Электронный прожектор освещает объект
Электронный прожектор освещает объект
Последняя группа рассматриваемых нами методов — это методы, в которых воздействие на поверхность осуществляется электронным лучом. При этом объект может испускать электроны, ионы, атомы и электромагнитное излучение. Начнем с самого простого. Электроны с малой энергией проникают в вещество неглубоко, следовательно, мы будем
подвергать анализу только поверхностный слой, но оторвать от поверхности собственный ее атом они не могут. А электроны с достаточно большой энергией слишком сильно углубятся в образцы, и сбитые ими со своих мест атомы не доберутся до поверхности. Поэтому такие электроны способны лишь удалить с поверхности сорбированные атомы, причем одни газы удаляются легко, а другие — нет, что вовсе не облегчает анализ. Кроме того, всего лишь менее 1 % сорбированных атомов уходит от поверхности в виде ионов, которые легко анализировать. Поэтому этот метод, называемый «электронно-стимулированной десорбцией», применяется редко.
Шире применяются методы, основанные на генерации при электронной бомбардировке так называемого «характеристического излучения». Если энергия бомбардирующих электронов достаточна для перемещения принадлежащего атому электрона с одной оболочки на другую, то при возвращении перемещенного электрона на свое старое место будет испускаться рентгеновское излучение. Длина его волны зависит от разности энергий между оболочками. Поэтому излучение атомов разных элементов различно, что и позволяет определять состав объекта.
И, наконец, рассмотрим методы, в которых и воздействие, и реакция — это электроны. Это могут быть отраженные первичные электроны — те, которые летели к объекту, и вторичные — выбитые из него. Углы, под которыми электроны уходят от образца после отражения*), зависят от структуры поверхностного слоя. Этим методом было, например, обнаружено, что атомы на поверхности могут быть расположены не так, как в объеме. В частности, в первом слое могут чередоваться атомы и пустые места (вакансии), через которые «просматриваются» атомы второго слоя. Если на такую поверхность начать напылять атомы, то верхний слой должен понемногу дополняться. При этом происходит следующее: верхний слой разбивается на относительно большие участки («домены»), устроенные по-разному (например, заполненные полностью и наполовину). По мере напыления заполненные участки понемногу растут, а полузаполненные уменьшаются.
У некоторых металлов с кубической решеткой в объеме (золото, иридий, платина) атомы на поверхности расположены шестиугольниками! Поверхности, устроенные не так, как объем, называются реконструированными. Реконструкция собственных атомов поверхности может происходить и при сорбции. А если сорбированных атомов не хватает для всех поверхностных атомов основного вещества, они укладываются через один, через два, через три и т. д. При этом период в разных направлениях может быть различным: например, по одной оси сорбированный атом может лежать на каждом атоме основной решетки, а по другой — через два на третьем. Этот метод исследования поверхности, называемый методом «дифракции медленных электронов», является одним из самых старых и широко применяющихся.
Не уступает этому методу по широте применения и метод сканирующей электронной микроскопии. Пучок электронов, выходящий из так называемой электронной пушки, достигает объекта и передвигается по его поверхности (сканирует), обходя ее строка за строкой. Одновременно другой луч электронов обходит экран телевизора. Рядом с объектом в микроскопе стоит коллектор — электрод, собирающий вторичные электроны. Количество вторичных электронов, попадающих на коллектор, зависит от рельефа объекта. Будем изменять ток луча в телевизоре и, следовательно, яркость его экрана, которая пропорциональна току электронов, приходящих на коллектор в микроскопе. Мы получим на экране изображение рельефа поверхности объекта, такое, как если бы объект освещается светом сбоку, а при этом на него смотрят сверху. Казалось бы, надо считать, что глаз расположен сбоку, а объект освещен сверху «электронным лучом». Однако левая часть гребня в этом случае не была бы видна совсем. Между
тем, как видно из рис. 48, в детектор попадают и электроны из области, лежащей слева от гребня, хотя и в меньшем количестве. Поэтому надо считать, что глаз находится сверху,
а объект освещен «лучом света» сбоку и более слабым рассеянным светом — со всех сторон.
Разрешающая способность электронного сканируют его микроскопа зависит от диаметра электронного луча и от того, как электроны рассеиваются в объекте. Действительно, луч может быть очень тонким при входе в образец, но в самом образце он «распушается» (рис. 49). Глубина проникновения первичных электронов больше максимальной глубины вы
хода вторичных электронов (около 10 нм), поэтому из рис. 49 видно, что в случае тонкого луча разрешающая способность определяется именно эффективной глубиной выхода вторичных электронов.
