Röntgen gerjesztésű Auger és fotoelektron spektrumok

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

2. 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)

3. 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

4. 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.

5. 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

6. 9 keV energiájú fotonok • 3 (független)lépéses modell • Az elektron kilép az atomból (fotoeffektus, Auger átmenet) • Az elektron eljut a felszín közelébe (elektrontranszport) • Az elektron átlépi a felszínt és detektálásra kerül 8 keV elektronok energia eloszlás Szilárd minta (Ge, Ni)

7. Az Auger- folyamat Kezdeti állapot PIERRE AUGER 1925 3s alhéj – M1 2s alhéj – L1 1s héj - K fotoelektron 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+1LJ : 3S1 (A), 1S0 (B) Auger elektron A B Vég állapot

8. 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

9. 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

10. A rugalmatlan és rugalmas szórás hatása a Si REELS spektrumában

11. 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

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

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

14. Alkalmazásipélda • 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

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

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

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

18. Ge 2s, 6 keV

19. A Ge KL23L23 Auger spektrum analízise

20. 100nm vastag, polikristályos germánium film, tisztított felület (Ar ion bombázás) X-ray: Cu anód, fékezési, energiafelbontás: 2.6eV 8500eV energiánál

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

22. 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)

23. Ge KLL Auger relatív energiák, 1D2 abszolút energia /eV

24. GE KL23L23 Auger spektrum vonalainak relatív intenzitásai Kovalik: radioaktív mérések

26. Radioaktív mérések:33As 32Ge 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 veszteségi folyamatok természetéről • Röntgen gerjesztésű mérések: • 32Ge –> 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

27. 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

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

29. Intenzitás Kinetikus energia /eV

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

31. A csúcsok azonosítása Intenzitás Kinetikus energia /eV

38. 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

39. 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)