FIZIKALNE OSNOVE METOD ZA ANALIZO POVRŠIN TRDNIH SNOVI IN TANKIH PLASTI Milan Ambrozic, Srednja šola za strojništvo, Aškerčeva 1,1000 Ljubljana Fundamentals ot Surface and Thm FIlm Analysis ABSTRACT Uai»nal surface and lh kije pnietel do zaslona, je sprožil na njem svetlobni blisk. Oeiger in Marsden sta v temi preštevala bliske. Večje število bliskov v določenih legah zaslona je pomenilo pogostejše odklanjanje (sipanje) deicev alfa v tistih smereh. Zaslon Iz cinkove svetlice jima je torej rabil kot preprost detektor delcev. Raziskovalca $ta sprva postavljala svoj zaslon-detektor le na drugo stran vzorca, kot je bil izvir. Raziskovala sta le prepuščene delce alfa. ker odbitih nista pričakovala Rutherford jima je predložil, naj poskusita z detektorjem na Isti strani vzorca, kot je bil izvir, f^a njihovo začudenje se je del delcev alfa res odbil Rutherford je ta izid pojasnil tako, da je skoraj vsa masa atoma zbrana v njegovem jedru, Z rezultati me» ntevietudi izračunal velikost )eder. Izračunal je tudi verjetnosti, s katerimi se delci alfa sipajo v različne smeri. Njegov račun sta Geiger In Marsden potrdila z novimi poskusi. Sipanje delcev alfa je osnova Rutherfordove spektroskopije, ki jo še danes uporabljamo za raziskave materialov. Sedaj vemo, da so značilne velikost« atomskih jeder več femtometrov (1 fm »10*^® m). 2 Fizikalne osnove spektroskopij /1.2/ Vse delčne spektroskopije so si v osnovi podobne. Iz izvira vpadajo delci na preiskovani vzorec (slika 1). Vpadni delci so največkrat elektroni, nevtroni, fotoni (svetlobni delci) ali lahki loni (navadno jedra lahkth elementov). Vpadni delci se na vzorcu sipljejo (0dbijd|0 ali grejo skozi), lahko pa iz materiala izbijejo druge delce. Izhajajoči delci pridejo do detektorja. V primeru, da izhajaioči delci niso isti Kot vpadni {torej gre za izbijanje drugih delcev iz snovi), imenuiemo vpadne delce primarne, tiste, izhajajoče 12 vzorca, pa sekun-dame Za sekundarne delce imamo enake možnosti kot za primarne lahko so to elektroni, nevtroni, fotoni ali ioni Za vsako vrsto delcev uporabliajo različne detektorje. Z njimi največkrat merijo kinetično energijo izhodnih delcev. Seveda pa detektorji tudi preštevajo ulovljene delce. Vse skupaj: izvir, vzorec m detektor, je v visokem vakuumu. Pogosto se zgodi, posebno pn velikrh energijah vpadnih delcev, da izhaja iz vzorca več vrst delcev Tedaj imamo na izbiro, katere od njih bomo opazovali. Da lahko raziščemo odvisnost sipanja delcev cd vpadnega in sipanega kota glede na vzorec, imajo spektroskopske naorave mehanizme za vrtenie izvira, vzorca ali detektorja. Slika 1. Shema spektfoskopsks m&rod9 Pn sipanju delcev na vzorcu veljajo osnovni fizikalni ohranlTveni zakoni. Pri Izoliranem fizikalnem sestavu se ohranjajo njegova skupna energjja. skupna gibalna količina in skupna vrtilna količina Ce se npr. prisipanju nevtrona na kristalu zmanjša njegova hitrost (s tem se mu zmanjšata kinetična energija in gibalna količina), to pomeni, da del njegove energije in gibalne količine prevzame vzorec. Včasih prevzame del energije vpadnega delca med odbojem le en delec (npr. jedro atoma ali en elektron v izbranem atomu) v celem vzorcu, včasih pa se ta energija porazdeli po mnogih atomih To je odvisno predvsem od velikostnega reda energije vpadnega delca. Če je energija primarnega delca velike večja od vezavne energije kakega delca v snovi, potem lahko ob