Metody analýzy povrchu

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Metody analýzy povrchu"

Barbora Černá
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Metody analýzy povrchu Metody charakterizace nanomateriálů I RNDr. Věra Vodičková, PhD.

2 Povrch pevné látky: Poslední monoatomární vrstva + absorbovaná monovrstva Ovlivňuje fyzikální vlastnosti (ukončení krystalové mřížky poruchy, komplikovanější struktura, interakce s prostředím Analýza povrchů Identifikace částic v povrchové vrstvě Krystalová struktura vrstvy Chemické vazby mezi prvky Všeobecný princip: Vhodně zvolená primární sonda povrch vzorku Interakce materiál vs sonda analýza signálu emitovaného ze vzorku Podmínka: signál musí vycházet z malé hloubky 2

3 Nejběž ěžnější metody analýzy povrchu AES (Auger Electron Spectroscopy) chemické složení povrchové vrstvy, studium segregačních procesů, oxidace SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) chemické složení povrchové vrstvy, studium difuzních procesů, koroze PES (Photoelectron Spectroscopy) chemické složení povrchové vrstvy, chemický stav atomů APS (Appearance Potential Spectroscopy) spektroskopie prahových potenciálů LEED (Low Energy Electron Diffraction) difrakce pomalých e - studium monokrystalických povrchů A spousta dalších. 3

4 AES Augerova elektronová spektroskopie 1925: objev emise pomalých e - (AE) při ozáření pevné látky elektronovým svazkem (energie těchto e - charakteristická pro atomy různých prvků) Využití navrženo 1953 AE poměrně pomalé (energie ovlivněna rozptylem hmotou) krátká volná dráha obraz složení vrstvy o malé tloušťce (cca 1 nm) 4

5 AES Augerova elektronová spektroskopie Princip: primární e - vyrazí e - z vnitřní hladiny (ionizace) Přechod excitovaného atomu do základního stavu - dva mechanismy: Doplnění vzniklé vakance přeskokem e - z vyšší hladiny zářivý přechod emise kvanta záření s energií danou rozdílem hladin Energie se odevzdá další šímu e -, který je atomem emitován nezářivý přechodp 5

6 AES Augerova elektronová spektroskopie 6

7 AES Augerova elektronová spektroskopie Energie AE nezávisí na energii primárního paprsku! Označení přechodů (hladiny,mezi nimiž přechod proběhl) př: KL 3 L 3 e - z L 3 zaplnil vakanci na K, emise e - z L 3 Nejvýznamnější přechody hladina zaplňujícího e - = hladina emitovaného AE (KLL, LMM, apod.) Podmínka: min 2 energetické hladiny, 3 elektrony 7

8 AES Augerova elektronová spektroskopie Analýza emitovaných elektronů: Detekce zpracování signálu energiové spektrum e - Zvýraznění Augerových piků - elektronická derivace signálu Z polohy maxim ve spektru kvalitativní i kvantitativní složení povrchu 8

9 AES Augerova elektronová spektroskopie 9

10 AES Augerova elektronová Augerova mikrosonda = REM + Augerův spektrometr spektroskopie - vakuová komora - energiový analyzátor 10

11 AES Augerova elektronová spektroskopie - využit ití kvantitativní složení povrchů analýza tenkých vrstev (mikro, nano) kontrola jakosti povlaků studium koroze hloubkové koncentrační profily ve vícevrstvých systémech 11

12 PES fotoelektronová spektroskopie (XPS, ESCA, UPS) jedna z nejrozší šířenějších metod studia povrchů a tenkých vrstev podává informace o kvantitativním m složen ení, charakteru atomových

12 12 PES fotoelektronová spektroskopie (XPS, ESCA, UPS) jedna z nejrozší šířenějších metod studia povrchů a tenkých vrstev podává informace o kvantitativním m složen ení, charakteru atomových vazeb, tloušťce vrstev základním m procesem je fotoefekt = emise fotoelektronů v důsledku d ozářen ení materiálu fotony měří se energetické rozdělen lení těchto elektronů tzv. fotoelektronové spektrum

PES fotoelektronová spektroskopie Podle způsobu excitace fotoelektronových spekter se rozlišují dvě rozdílné metody fotoelektronové spektroskopie a to: XPS = X-Ray

13 PES fotoelektronová spektroskopie Podle způsobu excitace fotoelektronových spekter se rozlišují dvě rozdílné metody fotoelektronové spektroskopie a to: XPS = X-Ray Photoemission Spectroscopy (rentgenová fotoelektronová spektroskopie) ESCA = Electron Spectroscopy for Chemical Analysis (elektronová spektroskopie pro chem. analýzu)

14 PES (XPS) fotoelektronová spektroskopie Základní proces: fotoefekt emise e - v důsledku ozáření materiálu fotony Atom na energetické hladině E 1 ionizován fotonem s energií hν emise e - s energií hν * = E 1 Energie fotoelektronů E F = hν E 1 14 (přechod atomu do základního stavu emisí rtg nebo AE)

15 PES (XPS) fotoelektronová spektroskopie Podstatou metody je měření rozdělení kinetické energie fotoelektronů fotoelektronové spektrum Spektrum 15

