Germánium és nikkel rétegekből keltett nagyenergiájú Auger és fotoelektron-spektrumok kvantitatív analízise

Röntgen gerjesztésű Auger és fotoelektron spektrumok Szilárdtest felületek roncsolásmentes vizsgálata –A minta felületi rétegeinek elemi összetétele –Az összetevők kémiai állapota (pl fém, oxid) –Lokális elektronszerkezet (–>kémiai tulajdonságok) –A belsőhéj ionizációt kísérő gerjesztési folyamatok (shake)

Nagy energiájú (9keV) gerjesztés -Növekvő információs mélység -Nagyobb rendszámú atomok belsőhéj ionizációja -A mélyen a szilárdtestben lezajló (tömbi) szórási folyamatok hatása nő, a felület közeli szórási folyamatok hatása csökken

Szinkrotron sugárzás (Ge 2s, Ni KLM) A DESY-HASYLAB-BW2-SES200 mérőberendezése (Deutschen Elektronen Synchrotron) nagy intenzitású, monokromatikus fotonnyalábot, 2.2 – 11 keV –A monokromátor:két párhuzamos Si(111) kristályból áll. SCIENTA SES-200 típusú, félgömb analizátorú spektrométer 150eV FAT(Fixed Analyzer Transmission) módban az energiafelbontás nagyjából 0,3 eV. (Ni KLM) A detektálást helyérzékeny channel-plate detektor végzi.

ESA-31 (Ge KLL) -röntgenforrások: Al/Ag és Cu/Mo anód -Elektrosztatikus félgömb analizátor -FRR (Fixed Retardation Ratio mód – állandó fékezési arány, k=16) -Abszolút energiafelbontás 2.6eV (8500eV kinetikus energiánál) -Chaneltron detektor

Szilárd minta (Ge, Ni) 9 keV energiájú fotonok 8 keV elektronok energia eloszlás 3 (független) lépéses modell 1.Az elektron kilép az atomból (fotoeffektus, Auger átmenet) 2.Az elektron eljut a felszín közelébe (elektrontranszport) 3.Az elektron átlépi a felszínt és detektálásra kerül

1s héj - K 2s alhéj – L1 3s alhéj – M1 fotoelektron Auger elektron PIERRE AUGER 1925 AB Kezdeti állapot Vég állapot jj-csatolás(Z>40): KL1M1 (KL2M3) Közbenső csatolás(20<Z<40): L=0 (csupa s állapot l=0) S ( P,D,F) S=1 (A eset), S=0 (B eset) J=abs(L-S) …abs(L+S) egész 2s+1 L J : 3 S 1 (A), 1 S 0 (B) Az Auger- folyamat

Elektrontranszport (E>500eV) Rugalmas szórás: Az elektron energiája számottevően nem csökken, sebességének iránya megváltozik -A rugalmas szórás differenciális hatáskeresztemetszete - Rugalmas közepes szabad úthossz: EMFP - Szabad atomok árnyékolt Coulomb potenciálján való szóródás

Rugalmatlan szórás -Az elektron energiavesztesége számottevő, sebességének iránya lényegesen nem változik meg. (gerjesztési folyamat megy végbe) -DIIMFP (Differential Inverse Inelastic Mean Free Path – (az elveszített energia szerint) differenciális inverz rugalmatlan közepes szabad úthossz) - közelítő univerzális formula (Tougaard) - optikai adatokból -Reflected Elektron Energy Loss Spectroscopy - Rugalmatlan közepes szabad úthossz, IMFP

A rugalmatlan és rugalmas szórás hatása a Si REELS spektrumában

Az elektron energiavesztésének lehetséges okai Extrinsic(külső): –A vezetési és valencia elektronok kollektív gerjesztése a transzport során a minta belsejében (tömbi) vagy a felület közelében (felületi) Intrinsic(belső) –A vezetési és valencia elektronok kollektív gerjesztése a hirtelen megjelenő lyuk hatására (tömbi intrinsic) –elektron-lyuk párok

A detektált elektronok energia eloszlása: spektrum Az atomot elhagyó elektronok energia eloszlása: forrásfüggvény konvolúció C: Parciális intenzitások n i : energiaveszte- ségi folyamatok Energiaveszteségi valószínüségi eloszlások Parciális Intenzitások Analízise: Spektrum interpretáció Werner, Tilinin

Az i. típusú veszteségi folyamatban részt vett elektronok járulékának eltávolítása (háttérkorrekció) A veszteségi folyamatok függetlensége Iteráció, k=0 a mért spektrum C ni -meghatározása: Az elektronpályák Monte Carlo szimulációja W ki -meghatározása: dielektromos modell, optikai adatok (k,n)

Alkalmazási példa Ge 2s fotoelektron spektrum A rugalmas és rugalmatlan szórás hatásainak eltávolítása (háttérkorrekció) A tömbi intrinsic veszteség hatásának eltávolítása Az intrinsic jellegű elektron lyuk párkeltés hatása megmarad –> aszimmetrikus csúcsalak

Mozgási energia /eV Intenzitás, tetszőleges egység Fotoelektron csúcs Veszteségi spektrum A Ge 2s fotoelektron spektrum. (szinkrotronos)