njunem trku pozabimo na druge delce Na primer, foton rentgenske svetlobe ima veliko večje energijo cd vezavne energije elektronov v atomih Ce lak foton trči z enim od elektronov v snovi, ga seveda izbije 12 snovi. Pri obravnavi njunega trka ju iahko imamo za izoliran (ločen) sestav m zanemanmo vpliv atoma, v katerem je bil izbiti elektron pn/otno vezan Skupna energi}a in gibalna količina sestava foton-elektron se ohranjata. Po trku odleti elektron z veliko hitrostjo iz atoma. Elektronu se energija poveča, fotonu se zmanjša. Z energijo se fotonu zman|šatudifrekven ca (povdčd pa mu valovna dolžina). Ta pojav imenujemo Comptonov efekt. Drugače poteka proces izbi* janjd prevodnih elektronov iz kovine s fotoni, ki imdjo ravno dovolj energije za to. Prevodnim elektronom je treba dovesti določeno energijo, da zapustijo kovino. To energijo imenujemo izstopno delo. Če je energija vpedneg^ fotona večja od izstopnega dela» potem foton lahko Izbije en elektron, pri tem pa se foton v kovini absorbira (izgine). Kinetična energija izbitega elektrona je enaka razliki med energijo vpadnega fo* tona in izstopnim delom. Pri računu sprememb energije in gibalne količine delcev moramo zdaj upoštevati celotno kovino, ne le enega elektrona v njej, Izbijanju prevodnih elektronov iz kovine s fotoni vidne ali ultravijolične svetlobe pravimo fotoefekt. Na primer, izstopno delo elektronov pri ceziju je 1,9 eV (elektronvolta). Fotoefekt lahko povzročijo fotoni, ki imajo energijo vsaj 1,9 eV. Na primer, pri vpadnem fotonu z energijo 3 eV ima izbiti elektron kinetično energijo 1,1 eV. Kakšne delce in kolikšne energije primarnih delcev bomo izbrali, je od tega, kaj želimo videti. Pri raz- iskavah v fiziki imamo srečo, da se snov na različnih nivojih povezuje z zeio različnimi energijami. Tako se npr, vezavne energije elektronov v atomih gibljejo v območju elektronvoitov (eV, to je 1,6x1 O*'® džula). Na primer, elektron je v vodikovem atomu vezan na jedro (proton) z vezavno energijo 13,6 eV. Tudi energije atomskih vezi v molekulah so velikostnega reda nekaj elektronvoltov, Vezavne energije protonov in nevtronov v jedru so m^ijonkrat večje. Zato jih izražamo v megaelektronvoltih (MeV, to je eV) Če hočemo torej raziskovati elektronsko strukturo materiala, bomo uporabili veliko manjše kinetične energije vpadnih delcev. kol če hočemo "videti" atomska jedra. Omeniti moramo, da je pri sipanju delcev na snovi poleg kinetične energije pomembna tudi njihova gibalna količina, posebno kjer pride do izraza valovna narava vpadnih delcev Zato nI vsak delec primeren za določen eksperiment. Kinetična energija in gibalna količina delca sta odvisni od njegove mase in hitrosti. Vsak delec ima določeno maso, značilne za tip delca (npr. masa elektrona je 9x10*^^ kg). Če delcu izberemo hitrost, tako da bo imel ustrezno kinetično energijo, lahko njegova gibalna količina ne bo primerna. Ponovimo, kako izračunamo gibalno količino in kinetično energijo delcev. Ce je hitrost delcev manjia od nekako desetine svetlobne hitrosti, računamo obe količini s klasičnimi (Newtonovimi) zakoni. Svetlobno hitrost označujemo s črko "c", njena velikost pa je okrog 3x1m/s. Meja klasične fizike je torej nekje pri hitrosti 3x10^ m/s «300CH!) km/S. Gibalna količina delca v klasični fiziki je: G = mv. kinetična energija pa: (1) (2) Pri tem je "m" masa delca in V njegova hitrost. Med kinetično energijo