1 / 19

Metode şi tehnici de studiu a suprafeţelor

Metode şi tehnici de studiu a suprafeţelor. curs opţional C6. Istoric. 1887 – Descoperirea efectului fotoelectric: Heinrich Hertz 1895 – Descoperirea razelor X: Wilhelm Conrad Röntgen

dexter-kennedy
Download Presentation

Metode şi tehnici de studiu a suprafeţelor

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Metode şi tehnici de studiu a suprafeţelor curs opţional C6

  2. Istoric 1887 – Descoperirea efectului fotoelectric: Heinrich Hertz 1895 – Descoperirea razelor X: Wilhelm Conrad Röntgen 1901 – (primul!) Premiu Nobel din istorie: …“ca o recunoastere a contributiei remarcabile a radiatiilor” (denumite ulterior raze X). 1905. E. Einstein – Explicatia efectului fotoelectric, premiul Nobel, 1921. Karl Manne Georg Siegbahn, (1886 – 1978), Univ. din Uppsala,Suedia. premiul Nobel, 1921 pentru rezultatele sale din domeniul spectroscopiei radiatiilor X. Kai M. Siegbahn (fiul!), 1981 – premiul Nobel : pentru descoperiri in domeniul spectroscopiei de electroni, de inalta rezolutie. Anii 1950: progrese in domeniul instrumentatiei - rezolutia analizoarelor de energie, - design-ul surselor de raze X 1960: aparitia instrumentelor comerciale

  3. Efectul fotoelectric. Experimentul ESCA H. Hertz (1880) Zn Halwachs (1888) & J. J. Thomson (1889) Robinson & Rawlinson (1914) Au Surse de raze X

  4. Informatii obtinute folosind tehnica XPS Cea mai puternică tehnică experimentala in domeniul Ştiinţei Suprafeţelor,pentru: • Identificarea tuturor elementelor chimice, cu exceptia H şi He, în cazul unor concentraţii > 0.1 at. %. • Analiza semi-cantitativă a compozitiei chimice din regiunea de suprafaţă (0 – 10 nm); eroare < ± 10 %. • Analiza environment-ul molecular (stare de oxidare, atomi legaţi covalent etc.) • Determinarea profilului de adâncime al compozitiei chimice (inclusiv în mod non-distructiv). • Dispersia unor faze in altele • Structura de nivele a benzii de valenta • Identificarea unor grupări organice. • etc. Curba “universala” a dependentei inelde energia - în cazul nostru - a (foto)electronilor

  5. Procese de fotoexcitare, rearanjare şi emisieîn cazul atomului izolat. polyurethane Fluorescenţă de raze X Emisie de electroni Auger

  6. Procese de fotoexcitare, rearanjare şi emisieîn cazul suprafeţei solide UPS AES XPS Radiaţii X (sau e-) Raze X Fotoni UV Vac V EL2,3 EL1 EK Vac 3s 2p6 2s2 1s2    Ecin= h - EL1 -  Ecin=EK - EL1 - EL23 -  Ecin= h - EV - 

  7. Despicarea spin-orbita

  8. Spectroscopii de fotoelectroni: XPS si UPS După ce electronul din pătura inferioara (core level) a atomului absoarbe (integral!) energia fotonului X, el paraseste atomul si devine foto-electron, cu energia cinetică : Ecin≈ hn – Eb –  , Procese similare în cazul spectroscopiei de fotoelectroni UV (UPS): fascicolul incident: fotoni UV, capabili să extragă electroni din banda de valenţă.

  9. Conversia energie cinetică (KE) → energie de legătură (BE) Mg K 330 eV 910 eV 920 eV 690 eV 720 eV 581 eV Transformarea (KE) in EB (BE = h  KE) 343 eV 333 eV 920 eV 534 eV 561 eV 673 eV

  10. Spectrul XPS Ecin = hν- EB Intensity N(E) 0 eV Energie de legatura, EB (eV) EF Nivele “adânci” Banda de valenta Banda de conductie http://www.nottingham.ac.uk/~ppzpjm/sect6_1.htm

  11. BE-Z

  12. Li-metal 1s2 1s2 1s2 2s density Li-metal Li2O EF Li: 1s2 2s1 O: 1s2 2s2 2p4 Li2O 0 Binding Energy 2s 2p6 2s 1 s2 1s2 1s2 2s2 Li Li O Ce este si de ce apare deplasarea chimica? Transferul de sarcina de la un atom la altul determina “deplasarea” valorilor Eb. Electronul de pe paturile inferioare “simte” mai mult prezenţa nucleului, decat electronii de valenta (din cauza dimensiunilor celor doua tipuri de orbital). Ca urmare, potentialul electrostatic creat de electronii dintr-o patura de valenta, pe care il “simte” un electron dintr-o patura adanca este q/rv. Prineliminareaunui electron de valenta, valorile BE suntdeplasatesprevalorimaimari ale BE.

