Кіріспе
Жер бетін зерттеуде қолданылатын құрал Жоғары ажыратымды электронды энергия жоғалту спектроскопиясы (HREELS) – жер бетін зерттеуде қолданылатын құрал. Электрондардың беттерден серпімелі емес шашырауы материалдың немесе бетке сіңірілген молекулалардың беткі электрондық қоздыруларын немесе тербеліс режимдерін зерттеу үшін пайдаланылады. Басқа электронды энергия жоғалту спектроскопияларынан (EELS) өзгешелігі, HREELS 10−3 эВ-тан 1 эВ-қа дейінгі шағын энергия жоғалтуларымен айналысады. Ол беттік құрылымды, катализді, беттік фонондардың таралуын және эпитаксиялық өсуді қадағалауда маңызды рөл атқарады.
High resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) is a tool used in surface science. The inelastic scattering of electrons from surfaces is utilized to study electronic excitations or vibrational modes of the surface of a material or of molecules adsorbed to a surface. In contrast to other electron energy loss spectroscopies (EELS), HREELS deals with small energy losses in the range of 10−3 eV to 1 eV. It plays an important role in the investigation of surface structure, catalysis, dispersion of surface phonons and the monitoring of epitaxial growth.
HREELS-тің жалпы сипаттамасы
Жалпы, электрондық энергия жоғалту спектроскопиясы – дененің эластикалық шашырауы кезінде электрондардың энергия жоғалтуына негізделген. Белгілі бір энергиясы бар (Ei) электрондардың түсуші шоғы үлгіге шашыратылады. Осы электрондардың шашырауы үлгідегі электрондық құрылымды қоздырады. Егер осылай болса, шашыраған электрон қозуды тудыруға қажетті нақты энергияны (ΔE) жоғалтады. Бұл шашырау процестері эластикалық емес деп аталады. Энергия жоғалтуы, мысалы, атомдық K қабығынан M қабығына электронның қозуынан туындайды деп елестету оңай. Бұл қозудың энергиясы электронның кинетикалық энергиясынан алынады. Шашыраған электрондардың (Es) энергиясы өлшенеді және энергия жоғалтуын есептеуге болады. Өлшенген деректер негізінде энергия жоғалтуына қарсы интенсивтілік графигі құрылады. Фонондардың шашырауы жағдайында, энергия жоғалтуы деп аталатын энергияның ұлғаюы да мүмкін (анти-Стокс Раман спектроскопиясына ұқсас). Бұл энергия жоғалтулары, басқа эксперименттермен немесе теориямен салыстыру арқылы үлгінің беттік қасиеттері туралы қорытынды жасауға мүмкіндік береді. Беттік құрылымның қозулары әдетте өте төмен энергиялы болады, 10−3 eV-тан 10 eV-қа дейін. HREELS спектрлерінде электрондардың энергия жоғалтулары аз, Раман шашырауы сияқты, қызықты ерекшеліктер бір-біріне өте жақын орналасқан және әсіресе өте күшті эластикалық шашыраудың ең жоғары нүктесіне жақын. Сондықтан EELS спектрометрлері жоғары энергиялық ажыратымдылықты қажет етеді. Сондықтан, EELS-тің осы режимі Жоғары Ажыратымдылықты EELS деп аталады. Бұл жағдайда ажыратымдылық – спектрдегі екі ерекшелікті ажыратуға болатын энергия айырмасы, осы ерекшеліктердің орташа энергиясына бөлінген ретінде анықталады: EELS жағдайында жоғары ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін, ең алдымен өте дәл анықталған энергиясы бар түсетін электрондарды және жоғары сапалы анализаторды пайдалану қажет. Бұдан әрі жоғары ажыратымдылық тек түсетін электрондардың энергиясы энергия жоғалтуынан әлдеқайда үлкен болмағанда ғана мүмкін. Сондықтан HREELS үшін түсетін электрондардың энергиясы көбінесе 102 eV-тан едәуір төмен болады. 102 eV электронның орташа еркін жүріс жолы шамамен 1 нм (бірнеше моноқабатқа сәйкес келеді), ол энергия төмендеген сайын азаяды, бұл HREELS-тің бетке сезімтал техника екенін автоматты түрде білдіреді. Осы себепті HREELS өлшеуі көлденең режимде жүргізілуі керек және жоғары вакуумда (UHV) іске асырылуы керек. Бұл өте жоғары энергияда жұмыс істейтін және сондықтан беріліс электронды микроскоптарда (TEM) кездесетін Корлық деңгейлі EELS-ке қайшы келеді. Құралдық жетістіктер тербеліс спектроскопиясын TEM-де жүргізуге мүмкіндік берді. HREELS-те электрондардың энергия жоғалтуын өлшеу ғана емес, көбінесе белгілі бір энергия жоғалтуының электрондарының бұрыштық таралуы, айналық бағытқа қатысты, беттегі құрылым туралы қызықты мәліметтер береді.
