Ионное распыление и вторичная ионная эмиссия . <...> ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ . <...> Теория распыления путем каскадов атомных столкновений . <...> Модели теплового пика, горячего пятна и ударных волн . <...> Механизмы распыления за счет электронных процессов и химических реакций . <...> Элементы теории ионизации и возбуждения атомов в ионной спектроскопии . <...> Модели ионизации вторичных атомов в условиях распыления за счет каскадов атомных столкновений . <...> ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ . <...> Глубина выхода электронов и исследуемый объем вещества . <...> Оже-процесс и процесс эмиссии рентгеновского кванта . <...> Особенности детектируемого энергетического спектра электронов при разных факторах возбуждения . <...> Тепловые колебания решетки и фактор Дебая–Валлера . <...> Он ввел понятие адсорбционной химической связи, поверхностной адсорбционной решетки, вывел уравнение мономолекулярной адсорбции (уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра); выполнил исследования по определению работы выхода металлов и по гетерогенному катализу и адсорбции; исследовал законы термоионной эмиссии. <...> Благодаря его открытиям с 1960-х годов фотоэмиссионная спектроскопия и дифракция медленных электронов широко применяются для анализа электронной и кристаллической структуры поверхности. <...> Установление факта, что электронная спектроскопия, в частности оже-спектроскопия, позволяет регистрировать химические соединения, находящиеся на поверхности твердого тела, с чувствительностью до малых долей монослоя. <...> Теоретическим основам методов ионной и электронной спектроскопии и структурного анализа посвящены разделы с 4-го по 6-й. <...> Векторы элементарных трансляций называют основными, если две любые точки r и r', при наблюдении из которых атомное расположение имеет одинаковый вид, всегда удовлетворяют соотношению (1.1) при произвольном выборе чисел п1, п2, п3. <...> 1.2, могут быть приняты за векторы основных трансляций <...>
Основы_анализа_поверхности_твердых_тел_методами_атомной_физики.pdf
УДК 539.2:539.1(075.8)
ББК 22.37:22.383я73
Н62
Никитенков Н.Н.
Н62
Основы анализа поверхности твердых тел методами атомной
физики: учебное пособие / Н.Н. Никитенков; Томский политехнический
университет. – Томск: Изд-во Tомского политехнического
университета, 2013. – 203 с.
ISBN 978-5-4387-0349-5
Пособие посвящено экспериментальным особенностям и теоретическим
вопросам анализа свойств поверхности твердых тел и тонких пленок. Рассмотрены
механизмы физических явлений, лежащих в основе эмиссионных процессов,
при возбуждении поверхности электронными и ионными пучками,
температурой и электростатическими полями большой напряженности. Описаны
принципы функционирования узлов высоковакуумных аналитических
установок (оптика заряженных частиц, энергоанализаторы, масс-анализаторы,
электронные и ионные пушки, детекторы частиц и излучений).
Предназначено для бакалавров и магистрантов, обучающихся по специальности
01.04.07 «Физика конденсированного состояния вещества».
УДК 539.2:539.1(075.8)
ББК 22.37:22.383я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор
ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН
Г.П. Грабовецкая
Доктор физизико-математических наук,
профессор МАТИ
А.М. Борисов
ISBN 978-5-4387-0349-5
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Никитенков Н.Н., 2013
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................................................... 6
ВВЕДЕНИЕ. История и актуальность науки
о поверхности и методов ее исследования ............................................. 7
1. СТРОЕНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ............................................................ 11
1.1. Кристаллическая структура поверхности .................................... 11
1.1.1. Основные понятия кристаллографии ..................................... 11
1.1.2. Структура идеальной поверхности ........................................ 14
1.1.3. Структура реальной поверхности ........................................... 18
1.1.4. Описание кристаллической структуры поверхности ........... 20
1.2. Электронная структура поверхности ........................................... 23
1.2.1. Поверхностные состояния ....................................................... 24
1.2.2. Распределение поверхностных состояний ............................. 28
Вопросы для самопроверки ............................................................... 32
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ДИАГНОСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ .................................................. 33
2.1. Вакуум и сверхвысокий вакуум .................................................... 33
2.2. Чистота и «динамическая чистота» поверхности ....................... 34
2.3. Важнейшие конструктивные узлы аналитических установок ... 39
2.3.1. Электронная и ионная оптика ................................................. 40
2.3.2. Электронные и ионные пушки ............................................... 43
2.3.3. Источники рентгеновских квантов и фотонов ...................... 45
2.3.4. Энергоанализаторы .................................................................. 48
2.3.5. Масс-анализаторы .................................................................... 56
2.3.6. Детекторы заряженных частиц и фотонов............................. 61
Вопросы для самопроверки ............................................................... 67
3. ЯВЛЕНИЯ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ МЕТОДОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ............................................... 69
