FELÜLETEK VIZSGÁLATA Vákuum Források: lézer, UV-lámpa, röntgencső, szinkrotron, iongyorsító, ion-ágyú, el. ágyú Ismert: tömeg energia szög intenzitás Mérések: eredeti részecske kiütött részecske tömeg energia szög intenzitás Információ: Összetétel (átlagos / laterális) kémiai állapot kristályszerkezet optikai, mágneses… Vákuum Besugárzás Mérés d Minta porlasztás ion atomok minta

Felületvizsgáló módszerek: Mikroszkópok: LM, TEM, SEM, MEM, STM, AFM, FEM, FIM Elektron nyalábok: EDX-ray S, EELS (Microsc), EPMA, STEM, CL Diffrakció: XRD, EXAFS, XANES, NEXAFS, XPD, AED, LEED, RHEED Elektron emisszió: XPS, XAES, UPS, (AES), SAM, ARXPS, REELS, REELM, EPES, Recoil ELS, EELFS, CEELS, VEELS Röntgen emisszió: XRF, TXRF, PIXE, HRXRS, XAFS Látható/UV emisszió: PL, Mod. Spectr. VASE Vibrációs sp.: RS, RRS, IR, FTIR, HREELS, NMR Ion-szórás: RBS, ERS, MEIS, (ISS), ERDA Tömeg sp.: SIMS (static), SIMS (dynamic), SNMS, LIMS, SALI, ESD, ESID Optikai sp.: GDMS, SSMS, ICPMS, ICP-OES Nem teljes felsorolás (csak kb. 60 db) + további variációk, + mintakészítési, mintakezelési eljárások Különböző információs tartalom, elemzési mélység, költség, alkalmazhatósági terület, elterjedtség Vékonyrétegekre domináns módszerek: XPS, AES, SIMS

A fotoelektromos jelenség H. Hertz (1887), P. Lenard (1902), A. Einstein (1905) A beeső röntgenfoton Al K, Mg K A kilökött fotoelektron Vákuumszint A kilépő fotoelektron kinetikus energiája: Efe = Efoton - Ekötési A spektrumvonalakat annak az elektronhéjnak a jelével azonosítjuk, amelyikről az elektron származik (1s, 2s, 2p stb.). A fotoionizációt követően az atom energiát fog leadni Auger elektron vagy elektromágneses sugárzás kibocsájtásával. Vezetési sáv Fermi szint Vegyértéksáv 2p L2,L3 2s L1 1s K

Az Auger effektus Az L elektron betölti a belsőhéj vakanciát P. Auger (1923) Az L elektron betölti a belsőhéj vakanciát Példánkban egy KL2L3 Auger elektron lép ki az energiafölösleggel. A kibocsájtott Auger elektron kinetikus energiája közelítőleg: KE  E(K)-E(L2)-E(L3). Diszkrét energiájú, mint a fotoelektron Mindkettőt mérjük  segítség az elemek és a kémiai állapot azonosításában Auger elektron Vákuumszint Vezetési sáv Fermi szint Vegyértéksáv 2p L2,L3 2s L1 1s K

Egy tipikus XPS elektron-spektrométer vázlatos rajza Számítógépes adatgyűjtő rendszer Félgömb típusú energiaanalizátor Külső elektróda Mágneses árnyékolás Spektrométer vezérlőegység Belső elektróda Elektron- optika Sokcstornás elektronsokszorozó Fékezőlencse Rezisztív anód röntgenforrás Helyzetkiértékelő és jelfeldolgozó áramkör Az analizált területet meghatározó lencse Helyzetérzékeny detektor Minta

Ag (hitelesítő minta) Auger Kötési energia, eV Kinetikus energia, eV

Réz-nikkel ötvözet Csúcs terület Relatív szorzó Atomi koncentráció % Cu 2.65 3.65 4.044 5.321 49 51 N(E)/E Kötési energia, eV

Kémiai állapot hatása a spektrum alakjára Réz vegyületek Ni fém Cu a CuO Ni oxid CuSO4 Kötési energia, eV Kötési energia, eV

PVTFA (Poliviniltriflouracetát) O 1s C 1s Kötési energia, eV

C 1s Kötési energia (eV) Vegyület típusa Karbid szén C – N-el C – S-el C – O-el Alkoholok Éterek Ketonok/aldehidek Karboxilok Karbonátok C – Cl-al C – F-al CHF CF2 CF3

Si 2p Kötési energia (eV) Vegyület típusa Szilicidek Szilicium Karbidok Nitridek Szilikonok Szilikátok Szilicium dioxid

A fotoelektron spektroszkópiai (XPS) módszer lehetőségei Elemi összetétel kvantitatív meghatározása (kivéve H; He) Az egyes elemek kémiai állapotának tisztázása (segítség az elemek ismerete és az Auger elektronok bevonása az analízisbe) Információs mélység tipikusan néhány, ~ 5 nm (nagyobb energián ~ 20 nm-ig) Néhány nm-en belül a koncentráció mélységi függése is vizsgálható – roncsolásmentesen (ARXPS) Váltott mérés / porlasztás sorozattal (roncsolással) ~ 100 nm vastagságig is, de egyre erősödő torzítás (szelektív porlódás) Elemtérkép is lehet a felületről néhány m-es felbontással (szinkrotron nyalábbal < 100 nm is) Egyik legelterjedtebb módszer (több ezer van a világon) – különös előnye a kémiai állapot nagyon vékony rétegekben. Vásárolható berendezések (~ 10 cég) – ár: 70250 MFt (3-4. generáció) – a legdrágábbak nagy ipari laboratóriumokban Nálunk saját építésű berendezés…

ESA-11 1973  1990 Fotoelektron sp. Al K  Au 4f (1974) E = 1.34 eV

ESA-31 1990 E/E = 3x10-5 10 eV-10 keV szilárd minta, felületvizsgálat félgömbök 1990 szilárd minta, felületvizsgálat több módszer  sok forrás 4 röntgen + 2e- + 2 ion-ágyú UHV 5x10-10 mbar foto-, Auger elektron, elektronszórás (ion-szórás) félgömb + lencse rendszer E/E = 3x10-5 10 eV-10 keV lencse el. ágyú X-cső ionágyú vákuumszivattyúk

Réz minta savas maratás, vizes + alkoholos lemosás után

Ujjlenyomatos réz minta CO2 lefúvás előtt és után

Réz fólia eredeti, maratott és lemosott, majd CO2-vel lefújt állapotban

A felületanalízis alkalmazása az iparban

Nagyfeloldású mérések, elektronok rugalmas és rugalmatlan szórására Ezekből: átlagos szabad úthossz (korrekció kvantitatív mérésekhez) spektrumalak háttér meghatározáshoz elektrontranszport folyamatok vizsgálata szilárd anyagban (többszörös szórások) hidrogén kimutatása Ge Rugalmas csúcs plazmonok Elvesztett energia, eV

1 40o 2 15o