16 PES (XPS) fotoelektronová spektroskopie Vyhodnocení fotoelektronového spektra: Polohy fotoemisních linií jsou pro daný prvek charakteristické identifikace prvku. Integrální intenzity linií odpovídají koncentraci informace o povrchové koncentraci prvků. Pozn: Pokud je fotoionizovaný atom součástí molekuly nebo pevné látky vazebné energie elektronů jsou ovlivňovány vytvářením chemických vazeb s okolními atomy pozorování tzv. chemických posuvů hodnot vazebných energií XPS tak lze využívat i ke studiu chemického stavu atomů

17 17 Rozlišení vazebného stavu

18 18 Rozlišení oxidačního stavu

19 19 Kontaminace povrchu polymeru fluorem

20 PES (XPS) instrumentace spektrometr: primární zdroj + elektronový analyzátor. musí pracovat v podmínkách velmi nízkých tlaků - zajišťění dostatečně dlouhé střední volné dráhy elektronů pro jejich pohyb v systému vzorek detektor. 20

21 PES (XPS) instrumentace Elektrostatický hemisférový analyzátor 21

22 Praktické aplikace XPS (ESCA) Kvantitativní složen ení povrchu Polymery a modifikace povrchu Oxidy a dielektrika Čištění povrchu a zpracování reziduí Katalyzátory Identifikace skvrn, defektů, lepidel a problémů s korozí Informace o chemickém m stavu povrchu Stavy oxidace kovů Struktura / orientace (struktura valenčních pásů) Analýza tenkých filmů (profilování hloubky filmu) Tenké filmy polovodičů a použitých pojidel Tenké filmy magnetických disků

Hmotnostní spektroskopie sekundárn rních iontů (SIMS) fyzikálně chemická metoda identifikace atomů, molekul a molekulových fragmentů po jejich převedení na ionty separace podle hmotnosti metoda

23 Hmotnostní spektroskopie sekundárn rních iontů (SIMS) fyzikálně chemická metoda identifikace atomů, molekul a molekulových fragmentů po jejich převedení na ionty separace podle hmotnosti metoda využívá energetického svazku částic (0,2 kev 20 kev) k erozi povrchu studovaného materiálu odprášenéčástice nesou informaci o studovaném povrchu materiálu jistá frakce těchto částic je během odprašování ionizována = sekundární ionty analýza pomocí hmotnostního filtru

24 SIMS iontový zdroj - převedení analyzované látky do ionizovaného stavu hmotnostní analyzátor (např. elektromagnet) - disperzní prvek - rozdělení směsi iontů o různých hmotnostech v prostoru nebo včase detektor - analogový signál úměrný počtu dopadajících iontů. Schéma měřícího zařízení SIMS digitalizace signálu, převedení do pc a zpracování do formy hmotnostního spektra

25 SIMS

26 SIMS Disperzní prvek Magnetický hmotnostní analyzátor Nejstarší, ale z hlediska rozlišení a hmotnostního rozsahu nejdokonalejší disperzní prvek - konstrukčně se jedná o elektromagnet, mezi jehož pólovými nástavci procházejí ionty Ionty o rozdílném poměru m/z opisují dráhy o různých poloměrech, dochází k prostorové disperzi iontů podle jejich hmotnosti

SIMS SSIMS statická SIMS malé dávky (< 10 12 primárních iontů na cm 2) analýza povrchových molekul DSIMS dynamická SIMS

27 SIMS SSIMS statická SIMS malé dávky (< primárních iontů na cm 2) analýza povrchových molekul DSIMS dynamická SIMS velké dávky měření koncentračních hloubkových profilů Pozn.:Zobrazování plošného rozložení prvků na povrchu v obou režimech

28 SIMS Hmotnostní spektra Hmotnostní spektrum povrchu Si Hmotnostní spektrum uhlíkových nanotrubic na povrchu Si

29 SIMS Analýza multivrstev Hloubkový profil multivrstvy 4 (Mo/Si)/Mo na Si(100) substrátu. Tloušťka jednotlivých vrstev je 3 nm (1,5 kev, 60, Ar+, vlevo napouštění kyslíkem při tlaku Pa, vpravo bez přítomnosti kyslíku Pa).

30 SIMS Výhody: nízký detekční limit, který umožňuje detekovat jednu částici z milionu umožňuje určení všech prvků včetně jejich izotopů, 3D analýzu při nízkém proudu primárních iontů je povrchově citlivá lze analyzovat i lehké prvky Nevýhody: destruktivní metoda - měření nelze zopakovat na stejnéčásti vzorku někdy není možno odlišit od sebe prvky s podobnými hmotnostmi s rostoucím hloubkovým rozlišením se snižuje citlivost metody

31 Porovnání parametrů jednotlivých metod Parametry EMA AES ESCA SIMS Informační hloubka 1000 nm 1nm 5nm 1 monov. Detekce prvků I I I I izotopů I sloučenin 0 spec.met. spec.met. I Detekce vodíku I Citlivost u všech uvedených metod vysoká 31

32 32 Využitelnost metod

33 33 Augerovy elektrony

Podobné dokumenty

Metody analýzy povrchu

Metody analýzy povrchu Metody charakterizace nanomateriálů I RNDr. Věra Vodičková, PhD. 2 Povrch pevné látky: Poslední monoatomární vrstva + absorbovaná monovrstva Ovlivňuje fyzikální vlastnosti (ukončení