Princip metody

Základem je proces fotoelektronové a sekundární elektronové emise. Spektrometry mají dvě základní součásti – primární zdroj a elektronový analyzátor. Ze samotného principu vyplývá, že musí pracovat v podmínkách nízkých tlaků (nezbytných pro provoz žhavých katod a elektronových násobičů) zajišťujících dostatečně dlouhé střední volné dráhy elektronů pro jejich pohyb v systému vzorek – detektor. Ve skutečnosti jsou spektrometry provozovány při velmi nízkých tlacích (v podmínkách ultra-vysokého vakua), kde výše zmíněné důvody nejsou zdaleka limitujícím faktorem. UHV podmínky jsou nezbytné pro přípravu čistých povrchů analyzovaných vzorků s vyloučením vlivu adsorpce plynů, a pro udržení takto čistých povrchů po dobu měření (poznamenejme zde, že teprve při tlaku v oblasti od  10^-7 Pa je možno počítat dobu vytvoření jedné povrchové monovrstvy v desítkách minut). A právě nutnost ultravysokovakuového provedení je jedním z faktorů vysoké technologické a tudíž i cenové náročnosti těchto metod.

Intenzita fotoelektronového toku je funkcí energie emitovaných elektronů (tato závislost se nazývá elektronové spektrum), která závisí především na vazebné energii excitovaného elektronu.  Jak je vidět na obrázku 1, v případě pevné látky můžeme souvislost mezi energií primárního fotonu a emitovaného elektronu vyjádřit vztahem

hν = E_b(k) + F + E_c               (1)

 kde E_b(k) představuje vazebnou energii hladiny k vztaženou k Fermiho mezi vzorku, F výstupní práci (energii potřebnou k extrakci elektronu z látky do vakua) a E_c kinetickou energii elektronu. Ve skutečnosti je emitovaný elektron ještě urychlen (nebo zbržděn) kontaktním rozdílem potenciálů vzorek – spektrometr F_s - F , který po přičtení do rovnice (1) dá definitivní vztah mezi měřenou kinetickou energií elektronů  E a vazebnou energií

E = hν - E_b(k) - F_s.                (2)

Tato rovnice je základním vztahem umožňujícím interpretaci elektronových spekter N(E) (počet elektronů v závislosti na jejich energii). Píky je možno přiřadit s použitím vztahu (2) jednotlivým energetickým hladinám E_b(k) atomů obsažených ve vzorku.

Experimentální uspořádání    

Na obrázku 2. je uvedeno schéma ukazující typické uspořádání elektronového spektrometru. Vstupní optika hemisférického analyzátoru je umístěna naproti vzorku (cca 4cm), který je ozařován fotony nebo elektrony podle toho, který druh spektroskopie je využíván. Při experimentech se většinou používa RTG lampa s Al a Mg anodou popřípadě Zr (enegrie Al K_α 1486.6 eV, Mg K_α 1253.6 eV a Zr K_ζ 151.4 eV. Pro porovnání energie viditelného světla je 2-4 eV). Je potřeba, aby RTG lampa generovala co možná nejužší svazek fotonů a též aby měla co možná nejužší šířku spektrální čáry.

Obr. 2

Kvantitativní analýza

    Primární svazek elektronů nebo fotonů může proniknout relativně hluboko pod povrch analyzovaného vzorku, v závislosti na jeho energii, úhlu dopadu a materiálu vzorku. Primární elektrony během jejich průniku materiálem vzorku podléhají různým typům elastických a neelastických interakcí. Důsledkem je, že k ionizaci atomů vzorku dochází jak přímo primárními elektrony, tak elektrony rozptýlenými. Fotoelektron nebo Augerův elektron nesoucí informaci v podobě své kinetické energie musí vystoupit nad povrch bez ztráty energie způsobené jakoukoli neelastickou interakcí. Pravděpodobnost této interakce ovšem stoupá se vzdáleností, kterou elektron musí urazit, tj. s hloubkou jeho vzniku. Tato pravděpodobnost souvisí s parametrem velmi důležitým pro kvantitativní analýzu, střední neelastickou volnou dráhou elektronu l_i (v anglosaské literatuře označované zkratkou IMFP), jejíž typické hodnoty jsou v řádu jednotek nanometrů. Vzhledem k tomu, že výstupní dráha není přímá, ale může být lomena vlivem elastických interakcí (elastického rozptylu), je zřejmé, že výstupní hloubka detekovaného elektronu je velmi malá, s čímž přímo souvisí „povrchový“ charakter elektronově spektroskopických metod. Informace tedy přichází pouze z několika povrchových vrstev, přičemž příspěvek jednotlivých vrstev k celkovému signálu klesá s jejich hloubkou. Výpočet této závislosti je velmi obtížný, protože vyžaduje znalost obou základních parametrů – elastické l_e a neelastické l_i střední volné dráhy – a tvaru drah elektronů šířících se v látce. Přestože v této oblasti bylo v poslední době dosaženo velkého pokroku s využitím počítačové simulace (založené na metodě Monte Carlo) elektronových trajektorií, jejich praktické využití v povrchové analýze je zatím omezeno pouze na některé, intenzivně studované případy.

Obr. 3 Na obrázku lze vidět maxima intenzit příslušejících k emisi elektronů z jednotlivých orbitalu atomů. 

Dalším příkladem využití

Elektronové spektroskopie jsou i užitečným nástrojem pro studium růstu vrstev. Pokud sledujeme při růstu vrstvy zároveň signál atomů vrstvy a atomů substrátu, první roste a druhý klesá. Z jejich relativní intenzity můžeme určit tloušťku vrstvy, z tvaru křivek morfologii vrstvy. Příklad na obrázku 4 odpovídá modu růstu „vrstva po vrstvě“ při kterém se nejdříve úplně dokončí jedna atomární vrstva a na ní potom začíná růst vrstva další. Výsledkem je lineární nárůst, respektive pokles, intenzity pro každou vrstvu, přičemž signál substrátu I₁ se asymptoticky blíží nule, zatímco signál depozitu hodnotě I₂. Při   třídimenzionálním růstu, t.j. vytváření klastrů depozitu, mají intenzity substrátu i depozitu tvary spojitých křivek.

Obr. 4

Naše aparatury pro XPS 1. a 2.

Copyright (c) 2004 KEVF. All rights reserved.