Способ определения средних длин свободного пробега электронов

ОГОЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК ьй 2 до 1 71 9 А 5)5 6 01 й( АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР ОПИСА-ИЕ И(71) Специальное конструкторское бюроаналитического приборостроения Научно, технического обьединения АН СССР, зрестгозсору о 1 Яцг 1 асе: а зеапбаг саде Ьазеаког еес 1 гоп пеаз 1 с аггее рапЬз и зоИз. -(54) СГОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНИХДЛИН СВОБОДНОГО ПРОБЕГА ЭЛЕКТРОНОВ Изобретение относится к методам исследования поверхности твердых тел с использованием электронных пучков и может быть использовано для проведения количественных измерений элементного состава поверхности методами оже-спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновского микроанализа.Известен ряд методов, позволяющих определять значения средних длин свободного пробега электронов. Эти методз позволяют определять среднюю длину свободного пробега электронов либо до не- упругого взаимодействия, либо до упругого рассеяния, либо до потери когерентности. Однако они не обеспечивают определение одновременно в единых эксперименталь(57) Изобретение относится к методам исследования поверхности твердых тел с использованием электронных пучков и может быть использовано для проведения количественных измерений элементного состава поверхности методами оже-спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии, рентгеновского микроанглиза. Целью изобретения является расширение энергетического диапазона электронов, для которых определяются длины свободнеого пробега, Для определения длин свободного пробега электронов в твердом теле монокристаллическую подложку и подложку с нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества облучают мягким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность рентгеновских фотоэлектронов определенной энергии, возбужденных в монокристаллической подложке, и о средних длинах свободного пробега судят по изменению средней интенсивности и сглаживанию тонкой структуры на полученных угловых зависимостях. ных.условиях значений средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействия, до упругого рассеяния, до потери когерентности.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения средних длин свободного пробега электронов, основанный на использовании спектроскопии потенциалов возбуждения мягкого рентгеновского излучегп 1 я (ПВМРИ). В методе ПВМРИ существенно отличаются средняя длина свободного пробега первичных электронов до неупругого взаимодействия и глубина выходе регистрируемого рентгеновского излучения. В результате этого в спектрах ПВМРИ содержится прямая информация об эффек 17180695 10 30 35 45 50 55 тах взаимодействия электронов первичного пучка с твердым телом, не искаженная вкладом неупруго рассеянных электронов и эффектами взаимодействия втооичного излучения с веществом, в частности информация об анизотропии вероятности образования первичным электроном вакансии на внутреннем уровне для монокристаллов. Это позволило предложить способ для одновременного в единих экспериментальных условиях определения средних длин свободного пробега первичных электронов до неупругого взаимодействия, до упругого рассеяния, до потери когерентности в неупорядоченных пленках, наносимых на монокристаллические подложки, по сглаживанию немонотонных угловых зависимостей интенсивности спектров ПВМРИ монокристалла по мере нанесения на него неупорядоченной пленки вещества, для которого средние длины свободного пробега определяются. Недостатком этого способа является то, что в силу физических принципов, на которых основан методом ПВМРИ, средние длины свободного пробега электронов могут быть определены лищь при дискретных значениях энергий первичных электронов, определяемых энергетическим положением интенсивных линий в спектрах ПВМРИ. Эти значения в основном ограничены рядом энергий связи электронов некоторых внутренних уровней Зб - и 41-элементов,Целью изобретения является расширение энергетического диапазона электронов, для которых определяются длины свободного пробега,Цель достигается тем, что в способе определения средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействия, до упругого рассеяния и до потери когерентности в твердом теле, включающем последовательное облучение моно- кристаллической подложки и подложки с нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества первичным возбуждающим излучением, регистрацию угловой зависимости интенсивности вторичного излучения от чистой подложки и от подложки с пленкой и определение средних длин свободного пробега электронов из сравнения получаемых угловых зависимостей интенсивности вторичного излучения, облучение производят мягким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность одной из линий спектра рентгеновских фотоэлектронов, возбужденных в монокристаллической подложке, и средние длины свободного пробега определяют по изменению средней интенсивности и сглаживаниютонкой структуры на зарегистрированных угловых зависимостях интенсивностей.