Вторичная электронная эмиссия - основа современных методов анализа поверхности

В основе большинства современных экспериментальных методов исследования поверхности лежит явление испускания твердыми телами вторичных электронов при их бомбардировке пучком первичных электронов. Это явление было открыто в 1902 году Л. Остином и Г. Штарке, и носит название вторичной электронной эмиссии (ВЭЭ). Причина этого эффекта заключается в том, что первичные электроны, взаимодействуя с электронами твердого тела, передают им часть своей энергии. Если эта энергия достаточна для преодоления электронами твердого тела поверхностного потенциального барьера, то они покидают его и регистрируются как вторичные электроны. Вторичные электроны обладают энергиями от нуля до энергии первичных электронов.

Энергетические спектры и угловые распределения вторичных электронов содержат достаточно полную информацию об основных микроскопических характеристиках поверхности - составе, структуре, электронном строении.

Схематически вид кривой распределения вторичных электронов по энергии представлен на рис. 1. Как показывают экспериментальные результаты, вид спектра вторичных электронов практически не меняется при изменении первичных электронов. При энергии первичных электронов 100 эВ ... 1 кэВ основная доля в спектре приходится на медленные электроны (область а на рис. 1) эти электроны называют истинно вторичными электронами, так как эту группу составляют, в основном, электроны, выбитые из твердого тела пучком первичных электронов. Предполагается, что они возникают в результате каскадных процессов потери энергии первичными электронами. К истинно вторичным электронам условно относят вторичные электроны, энергия которых менее 50 эВ. Отношение числа истинно вторичных электронов к числу первичных электронов называют коэффициентом истинно вторичной эмиссии и обозначают обычно d. Максимум спектра истинно вторичных электронов лежит в области 1 ... 10 эВ, причем наблюдается периодическая зависимость положения этого максимума от атомного номера. При достаточно больших значениях энергии первичных электронов положение максимума не зависит от Е_р. Если же энергия первичных электронов не превышает работу выхода электронов, то спектр вторичных электронов состоит в основном из упруго отраженных электронов.

Рис. 1. Схематический вид кривой распределения вторичных электронов по энергии

Область b на рис.1. относится к неупруго отраженным электронам, число которых существенно не изменяется в зависимости от энергии. Отношение числа электронов эмиттированных поверхностью твердого тела с энергией ³50 эВ к числу первичных электронов называют коэффициентом неупругого отражения электронов (КНО) h.

При энергии, близкой к энергии первичных электронов E_p (область с), наблюдается узкий пик, соответствующий упруго отраженным электронам (пик 3 на рис. 1). Этот пик связан с электронами, отраженными от поверхности твердого тела без потерь энергии или с очень малыми потерями энергии. Отношение числа этих электронов к числу первичных электронов - коэффициент упругого отражения электронов (КУО), который обычно обозначают R.

Кроме двух достаточно больших по интенсивности пиков истинно вторичных и упруго отраженных электронов, в спектре вторичных электронов на бесструктурном фоне наблюдаются слабо выраженные максимумы. Положения некоторых из них (максимумы 1 на рис. 1) не зависят от энергии первичных электронов, другие (максимумы 2) смещаются синхронно с изменением энергии первичных электронов. Пики 1 обусловлены выходом с поверхности оже-электронов. Изучение этой группы вторичных электронов лежит в основе метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС). Группа максимумов 2, расположенная вблизи пика упруго отраженных электронов, соответствует первичным электронам, испытавшим дискретные потери энергии при взаимодействии с поверхностью. Эти потери энергии характеризуют вещество поверхности и называются пиками характеристических потерь энергии. Изучение этой группы пиков составляет предмет спектроскопии характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). Процессы упругого рассеяния электронов, характеризующиеся пиком упруго отраженных электронов, лежат в основе методов дифракции электронов, позволяющих изучать структуру поверхностных слоев. Наиболее распространенными из этих методов являются дифракция медленных электронов (ДМЭ) и дифракция отраженных быстрых электронов (ДОБЭ).

Количественной характеристикой явления вторичной электронной эмиссии служит коэффициент вторичной электронной эмиссии s. Этот коэффициент численно равен отношению числа всех вторичных электронов к числу первичных электронов.

Основной характеристикой вторично-эмиссионных свойств вещества является зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии s от энергии первичных электронов Е_p. Вид зависимости s (E_p) (рис. 2) одинаков для металлов диэлектриков и полупроводников.

Рис. 2 Схематическая зависимость коэффициента вторичной электронной эмиссии от энергии первичных электронов.

