2014_velichko

пути к анализатору они не претерпели рассеяния и тем самым не были утрачены для анализа. Вторая причина связана с высокой поверхностной чувствительностью методов электронной спектроскопии. Поскольку большинство анализируемых электронов образуется в нескольких верхних атомных слоях, результаты экспериментов весьма чувствительны к поверхностным загрязнениям любого рода.

Различные особенности электронных спектров и требования, налагаемые методикой исследования, привели к созданию множества анализаторов. В большинстве анализаторов для электронной спектроскопии используются электростатические силы. Они могут быть подразделены на два основных класса:

анализаторы задерживающего поля;

анализаторы отклоняющего типа.

N(E)

а Ep

N(E)

		E0 E
Энергия электронов				Ep

б

Рис. 3.8. Затемненная область на спектре вторичных электронов, соответствующая электронам, выделяемым:

а – анализаторами задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0); б – анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетического окна

Е0 ± Е) [5]

91

На рис. 3.8 показаны диапазоны в спектре вторичных электронов, соответствующие энергиям электронов, выделяемым анализаторами

задерживающего поля (все электроны с энергией связи выше Е0 ) и анализаторами отклоняющего типа (электроны в пределах энергетиче-

ского окна Е0 Е) .

Процесс анализа частиц в анализаторах отклоняющего типа основан на фокусирующем и диспергирующем действии электростатического поля между электродами на поток заряженных частиц.

Анализаторы задерживающего поля (АЗП)

При исследовании поверхности в качестве широкополосного светосильного фильтра наиболее широко применяется анализатор задерживающего поля (АЗП). В этом анализаторе используется тормозящее электростатическое поле, пропускающее на коллектор только те электроны, кинетическая энергия которых превышает энергию задерживающего электрического поля. Сущность метода заключается в определении энергии электронов по максимальной величине потенциального барьера, который они могут преодолеть, двигаясь в тормозящем поле. В АЗП нет фокусировки по направлению, и поэтому их используют для определения только продольных составляющих скоростей электронов. Следовательно, АЗП работает по принципу широкополосного

фильтра: электроны с энергиями (Е0 Е) Е (Е0 Е) частично, а электроны с энергиями Е (Е0 Е) – полностью проходят в коллек-

тор электронов (рис. 3.8, а). Анализаторы задерживающего поля (АЗП) отсекают электроны с энергией, меньшей, чем Е0 eU0 . Флуорес-

центный экран служит в качестве коллектора электронов.

Образец помещается в центр набора концентрических сферических секторных сеток (рис. 3.9). Первая сетка, ближайшая к образцу, как и в методе ДМЭ, находится под тем же потенциалом (земля), что и образец. Это гарантирует, что электроны, покидающие образец, полетят в свободном от поля пространстве радиально по направлению к сетке. Вторая и третья сетки анализатора электрически соединены, и на них

подается задерживающий потенциал U0 для анализа энергии электронов. Изменяя значение U0 , можно регулировать долю электронов, достигших коллектора анализатора. Зависимость тока коллектора Iк от энергии задерживающего поля еU0 называется кривой задержки вто-

ричных электронов.

92

Рис. 3.9. Схема анализатора задерживающего поля [7]

В эксперименте дифракции медленных электронов (ДМЭ) задерживающий потенциал U0 выбирается несколько меньше, чем потен-

циал катода электронной пушки, так что все электроны с энергией, меньшей чем энергия падающих на образец электронов, тормозятся и не проходят через последнюю стадию ускорения на пути к экрану. Таким образом, в эксперименте ДМЭ сетки служат в качестве светосильного анализатора, пропускающего только упругорассеянные электроны.

