОЖЕ – переходов, так, например можно наблюдать шесть….

Заключение

В данной курсовой работе был проанализирован метод РФЭС и его применение для качественного и количественного анализа состава тонких пленок, в том числе нитрида кремния РФЭС, его возможностей для анализа применительно к тонким пленкам нитрида кремния и тонким пленкам в целом. По итогам работы можно сделать следующие выводы: 1) Метод РФЭС основывается на процессе первичного фотоэффекта. Высокая поверхностная и элементная чувствительность делают РФЭС незаменимым инструментом исследования пленок, толщина которых не превышает нескольких нанометров. При толщине пленок, не превышающей нескольких монослоев, РФЭС позволяет также исследовать границу раздела пленка-подложка и реакции, которые протекают там во время температурных и радиационных воздействий. Глубина выхода выбитых электронов из образца определяется длиной свободного пробега электрона относительно неупругих столкновений и составляет 1 – 10 нм, Толщина анализируемого слоя - 1-3 нм, точность определения концентрации составляет 0.3-1 ат.% (зависит от элемента), предел обнаружения элементов варьируется в пределах 0.1-1 ат.% (зависит от коэффициента элементной чувствительности); определение энергии связи с точностью 0.1-0.2 эВ (зависит от спектрометра).

2) Для РФЭС спектров характерно наличие фотоэлектронных и оже-пиков. Фон в областях низких энергий связи обусловлен наличием тормозного излучения, а увеличение фона после каждого пика обусловлено неупругим рассеянием электронов в анализируемом веществе, что приводит к потере кинетической энергии электроном. При анализе химической структуры производится сопоставление фотоэлектронных пиков с табличными значениями. После идентификации всех пиков в обзорном спектре проводят количественное определение атомного состава поверхности. Обычно для этого используют пики подуровней, обладающие максимальной интенсивностью в эталонном спектре каждого чистого вещества.

3) Эксперимент по анализу образца методом РФЭС заключается в следующем: образец, помещенный в вакуум, освещается рентгеновскими лучами известной энергии из источника рентгеновского излучения, под действием которых происходит выбивание электронов из образца и возникновение оже-электронов. Электроны, покинувшие образец, собираются линзовой системой анализатора и разделяются им по энергиям, поступая затем в детектор, роль которого играет вторичный электронный умножитель. Сигнал с детектора поступает на компьютер и обрабатывается. Стоит отметить высокую стоимость оборудования для проведения подобного анализа.

4) Метод РФЭС очень хорошо подходит для решения задач современной нанотехнологии, в частности для анализа состава поверхности тонких пленок нитрида кремния. В ходе анализа поверхности получают информацию об одном или нескольких атомных слоях поверхности, глубина такого анализа составляет величину порядка 1 нм. Так, например, возможно точное определение стехиометрии, контролирование которой важно для дальнейшего применения полученных пленок. В частности, в работе [4] было установлено огромное различие в стехиометрии идентично приготовленных образцов (1.39 для ячейки ХА и для ячейки ХВ 0.83 соответственно), что негативным образом сказывалось на характеристиках ячейки ХВ.

Список литературы.

1. Н.А.Петров, Л.В. Яшина. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова., Москва, 2011., 14 с.

2. А.В. Быков, Г.Н. Демиденко, В.Ю. Долуда, Э.М. Сульман. Физические методы исследования. Тверской Государственный технический университет., Тверь, 2011., 161 с.

3. Wentau Xu, Toshiyuki Fujimoto, Isao Kojima. Preparation and characterization of smooth and dense silicon nitride films. National Institute of Materials and Chemical Research., Tsukuba, Ibaraki, 2001., 109-111 p.

4. P. Singh, S.M. Shivaprasad, M. Lal, M. Husain. Angle-dependent XPS analysis of silicon nitride film deposited on screen-printed crystalline silicon solar cell. New Dehli, 2009, 15-23 p.

Дата добавления: 2015-12-08