In the case of EELS the first thing to think of in order to achieve high resolution is using incident electrons of a very precisely defined energy and a high quality analyzer. Further high resolution is only possible when the energies of the incident electrons are not far bigger than the energy losses. For HREELS the energy of the incident electrons is therefore mostly significantly smaller than 102 eV. Considering that 102 eV electrons have a mean free path of around 1 nm (corresponds to a few monolayers), which decreases with lower energies, this automatically implies that HREELS is a surface sensitive technique. This is the reason why HREELS must be measured in reflection mode and must be implemented in ultra high vacuum (UHV). This is in contrast to Core Level EELS which operates at very high energies and can therefore also be found in transmission electron microscopes (TEM). Instrumental developments have also enabled vibrational spectroscopy to be performed in TEM. In HREELS not only the electron energy loss can be measured, often the angular distribution of electrons of a certain energy loss in reference to the specular direction gives interesting insight to the structures on a surface.
Соққыдан шашырау
Импакттық шашырау – бұл спекулярлық бағыттан алысқа шашыратылатын электрондармен айналысатын режим. Мұндай жағдайларда макроскопиялық теория болмайды және кванттық-механикалық дисперсия теориясы сияқты микроскопиялық теория қолданылуы тиіс. Симметриялық қарастырулар да белгілі бір таңдау ережелеріне алып келеді (эластикалық емес шашырау процесіндегі энергия жоғалуы мардымсыз деп есептеледі): егер шашырау жазықтығы – шағылысу симметриясы жазықтығы болса, онда шашырау жазықтығындағы кез келген ks үшін шашырау амплитудасы нөлге тең болады. Егер бетке перпендикуляр жазықтық пен шашырау жазықтығы шағылысу симметриясы жазықтығы болса және уақыттың өзгеру симметриясы орындалса, онда қалыпты координаттары шағылыс бойынша тақ болатын режимдер үшін спекулярлық бағыттағы шашырау амплитудасы нөлге тең болады. Егер бетке нормальді ось екі есе симметриялы ось болса және уақыттың өзгеру симметриясы орындалса, онда спекулярлық бағыттағы шашырау амплитудасы екі есе айналу кезінде қалыпты режимдері тақ болатын режимдер үшін нөлге тең болады. Осы таңдау ережелері адсорбцияланған молекулалардың қалыпты координаттарын анықтауға мүмкіндік береді.
When the scattering plane is a plane of reflection symmetry then the scattering amplitude for every ks in the scattering plane vanishes. When the plane perpendicular to the surface and the scattering plane is a plane of reflection symmetry and time reversal symmetry holds then the scattering amplitudes in the specular direction vanish for modes whose normal coordinates are odd under the reflection. When the axis normal to the surface is an axis of two fold symmetry, and time reversal symmetry holds then the scattering amplitudes in the specular direction vanish for modes whose normal modes are odd under the twofold rotation. All those selection rules make it possible to identify the normal coordinates of the adsorbed molecules.
Орташа теріс иондық резонанс
Орташа теріс иондық резонанста электрон шашырау процесінде адсорбцияланған молекуламен біріккен күйді қалыптастырады. Дегенмен, осы күйлердің өмір сүру ұзақтығы соншалықты қысқа, осы типтегі шашырауды байқау өте қиын. Барлық осы режимдерді бір микроскопиялық теорияның көмегімен бірден сипаттауға болады.