Но если задерживающий потенциал U0 выбрать более низким, то все электроны, энергия которых превышает энергию Е0 , попадут на

экран. В результате, если распределение электронов по энергии описывается функцией N(E), на коллектор поступает ток электронов

I (E) N (E)dE . Поскольку максимальная энергия электронов, эми-

E0

тирующих из образца, соответствует энергии электронов в первичном пучке ЕР , в действительности ток будет [2]

	EP
I (E)	N(E)dE.	(3.15)
	E0
	93

Если этот ток [формула (15)] продифференцировать, то можно получить искомое распределение электронов по энергии N(E). Для этого

проще всего модулировать задерживающий потенциал U0 . Если на сетки подается задерживающий потенциал U0 и U0 U0 , то разность между токами на коллекторе при этих потенциалах составит [2]

	EP E
I (E)	N(E)dE.	(3.16)
	E0

И если величина Е e U E0 мала, то разность токов (3.16) будет равна N(E0 ) Е, т. е. пропорциональна искомому распределению по энергии N(E).

Достоинства и недостатки АЗП

Разрешение по энергии	Е линейно ухудшается с увеличением U,
в то время как сигнал N(E)	Е возрастает с ростом U [2], что приводит

к компромиссу между сигналом и разрешением. Проблема решается только в случае очень малых значений U (высокое разрешение), когда несферичность сеток и проникновение поля между ними ограничивают разрешение до 1 эВ.

На практике обычно задерживающий потенциал U0 модулируется

синусоидально. На вторую и третью сетки анализатора подается напряжение U0 U sin t . В этом случае ток коллектора можно с

помощью разложения в ряд Тейлора представить в виде суммы гармоник. Очевидно, что член, определяющий постоянную составляющую тока, рассчитывается по формуле (3.15). Амплитуда первой гармоники (член с sin ωt) имеет вид [2]

		E3	2 N(E )		E5 3N (E )
A EN(E )			0		0	...	(3.17)
1	0	8	E2		192 E3

Амплитуда второй гармоники (член с sin 2 t) определяется выражением

		E2	N(E )		E4 3N(E )
A			0		0	...	(3.18)
2		4	E		48 E3

94

Из формул (3.17)–(3.18) видно, что при такой синусоидальной модуляции детектирование тока на коллекторе на частоте ω (с помощью фазочувствительного детектора) дает ток, в первом порядке пропорциональный ЕN(E) , при условии, что Е достаточно мала (порядка не-

скольких эВ), чтобы членами более высокого порядка пренебречь. Таким образом, сигнал первой гармоники пропорционален N(E).

Графическая иллюстрация этого вывода дана на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Электрическое дифференцирование кривой задержки вторичных электронов [7]

Показана переменная составляющая тока коллектора при двух значениях постоянной составляющей задерживающего потенциала: US1 и

US 2 . Из этого рисунка видно, что амплитуда тока коллектора пропорциональна тангенсу угла наклона кривой Iк(US ) для данного значе-

ния US , т. е. значению производной от кривой задержки для данного

значения задерживающего потенциала.

На практике, особенно в методе ЭОС, обычно измеряют амплитуду второй гармоники. Как можно видеть из (3.18), амплитуда этой состав-

ляющей в первом приближении прямо пропорциональна A2 N (E0 ) .

E

Преимущество регистрации именно второй гармоники обусловлено тем, что интересующая нас структура спектра N(E) часто выражена весьма слабо на высокоинтенсивном фоновом сигнале, создаваемом

95

электронами, которые претерпели многократные потери энергии. Особенно это актуально для методов ЭОС. Дифференцирование убирает постоянный фон и позволяет получить большее увеличение (рис. 3.11).

Интенсивность

0

EC

N(E)

E

dN (E) dE

Рис. 3.11. Результат дифференцирования N(E) по энергии в окрестности слабого пика ЕС

Спектр производной увеличен в несколько раз [5]

Кроме того, уширенный слабый пик более четко виден в дифференциальном спектре, так как он трансформируется в двойную структуру (рис. 3.11), при этом нижняя и верхняя части этого пика сужаются. В режиме дифференциальной модуляции в большинстве экспериментов разрешение по энергии задается величиной модулирующего напряжения.

Существует и инструментальная причина для регистрации именно второй гармоники. Тормозящие сетки и коллектор (экран) образуют концентрический полусферический конденсатор с существенной емкостной связью между ними, что ухудшает результаты измерения N(E) по первой гармонике [2].

