Кафедра фізики металів. Реферат. Теоретичні основи методу рфес

 

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

 

Кафедра фізики металів

(повна назва кафедри, циклової комісії)

 

РЕФЕРАТ

з дисципліни  Сучасні експериментальні методики фізичного матеріалознавства, НДРС

(назва дисципліни)

на тему: Метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії

 

Студентів 5 курсу ФМ-51м, ФМ-51с груп

напряму підготовки__________________

спеціальності Фізичне матеріалознавство

 Павлюк Д.В.

Павлюк Я.О.

Большакова Я.В

Досенко Т.С.

Керівник ___________________________

____________________________________

(посада, вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)  

 

Національна оцінка ________________   

Кількість балів: __________Оцінка: ECTS _____

 

                                Прийняв     ________________ _________________________________________________

                                                                                              (підпис)                   (вчене звання, науковий ступінь, прізвище та ініціали)

                             

 

 

                                                                   Київ - 2015 рік

Зміст

 

Вступ…………………………………………………………………………………...3

1. Теоретичні основи методу РФЕС…………….…………………………...............5

1.1. Взаємодія речовини з випромінюванням……………………………………..6

1.2. Енергія фотоелектронів ………………………………………………………..9

1.3. Глибина аналізу ……………………………………………………………….10

2. Експериментальні установки ……………………………………………………11

2.1. Загальні принципи побудови спектрометрів………………………………...11

2.2. Надвисоковакуумний сканувальний зондовий мікроскоп

JSPM-4610……………………………………………………………...............14

3. Обробка експериментальних даних……………………………………...............17

3.1. Основні закономірності в рентгеноелектронних спектрах…………………17

3.1.1. Елементний склад……………………………………………………………..17

3.1.2. Хімічний зсув………………………………………………………………….17

3.1.3. Структура молекул……………………………………………………………19

3.1.4. Ступінь окиснення…………………………………………………………….19

3.1.5. Адитивність зсувів…………………………………………………………….20

3.1.6. Функціональні групи………………………………………………………….21

3.2. Обробка експериментальних даних. Основні завдання по дослідженню отриманого спектра……………………………………………………………21

Висновки…………………………………………………………………………..23

Перелік літературних посилань………………………………………………….24

Вступ

  Метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС) був запропонований радянським фізиком Каєм Зігбаном в середині 60-х років минулого століття, роботи якого згодом (1981р.) були відзначені Нобелівською премією. Спочатку метод був застосований для дослідження електронної структури атомів і молекул в газовій фазі, проте надалі найбільш інтенсивний розвиток і поширення набули методики дослідження твердого тіла. Метод заснований на аналізі спектру електронів випускаються атомами під дією моноенергетичного рентгенівського випромінювання (зовнішній фотоефект у рентгенівській області).

 

Метод рентгенівської фотоелектронної спектроскопії заснований на явищі фотоефекту, основні принципи якого були пояснені ще А.Ейнштейном. У якості джерела випромінювання використовуються різні види рентгенівських трубок. Таким чином, ініціюючим випромінюванням в цьому методі є рентгенівські промені, які будучи спрямованими на зразок взаємодіють з атомами зразка. У результаті цієї взаємодії з поверхні в загальному випадку вилітають чотири види частинок (електрони, фотони, іони і нейтральні атоми і молекули). У методі рентгенівської фотоелектронної спектроскопії реєструються фотоелектрони і оже-електрони. Електронний спектр реєструється у вигляді залежності інтенсивності електронного потоку I від кінетичної енергії реєстрованих електронів E_кін, т.е у вигляді I (E_кін). Перерахунок кінетичних енергій реєстрованих електронів в енергії зв'язку електронів в атомі в принципі проводиться за допомогою рівняння Ейнштейна. Однак застосування цього рівняння на практиці утруднено через низку супутніх випромінюванню процесів, особливо в ізоляторах.