in gibalno količino velja zveza: 2m Pri večjih hitrostih moramo upoštevati relativistične enačbe. Gibalna količina delca je G = Tmv (3) kinetična energija je Eh» (y1) mc' {4) Relativistična gibalna količina se od klasične razlikuje po koeficientu y. ki je večji aJi enak 1. y je odvisen od r^merja med hitrostjo delca in svetlobno hitrostjo (5) in gre proti neskončni vrednosti, če se hitrost delca približuje svetlotxii hitrosti. Ker bi za neskončno gibalno količino potrebovali neskončen čas pospeševanja delca, sklepamo, da delci z maso ne morejo doseči svetlobne hitrosti Pri majhni hitrosti preide izraz (3) za relativistično gibalno količino v klasično obliko (1). Prav tako ugotovimo z razvojem relativistične kinetične energije (4) po na;avnih potencah kvooenta v/c prehod v klasično kinetično energijo (2) pn majhnih hitrostih. Zveza med relativistično kinetično energijo m gibalno količino je 2 / 2 -i-imc -mc . Drugače je z delci brez mase, kot so fotoni ah nevtnm in antinevtrini. Njihova hitrost je enaka Svetlobni, sicer ne bi imeli gibalne količine m energije. Zanje sta izraza (3) in (4) neustrezna. Gibalna količina fotona z valovno dolžino je: energija pa: E = hc (6) (7) |a sploh ni Gibalna količina m energija fotona sta povezani z enačbo E s» oG Obe količini lahko izrazimo S frekvenco v namesto z valovno dolžino, če upoštevamo valovno enačbo c =Xv. 3 Kratek pregled spektroskopij Glede na vrsto vpadnih in izhajajočih delcev imamo pn spektroskopijah veliko možnosti. Zato ne bomo naštevali vseh, ampak za zgled le, kaj lahko dobimo, če je npr. vpadni delec ion. Ta se na površini knstaia lahko si pije elastično ali neelastično. Elastično sipanje pomeni, da je kinetična energija iona po odtxiju enaka kot pred njim Mogoče bo kdo pomislil, da pn Uku prevzame nekaj kinetične energije iona tudi kristal, podobno kot pti trku biljardne krogle z mirujočo. Vendar je masa kristala toHko večja od mase vpadnega iona, da je po trku delež kinetične energije kristala popolnoma zanemarljiv. Pri neelastičnem trku izgubi vpadni ion del začetne kinetične energije. Td energija lahko gre v spremembo notranje energije iona ali pa kristala. Kinetična energija vpadnega lona se lahko porabi tudi za izbijanje različnih delcev iz kristala. Slika 2 prikazuje, katere delce vse lahko dobimo pri trku iona s kristalom. Prvič je to odbiti ion, dnjgič pa lahko ta ion izbije iz kristala druge atome ali ione. Vpadni ion lahko pn trku izgubi naboj, da dobimo nevtralni odbiti atom. Ion lahko 12 kristala izbija tudi elektrone in fotone. ppvrima knstala ® ® I® ® ^ s jitom hrisrala 3 * vpadni delec e ■ elektron f afOWtl Slika 2. Trk /ona s kristalom Vpadni ion včasih ostane ujet pod površino kristala, poleg tega lahko povzroča poškodbe kristalne mreže Oglejmo si neka] uporabnih spektroskopij. 3.1 Rutherfordovo povratno sipanje vpadni delci so tukaj ioni, izhajajoči so odbiti loni Pn fej metodi usmerimo lahke ione, največkrat helijeve, lahko tudi vodikove ali ogljikove, proti vzorcu {tarči) Sipanje je povratno", ker z detektorjem opazujemo delce, ki $e od tarče odbijejo nazaj. Značilna kinetična energija vpadnih helijevih ionov je 2 MeV Pri tej energiji helijev ion zlahka pride skozi elektronski oblak atorria v vzorcu v bližine jedra atoma. Odbojr^a električna sila med jedrom in helijevim ionom povzroči odklon helijevega iona od vpadne smeri. Kinetična energija si* penega