Артем Аллилуев, Автор в ЭМТИОН

Пятая Российская конференция по магнитной гидродинамике

Уважаемые коллеги и партнеры, мы рады сообщить вам, что наша компания ЭМТИОН приняла участие в прошедшей недавно научной конференции “Пятая Российская конференция по магнитной гидродинамике”, которая состоялась в главном здании ИМСС УрО РАН в Перми, Россия.

 

Эта конференция является важным мероприятием в области магнитной гидродинамики и собирает ведущих ученых и специалистов со всего мира. На конференции обсуждались фундаментальные вопросы магнитной гидродинамики, МГД-турбулентность, астрофизическая и геофизическая магнитная гидродинамика, прикладная магнитная гидродинамика, магнитные жидкости и их приложения, мягкое магнитное вещество и прикладные вопросы, а также теплообмен в жидких металлах в магнитном поле и без него.

 

Компания ЭМТИОН приняла участие в этой конференции и поделилась своими достижениями, идеями и опытом в области магнитной гидродинамики. Это была отличная возможность для установления новых контактов, обмена знаниями и укрепления сотрудничества между учеными и специалистами из разных стран таких как Россия, Словакия, США и Китай.

 

 

С более подробной информацией о “Пятой Российской конференции по магнитной гидродинамике” Вы можете ознакомиться на официальном сайте конференции.

 

Компания ЭМТИОН осуществляет производство и поставку исследовательского лабораторного и технологического оборудования. Собственное производство компании сосредоточено в г. Зеленоград (Москва). Производство компаний партнеров расположено в Российской Федерации, Республике Беларусь и Китайской Народной Республике.

 

Мы предлагаем к Вашему вниманию следующую продукцию:

 

 

Эргономика и другие обновления для порошковых дифрактометров

Совместными усилиями компаний ЭМТИОН и TONGDA было произведено обновление линейки дифрактометров серии TDM и TD (TDM-20, TD-3700, TD-3500 и TD-5000). Произведены глобальные улучшения в части эргономики систем, а также изменен ряд функционально-технических решений для повышения надежности системы.

 

Обновленный дизайн дифрактометра

 

В части эргономики, изменено положение разъемов подключения опций (теперь разъемы выведены в верхнюю часть корпуса для удобства подключения). Помимо прочего разделительный нож расположенный на держателе образцов теперь имеет градуировочные шкалы для удобства регулирования ножа по высоте.

 

Градуировочные шкалы ножа

 

Также был обновлен корпус дифрактометра. Новый корпус имеет более изящный и функциональный дизайн. Теперь монитор системы ПЛК контроля параметров работы дифрактометра расположен сбоку на уровне глаз пользователя. Внутреннее освещение камеры образцов заметно улучшено. Также в корпус дифрактометра добавлена возможность установки монтажных ручек для удобства монтажа и обслуживания системы.

 

Монитор системы ПЛК и камера образцов

 

Кроме того, был усовершенствован держатель образцов: теперь он оснащен регулировкой по высоте и наклону, позволяющий настраивать точное положение образца на оптическом пути. При работе с многофункциональной текстурной приставкой возможна автоматическая подстройка высоты образца в зависимости от его конфигурации, а также возможно использование приставки в качестве простого вращателя образцов.

 

Надеемся, что наши клиенты оценят все преимущества нового дифрактометра и смогут более эффективно проводить свои исследования.

 

Компания ЭМТИОН осуществляет производство и поставку исследовательского лабораторного и технологического оборудования. Собственное производство компании сосредоточено в г. Зеленоград (Москва). Производство компаний партнеров расположено в Российской Федерации, Республике Беларусь и Китайской Народной Республике.

 

Мы предлагаем к Вашему вниманию следующую продукцию:

 

Анализ фармацевтических таблеток методом спектроскопии комбинационного рассеяния

Конфокальная микроскопия комбинационного рассеяния широко используется в фармацевтике. Такая техника позволяет идентифицировать химические компоненты, а также молекулярные конформеры в различных лекарствах. Измерение распределения ингредиентов в таблетке важно для контроля качества технологического процесса, тестирования загрязнений.

 

В данной прикладной публикации демонстрируются возможности конфокального микроскопа комбинационного рассеяния Confotec® MR520 для изучения фармацевтической таблетки, содержащей два активных компонента — аспирин и парацетамол. Указанные активные компоненты должны распределяться по таблетке однородно, чтобы обеспечить ее качество. Гомогенное распределение компонентов улучшает компрессионные характеристики таблетки при прессовании, её твердость и срок хранения.