Сучасні прилади мають комп’ютеризовані системи реєстрації та обробки експериментальних даних, в яких вдається успішно подолати ряд проблем, що заважають точній ідентифікації енергій зв'язків електронів. Тому сучасна рентгеноелектронна спектроскопія є потужним методом дослідження електронної будови речовини. Цим методом досліджується як будова валентних смуг, так і остовні рівні атомів. У сучасних приладах точність визначення енергії зв'язку досягає близько 0.1 еВ. [1]

При описі електронної будови речовини можна виділити внутрішні (остовні) й зовнішні (валентні) електрони системи. Внутрішні електрони сильно пов’язані з ядром, тому потрібна значна енергія для видалення їх з атому. Зазвичай, ця енергія (її називають енергією зв’язку або енергією іонізації внутрішніх електронів атому) має досить значну величину. Енергія зв’язку зовнішніх (валентних) електронів системи значно менша. В табл. 1 для прикладу наведено енергії зв’язку електронів для ряду атомів елементів.

 

Таблиця 1 – Енергія зв’язку електронів в атомах, еВ.

Структура валентних рівнів, яка характерна для окремої молекули, спостерігається й для комплексних сполук, а також для окремих груп атомів - кластерів. В твердих тілах, кристалах енергетичні рівні валентних електронів перетворюються в смуги дозволених енергій - зони. Зонний стан електрона в кристалах має ознаки, схожі зі станом в окремому атомі. Зони дозволених енергій тим вужчі, чим більш глибоко лежать вихідні атомні рівні.

     У даній роботі представлені основи методу РФЕС, обладнання для проведення експерименту РФЕС із зразком в твердофазному стані. Дано опис роботи рентгенівського фотоелектронного спектрометра.[2]

 

 

    Метод ФЕС для дослідження фізичної і хімічної будови речовини на сьогоднішній день має більш ніж столітню історію. У 1888-1890 роках російський вчений А.Г. Столєтов досліджував вплив випромінювання на речовину і сформулював перший закон фотоефекту. Рівняння, яке використовується для експериментального виявлення енергій іонізації, було отримано Ейнштейном в 1905 році і носить назву другого закону фотоефекту:

 

  ,                                         (1)

   Протягом 40 років після цього фотоелектронна спектроскопія стала справжнім фізичним методом дослідження речовини, завдяки роботам шведських вчених під керівництвом Карла Зігбана.

   Подальше удосконалення експериментального обладнання і методики проведення експерименту дозволило домогтися отримання спектрів з високою роздільною здатністю смуг (до 0,01 еВ). Оскільки в спектрі електронів хімічних сполук при фотоіонізації рентгенівським випромінюванням присутні смуги оже-електронів, також несуть інформацію про хімічний будову речовини, К. Зігбан для методів РФЕС і оже-електронної спектроскопії (ОЕС) запропонував назву «електронна спектроскопія для хімічного аналізу» (ЕСХА) . [3]

  Суть методу ФЕС полягає у визначенні величини роботи виходу A_вих. електрона, в спектроскопії вільних молекул так званої енергії іонізації, за відомою величиною енергії іонізуючого випромінювання hν і вимірюваної в експерименті кінетичної енергії фотоелектронів E_кін . Для вільних молекул рівняння для знаходження експериментальних значень енергії іонізації виглядає наступним чином:

 

  ,                                           (2)

 

де ЕІ_iv - шукана енергія видалення електрона з електронно-коливального рівня. Використання методу в такому вигляді поклало основи інтерпретації спектрів у наближенні заморожених орбіталей, де значення енергій іонізації прирівнювалися до абсолютного значення енергії орбіталей. Додатковим джерелом інтерпретації з'явилися теоретико-групові уявлення про симетрії орбіталей.

   У методі РФЕС газоподібних об'єктів значення ЕІ знаходяться зі співвідношення (1), а при дослідженні твердих тіл величина A_вих або E_зв. (енергія зв'язку) щодо рівня Фермі спектрометра визначається зі співвідношення:

 

    ,                                 (3)

 

де φ_сп - робота виходу матеріалу спектрометра. Хімічний зсув  для  i-го внутрішнього рівня атома A зазвичай визначається щодо вільного атома або молекули, де атому A приписується нульовий ефективний заряд . Показано, що в наближенні потенціалу основного стану ΔEсв. пов'язана з ефективними зарядами атомів співвідношенням:

 

 ,                      (4)

де K_A - середній зворотний радіус валентних електронів атома A, l - емпірична релаксаційна поправка, усереднена по всіх атомам.

   Дослідження твердих тіл методом РФЕС представляє великий інтерес, так як можливо досліджувати шар товщиною до 5 нм без руйнування самого зразка.[4]