iona je manjša od začetne vredr^ost^ In jo izmerimo z detektorjem. S tem lahko ugotovimo maso (in z njo vrsto) atomov v tarči /4/ 3.2 Rentgenska spektroskopija Pri rentgenskem sipanju gre za interference rentgenske svetlobe, odbite od površine kristala /6/. Za mterfe* renco je značilno» da imamo na zaslonu, na katerega pada odbita «v^Uuba, sveliejM (ojačilve valovanja) in temnejša mesta (oslabitve valovanja). Valovna dolžina svetlobe mora biti primerljiva z razdaljami med sosednjimi atomi v knstafu, to je nekaj desetmk nanometre, če gre za neznan kristal, lahko iz interferenčnih vzorcev določimo medatomske razdalje v knstaiu. Če pa poznamo kemijsko sestavo kristala, lahko ugotovimo njegovo usmerjenost (smeri kristalnih ravnin). 3.3 Ramansko sipanje Tudi ramansko sipanje je sipanje svetlobe na površir;dh kristalov, le da gre sedaj navadno za vidno lasersko svetlobo. Svetlobo usmerimo na kristal, odbito svet- ^ (D (D (D b} (Fj t) .J d) Slika 3. Sheme spektroskopskih metod; a) Rutherfordovo povratno $ipanie. b) Rentgenska spektroskopiia, C} Ramansko sipanje, č) Augerjeva elektroriska spektroskoptia. d) Sekundarna ionska masna spektra-skopiia, e) Fotoelektronska sp^roskopifa. Oznake: (= foton, e ^ elektron, pozitivno nabiti ion, f ^negativno nab/f/ hn. lobe pa sprejme detektor. Pri ramanskem sipanju pade foton na kristal in pri tem pride 60 prenosa energije in gibalne količine med kristalom m fotonom. Odbiti foton ima drugačno valovno dolžirx> kot pred vpadom na kristal. Sprememba valovne dolžine je odvega reda kiloelektronvoltov. Kinetična energija primarnih ionov se lahko preko zaporedja dvodelčnih interakcij v snovi prenese na večje število atomov, preden zapusti snov kak atom izpod površine kristala. Del sekundarnih atomov je nevtralnih, del pa loniziranih in te zaznamo z deteMorji. 3.6 Fotoelektronska spektroskopija /S/ Vpadni delci so fotoni, izhodni delci so elektroni iz tarče. Z ultravijolično ali rentgensko svetlobo osvetlimo povr* 4 Sklep Analiza površin trdnih snovi ali tankih plasti z različnimi spektroskopijami je nepogrešljivi sestavni del proizvodnje ali raziskav teh snovi. S tem preiščemo samo površinski del vzorcev (razen v primeru uporabe metod za postopno odstranjevanja površinskih plasti materiala), Površinske lastnosti materialov so pomembne pri kemijskih reakcijah, adsorpoijskih pojavih, električnih lastnosti površin (prevodnosti) itd. Zahvala Za Izdelavo slik se zahvaljujem Slavku Sraki, Proline, d.0.0,, Stegne 11, 1000 LJut>ljana. 5 Viri /1/ /2/ lA/ /B/ L C. Feldman, J W May^r, Fuodarrientals o^ Surface ana Thin Rim Analysis. North.Holland. 19d6 U$lh(^d$ oi Surface Analysis Gd by A.W Czartdetna Ei- gevierSci Publ Com . Amsterdam 1975 A Zaiar. Vakuumfil (1991). 6-11 P Pan)an Ž Šmit. A Cvelbar, A Batagelj. U Budoar, P Peliccn 6 f^avinseh. G Dožič. VI Remsiiar. A Zaiar m B Prae^k, Vakuumist 13/3 (1993). 7-11 I Milc«ev. Vakuum ist 14/2 (1994). 8.12 P. Kump, Vakuurrtist Id/4 (1994) 15.19 Strokovno izobraževalni tečaji (glej str. 33) PRIJAVNICA Podpisani................................zaposlen v, na delovnem mestu......................... naslov.............................................. telefon.......................faks...................... e-mail... se zanimam za izobraževalni tečaj. 1 2 3 4 (obkroži), najraje v terminu. Pripombe................................................ Datum..............Podpis