Типы зондирующих воздействий, используемые в спектроскопии, и их влияние на поверхности и приповерхностные слои твердых тел

Для исследования материалов в качестве зондирующих воздействий используется многообразие излучений, в частности, электромагнитные поля сверхвысокий частот (СВЧ), волны оптической части спектра, рентгеновское и гамма-излучения, потоки электронов, позитронов, нейтронов, ионов. Несмотря на общность физической природы первых четырех из перечисленных излучений, относящихся к разным областям электромагнитного спектра, они ведут себя по-разному при взаимодействии с веществом и поэтому находят различные практические применения. Причина заключается в том, что проявление тех или иных эффектов взаимодействия зависит от величины отношения λ/ℓ, ν/ƒ (λ,ν – длина волны и частота излучения; ℓ,ƒ – характерные для среды расстояния и частоты колебаний, например, межатомное расстояние и собственные частоты кристаллической решетки). Некоторые явления с участием электромагнитных полей (например, фотоэффект) не поддаются объяснению с помощью волновой теории и могут быть описаны только в рамках квантовых представлений. С другой стороны, потоки частиц проявляют волновые свойства, поэтому некоторые характеристики их взаимодействия с веществом описываются той же теорией, что и взаимодействие электромагнитных волн, хотя наличие у частиц электрического заряда и собственного магнитного момента обуславливает специфические особенности их поведения.

При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом возникают процессы, обусловленные движением заряженных частиц в электрическом и магнитном полях волны: поляризация и намагничивание, вращение плоскости поляризации и поглощение излучения, возбуждение вихревых токов и колебаний различных подсистем среды (электронной и ядерной магнитных подсистем кристаллической решетки и ее дефектов, например, дислокаций). С точки зрения квантовой теории, в электромагнитном поле происходят межуровневые переходы, причем в кристаллах они обычно “коллективизированы” благодаря сильному взаимодействию между частицами.

Процессы взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ и вещества являются основой радиоспектроскопии. Один из таких процессов – резонансное поглощение внешнего электромагнитного излучения ферромагнитным веществом, или ферромагнитный резонанс (ФМР). Явления, изучаемые радиоспектроскопией, характеризуются такими квантовыми переходами, при которых вещество и поле обмениваются квантами энергии ħω=10^-3-10^-5 эВ, малыми по сравнению с энергией химических связей. Поэтому радиоспектроскопические исследования являются неразрушающими и дают информацию о тонких деталях энергетического спектра и структуры отдельных атомов и различных материальных сред.

При прохождении через вещество фотоны рентгеновского и гамма-излучения взаимодействуют с электронной и ядерной подсистемами, причем интенсивность того или иного взаимодействия зависит от энергии фотонов. При малых энергиях (до нескольких кэВ) преобладают внутренний и внешний фотоэффекты, ионизация атомов, возбуждение в них вторичного (флуоресцентного) излучения, образование электронов Оже, процессы рассеяния (в основном упругого). В диапазоне энергий от нескольких десятков кэВ до 1 МэВ становится существенным неупругое рассеяние на электронах (эффект Комптона), а при энергиях фотонов, превышающих 1,02 МэВ, в кулоновском поле ядер возможно образование электронно-позитронных пар. В узких областях энергии могут проявляться резонансные эффекты взаимодействия с электронными оболочками атомов (аномальная дисперисия) и с их ядрами (процессы внутренней конверсии и неупругого рассеяния, а также эффект Мессбауэра).

Фотоэлектрическое поглощение начинается при энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны в спектре твердого тела. При небольшом превышении этой величины переброшенный в свободную зону электрон остается внутри тела\. А в валентной зоне возникает дырка (внутренний фотоэффект), При более высоких энергиях фотонов (порядка энергии ионизации свободного атома) фотоэлектроны могут выходить за пределы поверхности твердого тела (внешний фотоэффект).

Рассеяние рентгеновских лучей атомами складывается из рассеяния электронами и ядрами. Сущность эффекта упругого рассеяния заключается в том, что под действием электрического поля падающего излучения заряженные частицы колеблются с частотой, равной частоте изменения поля, излучая при этом электромагнитные волны той же частоты, которые и представляют собой рассеянные рентгеновские лучи.

При бомбардировке поверхности твердых тел электронами возможно возникновение большого многообразия процессов и явлений, относительная роль которых зависит от энергии первичных электронов и свойств материалов (рис. 1.2). Зондирующие электроны подразделяются на медленные (с энергией 10-1000 эВ) и быстрые (с энергией более 10 кэВ).

Упругое рассеяние электронов возникает, в основном, за счет взаимодействия с кулоновским полем ядер. Квазиупругое рассеяние обусловлено взаимодействием некоторых электронов с фононами и характеризуется малыми потерями энергии (1-10 мэВ). В случае неупругого рассеяния потери энергии первичных электронов становятся существенными и определяются рождением вторичных электронов (с энергией <50 эВ), ионизацией внутренних оболочек атомов, образованием электронно-дырочных пар, возбуждением фононов и других квазичастиц.

Взаимодействие электронов, имеющих энергию Ер, с поверхностью твердого тела приводит к их рассеянию с энергетическим спектром, показанным на рис. 1.3.