Физические основы метода РФЭС

Метод основан на явлении поглощения веществом рентгеновского излучения с энергией hv, тогда уравнение для проводников примет следующий вид:

hv=Е_К+Е_В+А_вых

Где А_вых — работа выхода образца. В случае проводящих образцов, электрический контакт выравнивает уровень Ферми во всей системе. И так как работа выхода во входящей щели не равна работе выхода исследуемого образца, между ними создаётся электрическое поле, которое действует на фотоэлектрон и изменяет его кинетическую энергию. Таким образом, энергия связи электрона может быть определена с помощью анализатора через кинетическую энергию фотоэлектрона (E_K’) и известную нам величину работа выхода материала входной щели (А_выхsp), которая устанавливается при калибровке спектрометра.

E_В=hv- А_выхsp-E_K’

Поскольку энергия связи измеряется по отношению к уровню Ферми, то ее значение определяется положением E_F. Это может быть проиллюстрировано на примере легированного полупроводника, в котором положение зависит от типа примеси. Так, линия Si 2 p для высоколегированного n++ и p++ Si имеет два разных положения, отстоящих на величину запрещенной зоны кремния – примерно 1 эВ. [1]

Рисунок 1. Влияние легирования кремния на положение уровня Ферми

Исследование твердых тел методом РФЭС представляет большой интерес, так как возможно исследовать слой толщиной до 5 нм без разрушения самого образца. Принципиальная схема рабочей установки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 – рентгеновская трубка, 3 – электронный монохроматор, 2- образец, 4 – детектор, 5 – защита от МП Земли

Рентгеновское излучение из трубки 1 попадает на образец 2, помещенный вблизи входной щели спектрометра, и выбивает электроны внутренних и валентных уровней. Выбитые электроны попадают в электронный спектрометр 3 высокого разрешения для определения их кинетической энергии и фокусировки. Затем сфокусированный монохроматический пучок электронов поступает в детектор электронов 4. В качестве защиты от магнитного поля Земли, установку помещают в специальную оболочку 5, не намагничивающуюся и не пропускающую внешнее магнитное поле. Для уменьшения времени регистрации электронов и улучшения качества спектра в современных установках применяют многоканальные анализаторы и детекторы, робота которых контролируется с помощью ЭВМ. Информация на выходе такого устройства является суммарной от каждого детектора, что позволяет исключать фон, сглаживать, дифференцировать, интегрировать спектры и т.п. Корректировка и дополнительная обработка спектров производится в специальной программе, причем все изменения и конечный результат отображаются в окне этой же программы. На графике спектра по оси 9 абсцисс откладывается энергия, вылетевших электронов, а по оси ординат их интенсивность. Качество получаемых спектров различно и зависит от разрешающей способности источника возбуждающего излучения. Ширина возбуждающей линии рентгеновского спектра порядка 1 эВ, это значение улучшают за счет монохроматизации линии до 0, 39 эВ. Одним из неотъемлемых аспектов при изучении твердых и порошкообразных поверхностей методом РФЭС (или УФЭС), является наличие высокого вакуума. При изучении, к примеру, энергетических уровней в металлах, поверхность исследуемых образцов должна быть чистой. Так же необходимо, чтобы длина свободного пробега электронов (выбитых с поверхности образца) была больше расстояния от образца до анализатора. Оценки показывают, что при вакууме 10-7 Па молекулы О2 при коэффициенте прилипания к твердой поверхности, равном 1, покрывают поверхность мономолекулярным слоем за 50 мин. Поскольку эта величина обратно пропорциональна давлению, то при вакууме 10-6 Па мономолекулярный слой образуется уже через 5 мин, что сопоставимо со временем записи спектра. Столкновение электронов с атомами (молекулами) или ионами инородных веществ, при движении к камере анализатора, уменьшает интенсивность попадания электронов на анализатор, а также искажает характер взаимодействия с анализатором.[2]