Предлагаемый способ основан на методе рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС). В нем используется существенное различие глубины проникновения возбуждающего излучения и глубины выхода регистрируемого излучения, а также то, что вклад в образование выходного сигнала дают лишь электроны с определенной энергией. В отличие от известного в предлагаемом способе для одновременного в единых экспериментальных условиях определения средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействия, до упругого рассеяния и до потери когерентности используется не спектроскопия ПВМРИ, а рентгеновская фотоэлектрон.- 20 ная спектроскопия. Предложениеиспользовать РФС основано на сочетании двух факторов: существенное. различие глубины проникновения возбуждающего рентгеновского излучения (б 000 - 100 ООА) и 25 средней длины свободного пробега регистрируемых рентгеновских фотоэлектронное до неупругого взаимодействия (15-30 А) и то, что вклад в регистрируемую интенсивность рентгеновской фотоэлектронной линии дают электроны, практически не потерявшие энергии при выходе из твердого тела. В результате этого в рентгеновских фотоэлектронных (РФ) спектрах содержится прямая информация об эффектах взаимодействия рентгеновских фотоэлектронов с твердым телом, не искаженная влиянием неупруго рассеянных рентгеновских фото-. электронов и эффектами взаимодействия возбуждающего рентгеновского излучения с веществом,В предлагаемом способе использован факт существования немонотонных зависимостей интенсивности, РФ спектров моно- кристаллов от угла регистрации,П р и м е р. Определяли средние длины свободного пробега электронов в барии с помощью методики получения рентгеновских фотоэлектронных спектров. В качестве монокристаллической подложки используют монокристалл меди 001). Для этого кристалла зарегистрированы немонотонные зависимости интенсивности Зр - 2 рЗ/2- РФ спектров от азимутального угла поворота мишени. Величина модуляции тонкой структуры, определяемая как отномакс миншение составила для этих спекмакстров 70% (макс, мин) - максимальное и соседнее с ним минимальное значение наугловой зависимости соответственно). Ки- ризует часть тока первичных электронов, нетическая энергия 2 рЗ/2- и Зр-рентгена- прошедших пленку, не испытав неупругих вских фотоэлектронов составляет 551 зВ взаимодействий.4 ср. иср средниезначеи 1408 эВ при возбуждении включением 5 ния интенсивности на угловых зависимоКа А. стях интенсивности рентгеновскихПроцессы взаимодействия электронов фотоэлектронов, полученных от чистого моизучают в пленке бария, наносимой на мо- нокристалла и монокристалла с нанесенной нокристалл Сц 001) путем термического ис- на него пленкой соответственно.парения из специального источника, Для 10 Подсреднимзначениеминтенсивности бария определяют среднюю длину свобод- угловых зависимостей понимают значение ного пробега электронов до потери когерен- интенсивности, соответствующее подложтности, до неупругого взаимодействия и до ке, не имеющей упорядоченной структуры.упругого рассеяния на угол, превышающий Среднее значение интенсивности на углоугол Брэгга; Источником рентгеновского из вых зависимостях можно определить,экспелучения служит рентгеновская трубка с алю- риментально либо подвергая.аморфизации миниевым анодом. Рентгеновские монокристаллическую подложку, либо нанофотоэлектроны регистрируются полусфери- ся на монокристаллическую подложку неуческим дисперсионным энергоанализато- порядоченную пленку того же вещества, что ром с входнай оптикой; обеспечивающей их 20 и вещество подложки до тех пор, пока изме-сбор под углом 45 О к рабочей поверхности ряемая интенсивность не перестанет завиподложки в конусе с полууглом при верши- сеть от азимутального угла. поворотаоне, равным 1:,5 . Изменение взаимной подложки, Это значение и будет соответсториентации направления регистрации фо- вовать интенсивности от подложки, не иметоэлектронов и кристаллической решетки 25 ющей упорядоченной структуры. Значение подложки осуществляется путем вращения параметра ср определяется током рентгеобразца вокруг оси, перпендикулярной его новских фотоэлектронов, прошедших плен-рабочей поверхности, т.е. за счет измене- ку, не испытав неупругих.взаимодействий, ния аэимутального угла сбора вылетающих При этом, поскольку интенсивность рентгес образца рентгеновских фотоэлектронов. 30 новских фотоэлектронных спектров для веДля определения средних длин свободного ществ, не обладающих упорядоченной.