Для диэлектрических материалов максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии значительно превосходит единицу. Известны материалы, в которых s_m достигает 25. Столь большое значение s в сравнении с проводниками и полупроводниками связано с большой средней длиной свободного пробега электронов в диэлектрических материалах. Существенное отличие коэффициента вторичной электронной эмиссии в непроводящих материалах приводит к появлению поверхностного заряда на образце под действием первичного электронного пучка, что значительно искажает спектр вторичных электронов и делает невозможным анализ этого спектра. Значения второй критической энергии для диэлектриков находятся в интервале 2-10 кэВ. Выбором соотвествующей энергии первичных электронов в соответствии с зависимостью s(E_p) для данного образца можно практически исключить влияние поверхностного заряда.

Для чистых поверхностей металлов 0,5 < s_m < 1,8. Значение энергии первичных электронов, при которой наблюдается максимум коэффициента вторичной электронной эмиссии E_pm находится в области от 0,2 до 0,9 кэВ. В полупроводниках максимальное значение коэффициента вторичной электронной эмиссии больше 1, но не превышает, как правило 1,5. Максимум находится в интервале энергий первичных электронов от 0,3 до 0,8 кэВ.

В спектре вторичных электронов (рис.1) представлены группы электронов, энергия которых не зависит от энергии первичных электронов, а определяется атомами, испустившими эти электроны. Это, так называемые, оже-электроны. Изучение этой группы электронов лежит в основе одного из самых распространенных в настоящее время методов исследования элементного состава поверхности - электронной оже-спектроскопии (ЭОС).

Эмиссия оже-электронов обусловлена оже-эффектом, который был открыт в 1925 г. французским ученым П. Оже (P. Auger). Оже- эффект является следствием ионизации одной из внутренних оболочек атома под действием первичного электронного пучка.

Рис. 3. Схема генерации оже-электрона.

На рис. 3 показана схема оже-процесса для атома с полностью заполненными энергетическими уровнями и валентной зоной. Энергия электронов в атоме отсчитывается от уровня Ферми E_F, E_V и E_C - энергии потолка валентной зоны и дна зоны проводимости, j- работа выходы электрона. Первичный электрон с энергией E_P создает вакансию на уровне E_K атома. Образовавшаяся вакансия заполняется электроном с какого-либо верхнего уровня, например с уровня L₁. Избыток энергии E_k - E_L1 может освободиться в виде характеристического рентгеновского излучения с энергией кванта ћw=E_k-E_L1. Оже-процесс является альтернативным излучению фотона, избыточная энергия в этом случае передается третьему электрону находящемуся, например, на уровне L₂. Этот электрон испускается в вакуум с энергией

(1)

и регистрируется как оже-электрон. Слагаемое U в формуле (1) учитывает, что в конечном состоянии атом оказывается дважды ионизованным в результате образования вакансий на уровнях L₁ и L₂.

Оже-переход, представленный на рис. 3, обозначают как KL₁L₂. Первым записывается обозначение уровня, ионизованного первичным электроном, затем уровня, на котором образовалась вторичная вакансия, и далее уровня, с которого произошло испускание оже-электрона. Электроны, участвующие в оже-процессе могут находиться и на одном и том же уровне, например, KL₁L₁, L₁L₂L₂ и т. д. Если оже-электрон испускается из валентной зоны, то такой оже-процесс обозначается, например, как KL₁V, KVV и т. д. В первом случае в оже-процессе участвует один электрон из валентной зоны, во втором - два.

Для оже-процесса необходимо присутствие в атоме, по крайней мере, трех электронов. Поэтому оже-эффект наблюдается у всех элементов, начиная с лития (Z = 3). Для элементов, находящихся в начале периодической системы элементов (Z £14 наиболее характерны KLL-переходы, для элементов с 14<Z<40 - переходы LMM, а для элементов с 40<Z£79 переходы MNN. Вероятность выхода оже-электрона зависит от порядкового номера элемента в периодической системе элементов. Для легких элементов она составляет приблизительно 95%, для элементов с Z > 70 - не превышает 10%. Например, для K-уровня мышьяка (Z = 33) вероятности выхода оже-электронов и испускания рентгеновских фотонов равны.

Для легких элементов спектры оже-электронов просты, хорошо отличаются друг от друга, лежат в низко­энергетической области и легко поддаются расшифровке. При переходе к более тяжелым элементам группа оже-пиков, соответствующих перехо­дам KLL, смещается в область высоких энергий, где их трудно регистри­ровать из-за пиков, соответствующих характеристическим потерям энер­гии. Однако одновременно с этими пиками в удобной для регистрации низкоэнергетической области, появляются оже-пики, соответствующие KLM, КММ, LMM и другим переходам.