Требуемая гармоника сигнала коллектора выделяется с помощью синхронного детектирования. Если частота опорного сигнала синхрон-

ного детектора равна частоте модуляции , то на выходе детектора будет сигнал, пропорциональный N(E). В случае, когда частота опорного сигнала в два раза больше частоты модуляции, на выходе синхронного детектора выделяется вторая гармоника, т. е. dN(E)/dE.

96

Подводя итог, можно отметить основные преимущества АЗП:

1)конструктивная простота и возможность использовать АЗП для работы в режиме ДМЭ;

2)большой угол сбора электронов (обычно порядка стерадиан);

3)отсутствие аберраций, связанных с угловой расходимостью источника (в случае идеально сферических сеток).

К основным недостаткам АЗП следует отнести:

1)плохое отношение сигнал/шум, обусловленное тем, что все элек-

троны с энергией, большей энергии пропускания Е0 , попадают на коллектор и генерируют дробовой шум;

2)разрешение АЗП ограничивается несферичностью и размерами сеток, а также расстоянием между ними;

3)АЗП имеют малый рабочий отрезок, так как большая часть поверхности образца затенена.

Для типичного АЗП, радиус кривизны которого составляет 50 мм, а расстояние между сетками около 2…3 мм, разрешение по энергии Е/E составит 10–2…5 10–3.

Отклоняющие электростатические анализаторы (дисперсионные)

Отклоняющие электростатические анализаторы обладают более высоким энергетическим разрешением. Это достигается благодаря тому, что в анализаторах отклоняющего типа регистрируются электроны только в пределах узкого энергетического окна (рис. 3.8, б). Селекция электронов происходит за счет пропускания пучка электронов через диспергирующее поле, в котором отклонение есть функция энергии электрона, в результате чего только электроны с определенной энергией проходят по заданной траектории, ведущей к коллектору.

Ванализаторе может быть использовано как электростатическое, так

имагнитное поле [2]. Но магнитные анализаторы обычно используются лишь при очень высоких энергиях, а при энергиях, в большинстве методов электронной спектроскопии применяют электростатические анализаторы, которые компактны, достаточно просты при обслуживании и могут быть использованы в высоковакуумных системах.

Ванализаторах отклоняющего типа электростатическое поле создается поперек движения электронов. Простейшим вариантом мог бы быть плоский конденсатор (анализатор типа плоское электростатическое зеркало), в котором эквипотенциальные поверхности представля-

97

ют собой систему эквидистантных и параллельных плоскостей. Влетающие параллельно пластинам электроны отклоняются полем на расстояние, зависящее от энергии самого электрона (чем меньше энергия, тем больше отклонение). И если в пластине с положительным потенциалом сделать отверстие (выходная апертура), то из него будут вылетать электроны с энергиями, лежащими в определенном интервале Е. Величина этого интервала (энергетическое разрешение анализатора) зависит от напряженности поля и размера выходной апертуры. Но поскольку отклонение электронов полем зависит также и от угла инжекции самих электронов (вследствие чего даже электроны с одинаковой энергией будут отклоняться по-разному), в выходном электронном токе появляется разброс по энергии, связанный с угловым разбросом падающих электронов.

Следовательно, наличие разброса по углам даже в моноэнергетическом источнике снижает как разрешение по энергии, так и пропускание анализатора. Поэтому для увеличения чувствительности анализаторы должны фокусировать на выходной апертуре все электроны, имеющие одинаковую энергию, но попадающие во входное отверстие анализатора под различными углами. В идеале положение фокуса не должно зависеть от угла инжекции по отношению к центральной траектории электронов. Разрешающую способность анализатора можно характеризовать отношением дисперсии к величине аберрационного размытия точки фокуса. Чем лучше фокусировка пучка, тем больше это отношение и тем выше разрешающая способность анализатора. Разложим в ряд фокусное расстояние анализатора f(r) в зависимости от