пробега электронов в барии монокристалл структурой, не зависит от угла поворота мимеди 001) с нанесенной на него пленкой шени вокруг оси, перпендикулярной исслебария определенной толщины облучают дуемой поверхности, то при таком рентгеновским излучением Ка А, настраи вращении мишени на значение ср оказывавают. энергоанализатор на пропускание ют влияние только неупругие взаимодейстэлектронов с энергиями или 551, или 1408 вия рентгеновских фотоэлектронов с эВ, что соответствует 2 рЗ/2- или Зр-рентге- веществом пленки, Значение средней длиновским фотоэлектронам соответственно, и ны свободного пробега электронов до неупрегистрируют угловые зависимости интен ругого взаимодействия Ян определяется по сивности соответствующих рентгеновских уменьшению значения интенсивности на угфотоэлектронов, Мощность, рассеиваемая ловых зависимостях 2 рЗ/2 РФ-спектров по на рентгеновской трубке, при проведении формулеэксперимента может не превышать 600 Вт.Сравнивая полученные угловые зависи осрмости интенсивности рентгеновских фотоисрэлектронов, определяют значения средних где б - толщина пленки.длин свободного пробега электронов отно- При энергии 500 - 550 эВ, Лнеупр = 18 А.сительно различных процессов взаимодей- Участие электронов первичного пучка ствия электронов с барием. Поскольку 50 при прохождении пленки в упругомрассеяэнергоанализатор настроен на регистра- нии на угол, превышающий угол Брэгга, и в цию электронов опрЕделенной энергии, со- неупругих взаимодействиях приводит к по- ответствующей возбуждению 2 рЗ/2- или тере электронами когерентности и вызываЗр-фотоэлектронов, то неупругие взаимо- ет уменьшение значения величины действия фотоэлектронов с веществом 55 амплитуды тонкой структуры макс - мин на пленки приводят к уменьшению среднего угловых зависимостях интенсивности РО значения интенсивности ср на угловых за- идкс минвисимостях интенсивности рентгеновских спектров, а отношение 1 Харак. Фотоэлектронов, а отношение р характе- теризует часть тока фотозлектронов с опреГсср деленной энергией, прошедших пленку, не17180 б 9 20 ь тока х ктеризует ча рошедших пленку сеяния на угол, пр Значение средне а электронов до у превышающий уг определяется из ара фотоэлектронов, и пытав упругого ра ющий угол Брэгга свободного пробе рассеяния на угол га, Яу аналогично шения не ис- вышадлины ругого л Брэг- оотнобария при энергии 500 - 500 эВ.Д А. Составитель Б. Ьлехередактор О. Хрипта Техред М.Моргентал Корректор аз 875 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4(5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 испытав ни неупругих взаимодействий, ни упругого рассеяния на угол, превышающий угол Брэгга. Значения омвкс, мвкс соответствуют максимальному значению интенсивности на угловых зависимостях спектров РФС, 5 полученных для Чрнокристалла до и после нанесения пленки исследуемого вещества соответственно. Значения омин и мин соответствуют значению интенсивности на угловых зависимостях спектров РФС, 10 полученных для монокристалла до и после нанесения пленки исследуемого вещества соответственно в минимуме, ближайшем к упомянутому выше максимуму, Значение средней длины. свободного пробега элект ронов до потери когерентности,Лк определяется по сглаживанию тонкой структуры на угловых зависимостях интенсивности спектров Рф по формуле Д -б имвкс - минДля бария при энергии 500-550 эВ Як "3 А.Упругое рассеяние фотоэлектронов в 25 пленке на угол, превышающий угол Брэгга, приводит к уменьшению величиныпо сравнению с величиной ср30а их отношение омвкс миноср Положительный эффект от использования предлагаемого способа по сравнению с известным заключается в том, что предлагаемый способ позволяет в широком энергетическом диапазоне одновременно в единых экспериментальных условиях определять средние длины свободного пробега электронов до упругого рассеяния, до неупругого взаимодействия и до потери когерентности. Способ обеспечивает получение этой информации для электронов, выходящих из твердого тела,Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает отсутствие радиационного повреждения системы монокристалл - пленка пучком первичных электронов, что имеет место в известном способе.Формула изобретения Способ определения средних длин свободного пробега электронов до неупругого взаимодействия, до упругого рассеяния и до потери когерентности в твердом теле, включающий последовательное облучение моно- кристаллической подложки и подложки с нанесенной на нее пленкой исследуемого вещества первичным возбуждающим излучением, регистрацию угловой зависимости интенсивности вторичного излучения от чистой подложки и от подложки с пленкой и определение средних длин свободного пробега электронов из сравнения получаемых угловых зависимостей интенсивности вторичного излучения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения энергетического диапазона электронов, для которых определяются длины свободного пробега, облучение производят мягким рентгеновским излучением заданной длины волны, регистрируют интенсивность одной иэ линий спектра рентгеновских фотоэлектронов, возбужденных в монокристаллической подложке, и средние длины свободного пробега определяют по изменению средней интенсивности и сглаживанию тонкой структуры на зарегистрированных угловых зависимостях интенсивностей.