Дәрелістік өздік режимдер тұрғысынан диполдық шашырауды таңдау ережесі
Микроскопиялық теория дипольдік шашыраудың таңдау ережесіне дәлірек жақындауға мүмкіндік береді. Шашырату қимасы тек нөлдік емес матрицалық элемент болған жағдайда ғана нөлдік емес болады, мұнда i адсорбцияланған молекуланың бастапқы, ал f – соңғы тербеліс энергия деңгейін, ал pz – оның диполь моментінің z компонентін білдіреді. Диполь моменті заряд пен ұзындықтың көбейтіндісі сияқты болғандықтан, pz, z сияқты бірдей симметриялық қасиеттерге ие, ол толық симметриялы. Сондықтан i және f көбейтіндісі де толық симметриялық функция болуы керек, әйтпесе матрицалық элемент жоғалады. Осылайша, молекуланың толық симметриялық негізгі күйінен толық симметриялық тербеліс күйіне ғана көшу мүмкін. Бұл дипольдік шашырау үшін беттік таңдау ережесі. Шашырау қарқындылығы немесе адсорбат атомдарының орын ауыстыруы туралы ештеңе айтылмайтынын ескеріңіз, бірақ оның жалпы диполь моменті матрицалық элементтегі оператор болып табылады. Бұл маңызды, себебі бетке параллель атомдардың тербелісі диполь моментінің бетке перпендикуляр тербелісін де тудыруы мүмкін. Сондықтан жоғарыдағы «дипольдік шашырау» бөліміндегі нәтиже толыққанды дұрыс емес. Таңдау ережелерінен ақпарат алуға тырысқанда, таза дипольдік немесе соқтығысу шашырау аймағы зерттеліп жатыр ма, жоқ па, оны мұқият қарастыру қажет. Бетке күшті байланысқанда туындайтын симметрияның бұзылуын ескеру керек. Тағы бір мәселе – үлкен молекулалардың жағдайында көптеген тербеліс режимдері дегенеративті болуы мүмкін, олар молекула мен беттің күшті өзара әрекеттесуіне байланысты шешілуі мүмкін. Бұл өзара әрекеттесулер молекуланың өзінде жоқ жаңа дипольдік моменттерді де тудыруы мүмкін. Бірақ мұқият зерттеу жүргізгенде, молекуланың бетке қалай жабысатынын анықтауға болады.
excitations from the totally symmetrical ground state of a molecule are only possible to a totally symmetric vibrational state. This is the surface selection rule for dipole scattering. Note that it says nothing about the intensity for scattering or the displacement of the atoms of the adsorbate, but its total dipole moment is the operator in the matrix element. This is important as a vibration of the atoms parallel to the surface can also cause a vibration of the dipole moment normal to the surface. Therefore, the result in the "dipole scattering" section above is not exactly correct. When trying to gain information from selection rules, one must carefully consider whether a pure dipole or impact scattering region is investigated. Further symmetry breaking due to strong bindings to the surface must be considered. Another problem is that in cases of larger molecules often many vibrational modes are degenerate, which could again be resolved due to strong molecule surface interactions. Those interactions can also generate completely new dipole moments which the molecule does not have on its own. But when carefully investigating it is mostly possible to get a very good picture of how the molecule adheres to the surface by analysis of normal dipole modes.
Жоғары ажыратылатын электронды энергия жоғалту спектрометрі
HREELS үшін қолданылатын электрондардың энергиясы төмен болғандықтан, олар үлгі материалдарында ғана емес, сонымен қатар қалыпты атмосфералық жағдайларда да өте қысқа орташа еркін жүріс ұзындығына ие. Сондықтан спектрометрді жоғары вакуумда (UHV) орнату қажет. Спектрометр – әдетте, электрондық ағынды сақтай отырып, ажыратымдылықты оңтайландыруға мүмкіндік беретін компьютерлік модельдеу. Электрондар электрондық көзде туындайды, ол вольфрам катодын қыздыру арқылы жасалады және детекторлық бөлімге кездейсоқ электрондардың кіруін болдырмайтын, теріс зарядталған репеллермен капсулаланған. Электрондар көзден тек линзалық жүйе арқылы ғана шыға алады, мысалы, әртүрлі потенциалдардағы бірнеше тіліктерден тұратын саңылаулы линзалық жүйе. Бұл