  13. 2.1 eV 4.3 eV Deplasarea chimica • Valorile energiei de legatura sunt afectate, nu numai de structura de nivele energetice specifice, ci şi (intr-o masura mai mica) de starea chimica a atomului. • Deplasarile chimice sunt uzual cuprinse intre 1 si 3 eV.

  14. Instrumentaţie

  15. Analiza cantitativă XPS: compozitia elementala relativa Ii=Fxi(EK)ni i(Ek) K cos θ Ii – intensitatea picului p, corespunzatoare elementului I ni – concentratia medie a elementului i in regiunea de suprafata I – sectiunea eficace de ionizarere (factorul Scofield) (valori calculate si tabelate pentru toate elementele si pt Al Ka si Mg Ka) I – drumul liber mediu pentru ciocnirea inelastica a unui fotoelectron din elementul I K – toti celalti factori care determina randamentul de detectare a fotoelectronilor θ – unghiul de “decolare” (take-off angle) a fotoelectronilor Rezultate cu o precizie in limita a  10%

  16. Extragereafondului (background subtraction) Fond treaptă Fond liniar Fond Shirley [D.A. Shirley, Phys. Rev. B5, 4709, 1972]

  17. Rezultatul calculului procentajului atomic – aria picurilor Atomic Percent =

  18. Concluzii • Caracteristici principale ale XPS • Identificare chimica: toate elementele, cu exceptia H si He • Sensibilitate superficiala: 1 – 6 nm • Limita de detectie: 0.1% • Determinarea vecinătăţii moleculare si al stării de oxidare • Determinarea profilului de concentratie in adancime (non-distructiv/distructiv) • Informatii despre proprietatile electrice de suprafata din studiile de incarcare a suprafetei • Rezolutia laterala: zeci de micrometri • Rezolutie energetica: 10 meV

  19. Bibliografie 1. D. Briggs, M. P. Seah, Practical surface analysis, vol I Willey and Sons, 1990. 2. J. M. Walls, R. Smith, Surface Science Techniques, Pergamon, 1994. 3. H. Lüth, Surfaces and interfaces of solid materials, Springer, 1993. 4. J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis – An Introduction, Wiley-VCH, 1995. 5. http://www.chem.qmul.ac.uk/surfaces/scc/scat5_3.htm 6. C.D. Wagner, W.M. Riggs, L.E. Davis, J.F. Moulter, G.E. Muilenberg, “Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy”, Perkin-Elmer Corporation (1978). 7. C.D. Wagner, “Practical Surface Analysis”, Vol. 1, 2ª, J.Wiley and Sons (1990). 8. W.N. Delgass, G.L. Haller, R. Kellerman, J.H. Lunsford, “Spectroscopy in heterogeneous catalysis”, Cap. 8: “X-ray Photoelectron Spectroscopy”, Academic Press (1979). 9. H.D. Hagstrum, J.E. Rowe, J.C. Tracy, “Electron spectroscopy of solid surfaces”, in “Experimental methods in catalytic research”, Vol. 3, R.B Anderson y P.T. Dawson (Ed.), Academic Press (1976). 10. C.D. Wagner, L.E. Davis, M.V. Zeller, J.A. Taylor, R.M. Raymond, L.H. Gale, Surf. Interf. Anal. 3 (1981) 21. (Factori de sensibilitate atomica) 11. Moulder, John F., William F. Stickle, Peter E. Sobol, and Kenneth D. Bomben, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, ed. Jill Chastain and Roger C. King Jr. 1995: Physical Electronics, Inc., USA. 11 12. http://seallabs.com/howes1.html 13. http://srdata.nist.gov/xps/elm_in_comp_res.asp?elm1=C

More Related