3.1. Физические принципы и классификация методов анализа
поверхности ................................................................................... 70
3.2. Электронная эмиссия (ЭЭ) ............................................................ 76
3.2.1. Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) ................................. 76
3.2.2. Ионно-электронная эмиссия (ИЭЭ) ....................................... 80
3.2.3. Фотоэлектронная эмиссия (ФЭЭ) ........................................... 83
3
Стр.3
3.2.4. Полевая электронная эмиссия (ПЭЭ) ..................................... 86
3.2.5. Термоэлектронная эмиссия (ТЭЭ) .......................................... 89
3.3. Ионная эмиссия (ИЭ) ..................................................................... 91
3.3.1. Ионное распыление и вторичная ионная эмиссия ................ 92
3.3.2. Полевая ионная эмиссия (ПИЭ) ............................................. 94
3.3.3. Термоионная эмиссия .............................................................. 97
3.3.3.1. Термодесорбция (ТД) ........................................................ 97
3.3.3.2 Поверхностная ионизация (ПИ)....................................... 100
3.3.4. Нетермическая десорбция ..................................................... 103
Вопросы для самопроверки ............................................................. 107
4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
ИОННОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ ....................... 108
4.1. Элементы теории атомных столкновений ................................. 109
4.1.1. Сечение столкновений ........................................................... 109
4.1.2. Сечение рассеяния и прицельный параметр ........................ 110
4.1.3. Упругие столкновения ........................................................... 112
4.2. Элементы теории прохождения ускоренных частиц через
вещество ....................................................................................... 115
4.3. Элементы теории ионного распыления ...................................... 117
4.3.1. Классификация механизмов распыления ............................ 117
4.3.2. Теория распыления путем каскадов
атомных столкновений .......................................................... 121
4.3.3. Модели теплового пика, горячего пятна и ударных волн .. 128
4.3.4. Механизмы распыления за счет электронных
процессов и химических реакций ....................................... 133
4.3.5. Особенности распыления многокомпонентных мишеней . 134
4.3.6. Моделирование на ЭВМ процессов распыления ................ 136
4.4. Элементы теории ионизации и возбуждения атомов
в ионной спектроскопии ............................................................. 139
4.4.1. О классификации теоретических моделей
ионообразования .................................................................... 139
4.4.2. Микропроцессы, ответственные за ионообразование ........ 140
4.4.3. Модели ионизации вторичных атомов в условиях
распыления за счет каскадов атомных столкновений ....... 147
4.4.4. Модель разрыва связей .......................................................... 153
4.4.5. Термодинамическое описание процессов ионизации
и возбуждения ........................................................................ 157
Вопросы для самопроверки ............................................................. 163
4
Стр.4
5. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОННОЙ
СПЕКТРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ .......................................... 164
5.1. Глубина выхода электронов и исследуемый объем вещества . 164
5.2. Сечение неупругих электрон-электронных столкновений ...... 166
5.3. Сечение ударной электронной ионизации ................................. 167
5.4. Плазмоны ...................................................................................... 167
5.5. Средняя длина свободного пробега электронов ........................ 170
5.6. Оже-процесс и процесс эмиссии рентгеновского кванта ......... 170
5.7. Пробеги первичных электронов в твердых телах ..................... 172
5.8. Рентгеновское излучение ............................................................. 175
5.8.1. Тормозное излучение ............................................................. 176
5.8.2. Характеристическое рентгеновское излучение ................... 177
5.8.3. Вероятности процессов, ширины атомных уровней
и времена жизни ..................................................................... 180
5.9. Особенности детектируемого энергетического спектра
электронов при разных факторах возбуждения ....................... 182
Вопросы для самопроверки ............................................................. 186
6. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДОВ
СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ .......................... 187
6.1. Дифракция ..................................................................................... 187
6.1.1. Дифракция электронов .......................................................... 187
6.1.2. Построение Эвальда .............................................................. 190
6.1.3. Тепловые колебания решетки и фактор Дебая–Валлера .... 192
6.2. Сканирующая зондовая микроскопия ........................................ 193
Вопросы для самопроверки ............................................................. 196
Задачи .................................................................................................. 197
Часто использованные обозначения и аббревиатуры ................ 200
5
Стр.5