Rugalmatlan ütközések száma Normált parciális intenzitások, tömbi extrinsic folyamat A Monte Carlo szimuláció eredménye

Normált DIIMFP Egy tömbi gerjesztés során elvesztett energia /eV Ge, E(elektron)=8.5 keV optikai adatok REELS mérés

Ge 2s, 6 keV

A Ge KL23L23 Auger spektrum analízise

100nm vastag, polikristályos germánium film, tisztított felület (Ar ion bombázás) X-ray: Cu anód, fékezési, energiafelbontás: 2.6eV 8500eV energiánál

Jelentős, intrinsic eredetű veszteségi struktúra a háttérkorrekció után: összetett csúcsok

Az összetett csúcsok konstrukciója 1 komponens: Aszimmetrikus Lorentz csúcsalak. –asszimetria: elektron-lyukpárkeltés –Lorentz: természetes kiszélesedés (kevés gauss) –paraméterek:energia, FWHM, asszimetria, intenzitás/csúcs 2. komponens:a modell energiaveszteségi eloszlás és az 1. komponens konvolúciója - aszimmetrikus Lorentz-eloszlás -paraméterek: relatív intenzitás, energia, FWHM, asszimetria: négy, minden csúcs esetében közös relatív paraméter 3-4. komponens: többszörös veszteségek további konvolúciókkal -a valencia és vezetési elektronok kollektív gerjesztése a hirtelen megjelenő lyuk hatására (tömbi intrinsic)

Ez a munkaKorábbi kísérletekElméletek PIAQRÁtlagVent 2005 Kovalík 2002 Sokol IC,R Larkin 1977 IC Asaad S Szat D P (0.9) 25.5 (1) 24.6 (0.7) P (0.4) 40.2 (0.5) 40.7 (0.4) D Ge KLL Auger relatív energiák, 1D2 abszolút energia /eV

Ez a munkaKorábbi kísérletekElméletek PIAQRÁtlagVent 2005 Kov 2002 Sok IC, R Chen Rel,1980 IC Chen 1973 IC Asaad S Szat D2100 3P P P0/3P GE KL23L23 Auger spektrum vonalainak relatív intenzitásai Kovalik: radioaktív mérések

Radioaktív mérések: 33 As 32 Ge 4d alhéjon 3 elektron egyszeres ion -energiafeloldás kb 4eV -Az előkészítés során a minta oxidációja elkerülhetetlen. -Tapasztalati, mért csúcsalakot használ a veszteségi folyamatok leírására: -minden egyes mintához és méréshez egyedileg kell meghatározni -nem mond semmit a veszteségifolyamatok természetéről Röntgen gerjesztésű mérések: 32 Ge –> 4d alhéjon 2 elektron kétszeres ion -jobb energiafeloldás -In situ mintapreparáció, tiszta felület -A háttérkorrekció a veszteségi folyamatok megismerésén alapszik XPS és Radioaktív mérések összevetése

A Ni KLM Auger spektrumának analízise -még nem mérték ( fotoelektron vonalak interferenciája, nagy gerjesztési energia, felbontás) nagy energiafelbontás és jó statisztika: szinkrotron 3d átmeneti fém (Z=28) - összetett, elkent veszteségi struktúra -shake (3d –>4d, Ni KLL spektrumokban) -növekvő, az Auger folyamattal konkurráló fluoreszencia („sajátröntgen”) 36 vonal!!!, IC

KL1M23 KL1M45 A Ni KLM Auger mért és háttérkorrigált spektrumok Kinetikus energia /eV Intenzitás

Kinetikus energia /eV

Az összetett csúcsok konstrukciója 1. komponens: aszimmetrikus Lorentz 2. komponens: aszimmetrikus Lorentz, relatív paraméterekkel, melyek minden csúcs esetén azonosak

Kinetikus energia /eV Intenzitás A csúcsok azonosítása

Összefoglalás A rugalmas és rugalmatlan szórás hatásainak eltávolítása a spektrumból: PIA, MC A fennmaradó veszteségi folyamatok (intrinsic) figyelembe vétele: összetett csúcsok (Ge KLL, Ni KLM) Ge KL23L23 1D2 abszolút energia, relatív energiák, intenzitások Ni KLM KL2M23 1D2 abszolút energia, relatív energiák, intenzitások

Néhány megállapítás A radioaktív mérések eltérő kezdeti állapota nem okoz eltérést a röntgen gerjesztésű mérésekhez képest az Auger átmeneti energiákban (Ge KLL) A relatív energiák és intenzitások értelmezéséhez a IC R számolások szükségesek (Ni KLM L3M23) A Ge KLL spektrum diagram Auger vonalainak relatív energiái és intenzitásai jól egyeznek a radioaktív mérésekkel és az elmélettel. A Ni KLM spektrum esetében a relatív intenzitások viszonylag nagy eltérésének okai: -A háttérkorrekció és az intrinsic folyamatok (+-10%) (KL1M1,KL2M23,KL2M1) -Sajátröntgen vonalak a spektrumban (KL23M45) -Shake folyamatok (KL2M23, KL3M1)