Ионно-нейтральная спектроскопия

Введение

Ионно-нейтрализационная спектроскопия (ИНС) — метод исследования энергетической структуры поверхности конденсированных сред с помощью которого возможно исследование состава и строения твердого тела на глубине ~ 0.5 нм. ИНС чаще всего используется для анализа металлов и полупроводников. В данном методе поверхность бомбардируют ионами, а в нейтрализации ионов участвуют два электрона. ИНС является одним из наиболее чувствительных приповерхностных метода определения состава вещества.


Основы метода ИНС
Изучение нейтрализации положительных ионов на металлической поверхности началось в конце 20-х годов, в частности Олифантом [1], который обнаружил, что положительные ионы Не+, бомбардирующие молибденовую мишень, нейтрализуются и при этом испускают электроны. Олифант обнаружил также, что некоторые из нейтральных атомов Не, соударяющиеся с мишенью, вызывали эмиссию электронов. Он пришел к совершенно правильному заключению, что этими атомами были в действительности, возбужденные или метастабильные атомы Не+, которые релаксировали на поверхности молибдена.
Ионно-нейтрализационная спектроскопия (метод исследования энергетической структуры поверхности конденсированных сред) - это эмиссионная электронная спектроскопия, в которой измеряется распределение кинетической энергии электронов, выбрасываемых из твердого тела внешним агентом. В ИНС применяемый извне агент представляет собой медленно движущийся положительный ион, такой как He+. Вблизи поверхности происходит безызлучательный процесс электронного перехода оже-типа, который одновременно нейтрализует ион до основного состояния родительского атома и возбуждает второй электрон, который может быть выброшен в вакуум [2,3]. Распределение кинетической энергии этих выброшенных электронов содержит спектроскопическую информацию об электронной структуре в поверхностной области твердого тела.
Основным электронным процессом в методе ИНС (хотя возможны и другие, рис.1) является безызлучательный двухэлектронный переход оже-типа (рис.2), который нейтрализует ион до его основного состояния на атомно-чистой твердой поверхности и одновременно возбуждает другой электрон в твердом теле.

Рис. 1. Возможные электронные переходные процессы с участием одного электрона, которые могут происходить, когда медленно движущийся ион или возбужденный атом приближается к твердой поверхности. VL - уровень вакуума; FL - уровень Ферми; τ - время жизни начального состояния процесса [4].

Рис

. 2. Процессы двухэлектронного или оже-типа, которые могут происходить на твердой поверхности, когда ион или возбужденный атом приближается к ней с минимальной кинетической энергией. Здесь E - кинетическая энергия возбужденного или восходящего электрона, который может быть выброшен в вакуум [4].


В основу метода заложено измерение распределений энергии и далее построение функции плотности переходов. Эта функция, которая определяет относительную вероятность того, что электрон с данной энергией будет вовлечен в процесс нейтрализации она зависит от плотности состояний в начальных и конечных состояниях процесса, вероятности перехода, взаимодействия в конечном состоянии и ряда других не столь существенных факторов. Полученная информация напоминает данные полученные методом мягкой рентгеновской спектроскопии и фотоэлектронной спектроскопии. Когда поверхность атомарно чиста, плотность перехода включает в себя плотности объемного состояния и вероятности перехода, которые зависят от поверхности. Для поверхностей с монослоями, включающими посторонние атомы, плотность перехода модифицируется изменением плотности состояний и волновой функции, обусловленным наличием двумерного поверхностного кристалла. В качестве примера для метода ИНС можно привести данные для меди и никеля (рис.1).

Рис. 3. Распределение кинетической энергии электронов, выбрасываемых ионами He+ 5 эВ с атомарно чистых граней Ge (111), Ni (100), Cu (100) и грани Ni (100), имеющей структуру c (2X2) содержание Ni и O на его поверхности [5].
Наличие адсорбированных атомов на поверхности металла изменяет электронные состояния в приповерхностной области. Эти изменения оказывают значительное влияние на энергетические спектры испускаемых электронов. Пример наблюдаемых изменений такого типа представлен на рис. 1, где показано распределение испускаемых электронов по энергии, полученное для ионов Не+ с кинетической энергией 5эВ. Здесь приведены данные для атомно чистых поверхностей Ni (100), Cu (100), и Ge (111) и для поверхности Ni(100), покрытой слоями адсорбированных О, S и Sе. Приведенные спектры показывают, что процесс нейтрализации ионов чувствителен как к природе твердого тела, так и к типу хемосорбированного вещества. Именно из этих спектров извлекается информация о поверхности и адсорбированных на ней слоях. Теперь мы рассмотрим способы достижения этой цели, основываясь на детальном описании процесса нейтрализации.

Процедура получения спектроскопической информации
Процедура получения спектроскопической информации из данных по ионной нейтрализации заключается в следующем.
При двух малых значениях энергий налетающих ионов определяются функции распределения испускаемых электронов по энергии Х(Ек).
Эти распределения используются затем для нахождения путем экстраполяции распределения, которое было бы получено для идеальных налетающих ионов с нулевой энергией.
Полученное таким образом идеальное распределение делится на функцию Р(Ек), показанную на рис