Методика проведения электронной ОЖЕ-спектроскопии

Для исследований качественного состава поверхностных слоев металлов применялся метод электронной Оже-спектроскопии [28-31]. Он основывается на измерениях энергий и интенсивностей токов Оже-электронов, эмиттируемых из атомов (молекул) твердого тела при Оже-эффекте, сущность которого заключается в следующем. Если в атоме под действием электронной бомбардировки или другим способом создана вакансия на внутренней электронной оболочке (например на К уровне), возбужденный атом спустя некоторое время возвращается в основное состояние, излучая характеристическое электромагнитное излучение или совершая безизлучательный переход, так называемый Оже-переход. Эффект Оже поясняется на рис. 2.3. Электроны, окружающие атомное ядро, располагаются на последовательных уровнях К, L, М. Электроны, расположенные близко к ядру, находятся в глубокой потенциальной яме, а энергия электрона, расположенного вне атома, равна нулю.

Если энергия Е_р налетающего извне электрона больше, чем Е_к, то, внедряясь в электронное окружение атома, он может выбить какой-либо электрон, например тот, который расположен на самом нижнем уровне (К). Этот К-электрон вылетает с энергией равной Е_р – Е_к, и его называют «истинным вторичным электроном». Освободившееся место на уровне К заполняется электроном с более высокого уровня (например L-электроном) что приводит к освобождению энергии (E_k – Е₁), достаточной для испускания либо фотона, либо еще одного электрона с уровня L. Если Е_р порядка нескольких кэВ, то освобожденный, обладающий энергией (E_k – 2Е₁) электрон, называется «электроном Оже» и может служить источником информации об атоме.

Рис. 2.3 – Принцип перехода KLM Оже

Так как Оже-переходов в атоме может быть несколько, по энергетическому спектру Оже-электронов можно однозначно определить элементный состав.

В Оже-спектроскопии пику Оже-электронов присваиваются номера, например, Si₁ – 92 эВ, Si₂ – 1619 эВ. Для всех элементов, кроме водорода и гелия, на которых Оже-переход невозможен, составлен атлас спектров Оже-электронов путем измерений на чистых материалах или соединениях. Если атом находится в связанном состоянии, энергия Оже-электронов несколько отличается от чистого состояния или появляются новые пики. По изменениям спектра можно судить о химических связях элементов, однако, в настоящее время атлас спектров имеется лишь для немногих соединений.

Возбуждение атомов проводится первичным остросфокусированным электронным пучком с энергией электронов (0,1...10,0) кэВ. Диаметр пучка (0,01...10,0) мкм определяет локальность анализа в плоскости объекта. Использование электронов для возбуждения атомов позволяет дополнительно реализовать режимы сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), что практически всегда обеспечивается в современных Оже-спектрометрах. Изображение объекта во вторичных, отраженных или поглощенных электронах выводится на экран дисплея, что позволяет определять место анализа с разрешением СЭМ (10 нм).

Локальность по глубине определяется глубиной выхода Оже-электронов и составляет (0,3...3,0) нм в зависимости от энергии электронов Оже, которая находится в пределах (20...2500) эВ. Низкая энергия анализируемых электронов и высокая чувствительность к поверхностным загрязнениям требует проведения измерений в сверхвысоком вакууме, порядка (10^-10... 10^-8) мм. рт. ст.

Регистрируют Оже-спектры с помощью дисперсионных энергоанализаторов в режимах N(E) – распределения вторичных электронов по энергиям и dN(E)/dE – дифференцированных спектров. Дифференцирование спектров предпочтительнее, так как позволяет различить слабые Оже-пики.

Распределение элементов по глубине получают путем ионного распыления слоев исследуемого объекта с периодической регистрацией Оже-электронов. Для распыления применялись ионы аргона с энергией 3,5 кэВ.

Количественный анализ проводился по методу чистых стандартов, где интенсивность токов Оже-электронов корректируется на коэффициент элементной чувствительности. Необходимо отметить, что количественные характеристики зависят от многих факторов, поэтому представленные таблицы содержания элементов следует использовать только для сравнения между образцами. Содержание химического элемента дается в атомных процентах относительно других элементов, при этом принимается, что суммарное количество атомов заданных элементов равно 100 %. Перерасчет в весовые проценты проводится по соотношению:

где – атомный вес i-го элемента, – содержание химического элемента на исследуемой поверхности в весовых процентах, – содержание химического элемента на исследуемой поверхности в атомных процентах.

В знаменателе должны быть учтены все элементы, имеющиеся в исследуемом образце.