Применение ФЭС и практические примеры

Элементный состав

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия остовных уровней позволяет получить количественную информацию об элементном составе приповерхностной области образцов. Обзорный фотоэлектронный спектр представляет собой набор пиков, каждый пик соответствует электронному уровню отдельного элемента. В качестве примера, на рис. 1 приведён фотоэлектронный спектр для слоистой структуры GaN/AlGaN. На спектре видны пики, характерные для различных элементов и отражающие электронную структуру островных уровней этих элементов. Для каждого элемента положение, форма и соотношение пиков индивидуально, что позволяет получить количественную информацию об элементном составе.

 

В качестве примера в таблице 1 приведены значения содержания элементов в образце GaN/AlGaN, расчитанные по спектру, изображённому на рис. 1. Образец представляет собой слоистый материал, отсутствие в спектрах линий алюминия, показывает, что плёнка GaN полностью покрывает подложку AlGaN, и толщина превышает несколько нанометров. Более точные значения распределения элементов по глубине можно получить с использованием ионного профилирования, про которое будет рассказано далее.

Химические сдвиги

Форма фотоэлектронного пика и его энергетическое положение характеризует химическое состояние элемента. Так для одного и того же атома, находящегося в различном окружении, энергетические положения пиков будет различными. В том случае, если в материале присутствует элемент в различном химическом состоянии (химическом окружении), то спектр данного элемента будет содержать несколько компонент, каждая из которых соответствует отдельному соединению. В качестве примера на рис. 2 приведён спектр графена, допированного атомами бора.

 

Хорошо видно, что спектр можно разложит на 3 компоненты, каждая из которых отвечает за различные химические связи атомов углерода. По соотношению интенсивностей этих компонент можно судить о количественном соотношении различных химических состояний одного и того же элемента.

Спектр C1s углерода, полученный для наносистемы B-графен/Ni(111)/W(110), даёт основания предполагать, что при использованном способе синтеза образца атомы бора встраиваются в решётку графена и имеют в ближайшем окружении два атома углерода.

Фотоэлектронные карты

Для изучения химического состава образцов с латеральным разрешением используется метод элементного картирования поверхности, реализация данной методики возможна за счёт наличия специальной микроканальной пластины, которая позволяет анализировать вылетающие из твёрдого тела фотоэлектроны с пространственным разрешением. На рис. 3 в качестве примера, представлено изображение распределения меди на поверхности тестового образца (изображение буквы „А“). Программная обработка позволяет получить значения относительной концентрации элемента в различных областях образца.

Помимо фотоэлектронного картирования, также возможно получать Оже-карты поверхности. Для этого производится сканирование поверхности сфокусированным электронным пучком, и анализируются выходящие Оже-электроны. Данные методики позволяют активно применять фотоэлектронный спектрометр в исследовании химически неоднородных объектов, и, в частности, изучать качество осаждённых тонкоплёночных покрытий.

Ионное профилирование

Изучение распределения элементов по глубине производиться с использованием методики ионного профилирования. Суть методики заключается в следующем: исследуемая поверхность поочерёдно травится ионами аргона и исследуется РФЭС. В результате получается набор фотоэлектронных спектров при разном времени травления поверхности. Время травления поверхности определяет толщину удалённого слоя. Калибровка с использованием, например, атомно-силового микроскопа позволяет получить количественную зависимость глубины протравливания от времени.

На рис. 4 приведен пример исследования распределения элементов по глубине с использованием методики ионного профилирования образцов, представляющих собой фольгированный медью стеклотекстолит с нанесенным двухслойным покрытием химического никеля и иммерсионного серебра.

Предполагалось, что в процессе синтеза на поверхности формируется тонкий промежуточный слой фосфора, который играет роль „замка“. Однако данные по распределению элементов показали, что в промежуточной области нет возрастания концентрации фосфора, и что промежуточный слой, выполняющий роль „замка“, не образуется. Данная методика полезна при изучении неоднородных тонкоплёночных систем, когда нужна информация о геометрических характеристиках синтезируемой системы.

На нашем сайте вы можете более подробно ознакомиться с рентгеновскими фотоэлектронными спектрометрами компании SLI.