Методы исследования поверхности твердого тела

Введение

Предмет изучения – методы, в которых для получения аналитического сигнала используются чисто физические воздействия. Аналитическая информация – элементный состав, концентрация, химический состав (качественный и количественный). Сюда же примыкают структурные исследования, изучение морфологии поверхности.

В основе большинства физических методов лежит изучение характера взаимодействия ЭМ либо корпускулярного излучения с веществом. На сегодняшний момент существует очень большое количество методов, которые не поддаются классификации. Среди них выделяют две большие группы: различные молекулярные спектроскопии и методы исследования поверхности. Вторая группа – методы исследования твердотельныз образцов в том виде, в котором они получены. Само выражение «исследование поверхности» подчеркивает высокую чувствительность этих методов, а также вполне определенную, как правило, небольшую, глубину зондирования, позволяющую отличить поверхность от объёма.

Выбор рассматриваемых методов диктуется следующими обстоятельствами: общеупотребительность, взаимодополняемость[1], доступность. Все эти методы реализованы в стране в тех или иных институтах.

Все методы базируются на эффекте взаимодействия зондирующего пучка с поверхностью образца. В качестве зондирующего излучения рассматриваются фотоны, электроны и ионы. Эффектами являются поглощение, рассеяние и отражение, генерация вторичных частиц в виде фотонов, электронов, ионов и молекулярных фрагментов. Иначе говоря, мы можем следить за протеканием эффектов, регистрируя ионные, фотонные и электронные потоки. Единственное, следует иметь в виду, что эти потоки могут быть обусловлены первичным либо вторичным излучением. Следить – значит, что нас интересует энергия и интенсивность излучения с поверхности образца. Такое многообразие как средств зондирования, так и эффектов, происходящих при зондировании, породило очень большое количество методов исследования поверхности.

На сегодняшний момент сформировался набор из наиболее употребительных методов, которые в комплексе дают исчерпывающую информацию об образце.

Итак, пусть на образец действуют рентгеновским излучением и в результате облучения выбиваются электроны. Мы исследуем энергетический спектр этих электронов. Метод получил название рентгенофотоэлектронной спектроскопии.

 

Действуем электронным пучком, а регистрируем рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов. Это метод рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Поскольку электронным пучком легко манипулировать, исследование можно проводить в различных точках. Это обстоятельство подчеркивается другим названием метода «электронный микрозонд».

Взаимодействие поверхности с пучком электронов, приводящее к генерации пучка вторичных электронов, называется Оже-электронной спектроскопией (по имени открывшего). Вторичные электроны в методе называются Оже-электронами.

Дополнительные возможности открываются при использовании ионных пучков.

Если пучок ионов рассеивается при взаимодействии с образцом и мы исследуем энергетический профиль рассеянных ионов, такой метод называется обратным резерфордовским рассеянием. Название показывает, что схема эксперимента схожа со знаменитым опытом Резерфорда с α-частицами.

Если ионы, используемые для бомбардировки образца, имеют достаточно большую энергию, то результатом взаимодействия с атомами образца может быть инициирование ядерных реакций, за ходом которых можно следить соответствующие виды излучения (альфа, бета, гамма). Это метод ядерных реакций.

Наконец, если поверхность образца облучается ионами, то в результате можно наблюдать её распыление. А образующиеся распыленные частицы можно исследовать масс-спектрометрически. Метод получил название вторично-ионной масс-спектрометрии