Изображение в электронном сканирующем микроскопе имеет ряд особенностей, отличающих его от оптического. Например, разные вещества имеют разный коэффициент вторичной эмиссии, поэтому можно различать на объекте области разного состава. Кроме того, при касательном падении
электронного луча на объект увеличивается количество вторичных электронов, выходящих из объекта (см. рис. 43), поэтому «крутые склоны» на электронно-микроскопическом изображении выглядят яркими.
В отличие от сканирующей электронной микроскопии метод спектроскопии характеристических потерь энергии использует первичные электроны, отраженные от образца. При отражении электроны могут терять часть своей энергии («характеристические потери») на возбуждение колебаний электронов проводимости и сорбированных атомов. Измеряя энергию отраженных электронов, мы определим, какая часть энергии потеряна при взаимодействии с образцом. Это способ исследования одновременно и электронов проводимости, и сорбированных атомов, поскольку от того, как они расположены (прямо над атомом подложки, посередине между ними или в промежуточных положениях) зависит частота возбуждаемых колебаний и потери энергии. Заметим, что эти потери могут быть не только у первичных электронов, но и у электронов, выбитых из атомов квантами и электронами.
Первичные электроны могут отражаться от объекта, потратив энергию не только на возбуждение колебаний, но и на переброс электронов с внутренних оболочек на внешние. Так как энергия различна для разных элементов, то, используя этот факт, можно устанавливать химический состав поверхности образца. Но энергию первичных электронов можно изменять, следовательно, можно изменять и глубину анализируемого слоя. Этот вид потерь энергии называется ионизационным, а метод исследования — ионизационной электронной спектроскопией. Конечно, ионизационные потери, как и характеристические, могут испытывать и электроны, выбитые квантами и другими электронами.
Поскольку эмиссия электронов из вещества может быть вызвана и бомбардировкой, например, ионами, то можно создать прибор, использующий пучок ионов для бомбардировки образца, но анализирующий, как электронный микроскоп, эмиттированные электроны. Сейчас уже делаются попытки создать такой прибор, хотя достигнутое разрешение пока хуже, чем у электронного микроскопа.
Следующий метод, который мы рассмотрим, тоже связан с удалением электронов из атомов при бомбардировке электронами, но при этом анализируются не удаленные электроны, а нечто другое… На место выбитого перемещается один из более далеких от ядра электронов, а избыток энергии передается третьему, который улетает в вакуум к анализатору энергии.
Этот метод позволяет анализировать объект на глубине около 10"9 м (несколько монослоев), а размер анализируемого участка составляет доли микрометра (диаметр электронного луча). Водород и гелий этим методом наблюдать нельзя, поскольку у них нет третьего электрона. Заметим, что процесс может быть и многостадийным, так как электрон, переместившийся вниз и заполнивший вакансию, оставил вакансию там, откуда ушел, и процесс может продолжаться. Этому методу повезло с названием: он имеет общеупотребительное «имя собственное» — Оже-спектроскопия. Назван он так по имени своего автора Пьера Оже. (Кроме обычного Оже-эффекта, бывают еще двойной, когда выбрасываются два электрона, и половинный — когда заполняются две вакансии, а вылетает один электрон.)
В заключение вернемся к уже упомянутой системе W + алюминат Ва—Са. История с ней весьма поучительна, ибо эта система давно и успешно применяется как катод электронных ламп, а вот как она устроена, до сих пор не вполне ясно. Даже современные методы анализа, несмотря на их фантастическую чувствительность, не сразу привели к лучшему пониманию. Давно уже было установлено, что в этой системе на поверхности W (W в роли катода) вырастают кристаллики окислов Ва. Так как вначале их там не было, то, следовательно, Ва и О попадают на поверхность катода в результате поверхностной диффузии (миграции) по W. Таким образом, в системе после ее прогрева появляются кристаллы окислов Ва, а также содержится W, покрытый монослоем Ва и О. Но методы не имели поначалу необходимого пространственного разрешения и давали смесь сигналов от кристаллов и монослоев, разобраться в которой было невозможно. Сейчас картина начала проясняться. Заметим, что отчасти прогресс был связан с одновременным применением различных методов, и это вообще характерно для современного состояния области.
В заключение главы вспомним, что почти все методы исследования поверхности применимы только в вакууме. Каковы должны быть особенности таких вакуумных установок? Основная — очень высокий вакуум, обычно не хуже 10“7 Па.
Какие же насосы можно применять в установках для исследования поверхности? Пока наиболее часто используют магниторазрядные и сублимационные насосы, у других насосов есть недостатки: у диффузионных — наличие масла, у турбо-молекулярных — вибрация. Криогенные насосы (использующие сорбцию на охлаждаемой поверхности) вроде бы недостатков не имеют, но еще не «вошли в быт». Возможно, что будущее принадлежит именно им.