жүйенің мақсаты – электрондарды монохроматордың кіреберісіне шоғырландыру, жоғары бастапқы электрондық ағын алу үшін. Монохроматор әдетте концентрлі жарты шарлы анализатор (CHA) болып табылады. Жоғары сезімталдық жағдайларда қосымша алдын ала монохроматор қолданылады. Монохроматордың міндеті – электрондық линзалардың көмегімен өтетін электрондардың энергиясын бірнеше эВ-қа дейін төмендету. Ол тек таңдалған бастапқы энергиясы бар электрондарды ғана өткізеді. Жақсы ажыратымдылыққа қол жеткізу үшін, жақсы анықталған энергияға ие инциденттік электрондар болуы маңызды. Әдетте, монохроматор үшін ажыратымдылықты таңдайды, мысалы, 10 ЭВ энергиясы бар электрондар 10−1 ЭВ-қа дейін дәлдікпен анықталады. Сәуленің ағыны 10−8 А-дан 10−10 А-ға дейін болады. CHA радиусы бірнеше 10 мм шамасында. Дефлектор электродтарында тісті пішіндеме бар, ол электрондық фонды азайту үшін қабырғалардан кері шашыраған электрондарды қайтару үшін қолданылады. Содан кейін электрондар линзалық жүйе арқылы үлгіге шоғырландырылады. Бұл линзалар эмитерлік жүйенің линзаларынан өте икемді, өйткені үлгіге жақсы фокус беру маңызды. Бұрыштық үлестірулерді өлшеуге мүмкіндік беру үшін, барлық элементтер үлгіге ортасы орналасқан айналмалы столға орнатылады. Оның теріс заряды электрондық сәулені кеңейтеді, бұл CHA дефлекторларының жоғарғы және төменгі пластиналарын теріс зарядтау арқылы болдырмауға болады. Бұл бұрылу бұрышының өзгеруіне әкеледі және экспериментті жобалау кезінде ескерілуі керек. Үлгіде шашырау процесінде электрондар бірнеше 10−2 ЭВ-тан бірнеше электрон вольтқа дейін энергия жоғалта алады. Шашыраған электрондық сәуле, инциденттік сәуледен шамамен 10−3 есе аз ағынмен, анализаторға кіреді, басқа CHA. Анализатор CHA тек белгілі бір энергиялы электрондарды талдау бөліміне, арналық электрондық көбейткішке (CEM) өткізеді. Осы талдау CHA үшін монохроматор үшін қолданылатын деректердің барлығы жарамды. Бірақ анализаторда монохроматордан жоғары ажыратымдылық қажет. Сондықтан бұл CHA-ның радиалдық өлшемдері көбінесе екі есе үлкен болады. Линзалық жүйелердің аберрацияларына байланысты сәуле де кеңейеді. Анализаторға жеткілікті электрондық ағынды сақтау үшін диафрагмалардың көлемі де шамамен екі есе үлкен болады. Талдауды дәлдікті арттыру үшін, әсіресе дефлекторда шашыраған электрондардың фонын азайту үшін, көбінесе екі анализатор қолданылады немесе анализаторлардың артына қосымша диафрагмалар қосылады, өйткені дұрыс емес энергиялы шашыраған электрондар әдетте CHA-дан үлкен бұрыштармен шығады. Осылайша 10−2 ЭВ-тан 10 ЭВ-қа дейінгі энергия жоғалтуларын шамамен 10−2 ЭВ дәлдікпен анықтауға болады.
HREEL спектрометрлерінің жалпы мәселелері
Электрондық ағынның әсерінен апертуралар теріс заряд ала алады, бұл оларды өткішіп бара жатқан электрондар үшін тиімді түрде кішірейтеді. Бұл құрылғыны жобалау кезінде ескерілуі керек, себебі репеллер, линзалар, экрандау элементтері және рефлектордың әртүрлі потенциалдарын тұрақты ұстау өте қиын. Линзалар немесе CHA дефлекторларындағы тұрақсыз потенциалдар өлшенген сигналдағы тербелістерге себеп болады. Сыртқы электр немесе магнит өрістері де осыған ұқсас проблемаларды тудырады, олар сигналда тербелістерге немесе тұрақты смещениеге (offset) әкеледі. Сондықтан сынама әдетте эквипотенциалды металл электродтармен қоршалады, осылайша сынама аймағында өріс болмайды, нәтижесінде зонд электрондары да, сынама да сыртқы электр өрістерінің әсеріне ұшырамайды. Сонымен қатар, магниттік өрістерді немесе өрістің біртектіліксіздігін 10 мГ немесе 1 мГ/см дейін төмендету үшін бүкіл спектрометрдің айналасына жоғары магниттік өткізгіштігі бар материалдан, мысалы, Mu металлдан жасалған цилиндр орнатылады. Осы себепті, линзалардан басқа, олар әдетте жабынмен қапталған мыстан жасалса, эксперименттің барлық бөлігі антимагниттік тот баспайтын болаттан жасалған және мүмкіндігінше оқшаулағыш бөлшектерден аулақ болуға тырысылады.