Типы зондирующих воздействий, используемые в спектроскопии, и их влияние на поверхности и приповерхностные слои твердых телДля исследования материалов в качестве зондирующих воздействий используется многообразие излучений, в частности, электромагнитные поля сверхвысокий частот (СВЧ), волны оптической части спектра, рентгеновское и гамма-излучения, потоки электронов, позитронов, нейтронов, ионов. Несмотря на общность физической природы первых четырех из перечисленных излучений, относящихся к разным областям электромагнитного спектра, они ведут себя по-разному при взаимодействии с веществом и поэтому находят различные практические применения. Причина заключается в том, что проявление тех или иных эффектов взаимодействия зависит от величины отношения λ/ℓ, ν/ƒ (λ,ν – длина волны и частота излучения; ℓ,ƒ – характерные для среды расстояния и частоты колебаний, например, межатомное расстояние и собственные частоты кристаллической решетки). Некоторые явления с участием электромагнитных полей (например, фотоэффект) не поддаются объяснению с помощью волновой теории и могут быть описаны только в рамках квантовых представлений. С другой стороны, потоки частиц проявляют волновые свойства, поэтому некоторые характеристики их взаимодействия с веществом описываются той же теорией, что и взаимодействие электромагнитных волн, хотя наличие у частиц электрического заряда и собственного магнитного момента обуславливает специфические особенности их поведения. При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом возникают процессы, обусловленные движением заряженных частиц в электрическом и магнитном полях волны: поляризация и намагничивание, вращение плоскости поляризации и поглощение излучения, возбуждение вихревых токов и колебаний различных подсистем среды (электронной и ядерной магнитных подсистем кристаллической решетки и ее дефектов, например, дислокаций). С точки зрения квантовой теории, в электромагнитном поле происходят межуровневые переходы, причем в кристаллах они обычно “коллективизированы” благодаря сильному взаимодействию между частицами. Процессы взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ и вещества являются основой радиоспектроскопии. Один из таких процессов – резонансное поглощение внешнего электромагнитного излучения ферромагнитным веществом, или ферромагнитный резонанс (ФМР). Явления, изучаемые радиоспектроскопией, характеризуются такими квантовыми переходами, при которых вещество и поле обмениваются квантами энергии ħω=10-3-10-5 эВ, малыми по сравнению с энергией химических связей. Поэтому радиоспектроскопические исследования являются неразрушающими и дают информацию о тонких деталях энергетического спектра и структуры отдельных атомов и различных материальных сред. При прохождении через вещество фотоны рентгеновского и гамма-излучения взаимодействуют с электронной и ядерной подсистемами, причем интенсивность того или иного взаимодействия зависит от энергии фотонов. При малых энергиях (до нескольких кэВ) преобладают внутренний и внешний фотоэффекты, ионизация атомов, возбуждение в них вторичного (флуоресцентного) излучения, образование электронов Оже, процессы рассеяния (в основном упругого). В диапазоне энергий от нескольких десятков кэВ до 1 МэВ становится существенным неупругое рассеяние на электронах (эффект Комптона), а при энергиях фотонов, превышающих 1,02 МэВ, в кулоновском поле ядер возможно образование электронно-позитронных пар. В узких областях энергии могут проявляться резонансные эффекты взаимодействия с электронными оболочками атомов (аномальная дисперисия) и с их ядрами (процессы внутренней конверсии и неупругого рассеяния, а также эффект Мессбауэра). Фотоэлектрическое поглощение начинается при энергии, соответствующей ширине запрещенной зоны в спектре твердого тела. При небольшом превышении этой величины переброшенный в свободную зону электрон остается внутри тела\. А в валентной зоне возникает дырка (внутренний фотоэффект), При более высоких энергиях фотонов (порядка энергии ионизации свободного атома) фотоэлектроны могут выходить за пределы поверхности твердого тела (внешний фотоэффект). Рассеяние рентгеновских лучей атомами складывается из рассеяния электронами и ядрами. Сущность эффекта упругого рассеяния заключается в том, что под действием электрического поля падающего излучения заряженные частицы колеблются с частотой, равной частоте изменения поля, излучая при этом электромагнитные волны той же частоты, которые и представляют собой рассеянные рентгеновские лучи. При бомбардировке поверхности твердых тел электронамивозможно возникновение большого многообразия процессов и явлений, относительная роль которых зависит от энергии первичных электронов и свойств материалов (рис. 1.2). Зондирующие электроны подразделяются на медленные (с энергией 10-1000 эВ) и быстрые (с энергией более 10 кэВ).
Упругое рассеяние электронов возникает, в основном, за счет взаимодействия с кулоновским полем ядер. Квазиупругое рассеяние обусловлено взаимодействием некоторых электронов с фононами и характеризуется малыми потерями энергии (1-10 мэВ). В случае неупругого рассеяния потери энергии первичных электронов становятся существенными и определяются рождением вторичных электронов (с энергией <50 эВ), ионизацией внутренних оболочек атомов, образованием электронно-дырочных пар, возбуждением фононов и других квазичастиц.
Взаимодействие электронов, имеющих энергию Ер, с поверхностью твердого тела приводит к их рассеянию с энергетическим спектром, показанным на рис. 1.3.
На спектре можно выделить четыре характерные области. Большой широкий максимум, приходящийся на низкие энергии до ~50 эВ (область 1), приписывается “истинно” вторичным электронам, эмитированным в результате лавинных процессов в кристалле. Область 2 обусловлена возбуждением атомов (потери энергии до ~ 500 эВ). Для области 3 эмиссионного спектра характерна серия небольших максимумов на медленно меняющемся фоне. Такая структура спектра в этом интервале связана с характеристическими потерями энергии первичными электронами, возбуждением плазмонов, межзонными переходами, а также с эмиссией Оже-электронов. При дифракционных исследованиях используются электроны именно этих двух частей спектра. Так как поперечное сечение атома для упругого рассеяния низкоэнергетических электронов (электронов с энергией до ~500 эВ) велико, то глубина проникновения электронов низкой энергии в кристалл очень мала из-за большой возможности рассеяния. Высокий пик (область 4), соответствующий упруго рассеянным электронам, возникает за счет взаимодействия с кулоновским полем ядер. Уширение и осцилляции у основания пика связаны с возбуждением фононов, экситонов, плазмонов. При бомбардировке твердого тела пучком ионов возможны следующие процессы: - обратное рассеяние на атомах мишени; - образование атомных поверхностей и внутренних дислокаций в результате смещения атомов мишени; - физическое распыление бомбардируемого образца; - эмиссия вторичных ионов; - эмиссия электронов, эффект Оже; - возникновение электромагнитного излучения; - ионная имплантация; - адсорбция (возникновение связи с поверхностными атомами); - химические и ядерные реакции. Существуют следующие механизмы передачи энергии первичных ионов твердому телу: взаимодействие с электронами мишени, взаимодействие с ядрами атомов мишени, обмен зарядами между бомбардирующими ионами и атомами мишени. Особенности взаимодействия нейтронов с веществом определяются отсутствием у них электрического заряда и наличием собственного (спинового) момента. Нейтроны рассеиваются ядрами атомов мишени и взаимодействуют с магнитной электронной структурой.
|