координаты входа траектории в поле, где через f (r0 ) обозначено фо-

кусное расстояние основной (центральной) траектории, считая остальные параметры постоянными [6]:

f (r) f (r	) C	r r		1 C	2	r r	2	1 C	2	r r	3 , (3.19)
0	1	0		2		0		6		0
где r0 – отклонение координаты входа r								произвольной траектории

пучка от r0 – координаты входа центральной траектории потока. Если в разложении (3.19) равен нулю коэффициент C1 , то имеет

место фокусировка первого порядка, если равны нулю коэффициенты C1 и С2 , то анализатор обладает фокусировкой второго порядка. Чем

выше порядок фокусировки, тем меньше разность f (r) f (r0 ) и соот-

98

ветственно меньше аберрация. Фокусировка улучшается с ростом порядка фокусировки. Прибор с фокусировкой второго порядка способен успешно работать с источником, обладающим большей расходимостью, чем прибор с фокусировкой первого порядка.

Существуют следующие анализаторы отклоняющего типа:

анализатор типа «плоское электростатическое зеркало»;

анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ);

полусферический концентрический анализатор (ПСА);

127º-й секторный цилиндрический анализатор.

Анализатор типа «плоское электростатическое зеркало» может обеспечить угол полного отклонения либо 45º (фокусировка первого порядка), либо 30º (фокусировка второго порядка). Такие анализаторы распространены не столь широко, как остальные, хотя могут быть удобны при исследованиях с угловым разрешениием, поскольку такой анализатор отличается конструктивной простотой и может быть весьма миниатюрным [2].

Анализатор типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ)

Этот анализатор называемый также «цилиндром Венельда», получил наибольшее распространение в электронных спектрометрах. Работа АЦЗ основана на применении узкополосного энергетического фильтра, благодаря которому в коллектор попадают электроны с энергией в

пределах (Е0 Е) Е (Е0 Е) (см. рис. 3.8, б).

Анализатор этого типа состоит из двух коаксиальных полых металлических цилиндров и при угле входа относительно оси анализатора

42 19' обладает фокусировкой второго порядка (рис. 3.12).

Во внутреннем цилиндре A имеются узкие прорези S1 и S2 для

прохождения входящих и выходящих электронов соответственно. К внешнему цилиндру B прикладывается отрицательный по отношению

к внутреннему цилиндру потенциал Uab , а внутренний цилиндр и ис-

следуемый образец заземлены. В пространстве между цилиндрами напряженность электростатического поля изменяется обратно пропорционально радиусу r [8]:

	Uab
Е(r)				,	(3.20)
	r ln r	/ r
	b	a

99

здесь ra и rb – соответственно радиусы внутреннего и внешнего ци-

линдров. Первичный пучок электронов фокусируется на образце в точку диаметром порядка 100 мкм, которая является одним из фокусов анализатора.

Uab

v0

rmax

O1

S1				S2
		v0

L0

Рис. 3.12. Схема анализатора типа «цилиндрическое зеркало» (АЦЗ) [7]

Возникающие вторичные электроны движутся в радиальных направлениях и влетают в анализатор (рис. 3.10) с некоторой ско-

ростью v0 под углом входа θ. В результате отклонения от первоначаль-

ной траектории под действием электрического поля электроны будут двигаться по криволинейной траектории и сфокусируются на выходе в

точке О1 , в которой располагается коллектор электронов, например

электронный умножитель. Входная щель внутреннего цилиндра пропускает в анализатор электроны, заключенные в телесном угле между

двумя коаксиальными конусами, составляющими угол 7 . Наилучшая фокусировка электронного пучка в АЦЗ достигается при угле входа

электронов = 42° 18,5'. В этом случае расстояние между точками О и О1 , т. е. между образцом и детектором электронов, L0 6,12ra . Мак-

симальное удаление электронов от оси анализатора rmax 0,3L0 [7]. Энергия пропускания электронов Е0 пропорциональна потенциалу

внешнего цилиндра Uab и определяется геометрией анализатора [7]:

100