 

С поверхности таблетки регистрируются два типичных спектра комбинационного рассеяния (Рис. 1).

 

Рис.1. Спектры комбинационного рассеяния: зеленый цвет соответствует аспирину, красный цвет — парацетамолу.

 

Спектры на Рис. 1 соответствуют двум главным компонентам таблетки: аспирину и парацетамолу. Спектр комбинационного рассеяния парацетамола имеет характерные пики вблизи 1650 cm-1 (C=O валентное колебание) и 1612 cm-1 (N-H валентное колебание). Спектр комбинационного рассеяния аспирина имеет характерные полосы 1606 cm-1 (C-C валентное колебание) и 1622 cm-1 (C-O колебание карбоксильной группы).

 

Рис.2. Распределение химических компонентов в таблетке: зеленый цвет — аспирин, красный цвет — парацетамол.

 

Характеристичные спектры аспирина и парацетамола использованы для построения карты распределения химических компонентов в таблетке (Рис. 2). Возможно видеть гомогенное распределение активных компонентов в исследованной таблетке (Рис. 2).

 

Заключение

 

Микроскопия комбинационного рассеяния является мощным инструментом для фармацевтических применений. Используя Confotec® MR520, возможно изучение распределения аспирина и парацетамола по таблетке с высоким пространственным разрешением.

 

Источник: “Анализ фармацевтических таблеток методом спектроскопии комбинационного рассеяния” Sol Instruments

Анализ волос на лазерном анализаторе элементного состава LEA-S500

Определение содержания жизненно необходимых (эссециальных) и токсичных элементов в волосах позволяет провести диагностику нарушений минерального обмена, выявить соотношение необходимых и токсичных микроэлементов в организме человека и, выявить скрытые причины заболеваний, приобретенные болезни обмена веществ, воздействия токсинов на производстве и в быту, при криминальных отравлениях.

 

В настоящей работе представлена методика количественного определения 25 макро- и микроэлементов в биосубстратах (человеческих волосах) (Ag, Al, Ba, B, Be, Ca, Cr, Cu, Fe, F, K, Mg, Mn, Li, Na, Ni, P, Rb, Si, Sn, Sr, Ti, Y, Zn, Zr,) в ppm на лазерном анализаторе элементного состава LEA-S500 для различных гендерных и возрастных групп детей и взрослых. Ошибка определения для ряда элементов составляет 10 — 15 %.

 

Для проведения анализа достаточно пряди волос массой 50 мг — 100 мг. Минимальная пробоподготовка, состоит в предварительной промывке, (методические рекомендации МАГАТЭ), и склеивании пряди волос специально подобранным средством. Предлагаемый метод позволяет получить средние по трем измерениям результаты в подготовленном образце в течение 15 минут. Экспрессность метода анализа позволяет изучать динамику изменения содержания элементов обследуемого человека за небольшие промежутки времени.

 

Калибровка прибора, обеспечивается применением международных сертифицированных стандартных образцов NCS DC 73347a от 2007 г. и NCS ZC 81002b от 2005 г., производитель Китайский национальный аналитический центр чугуна и стали.

 

Значительными преимуществами предлагаемого метода по сравнению с применяемыми в настоящее время для анализа биосубстратов являются:

 

  • отсутствие необходимости в озолении (сухом или мокром) образца (значительные временные затраты, неконтролируемые потери летучих элементов);
  • отсутствие необходимости в применении реактивов, материалов, и аппаратуры особой чистоты.

 

Самое главное – экспрессность, суммарное время выполнения анализа с пробоподготовкой – не более 30 мин.

 

Предлагаемый метод обладает уникальным качеством перед другими, позволяя проследить временную динамику накопления эссенциальных элементов по длине пряди волос по мере их роста.

 

Подобные исследования позволяют судить о состоянии здоровья организма, его метаболизме, оценить дефицит жизненно необходимых элементов и вовремя внести необходимые коррективы в питание, при необходимости даже провести комплекс лечения.

 

Метод может с успехом применяться для гигиенической оценки баланса химических элементов в биосистеме, основанной на изучении регионального микроэлементного паспорта населения.

 

Определяемые элементы: минимальные измеряемые доли (ppm) элементов в волосах детей до 14 лет, взрослых мужчин и женщин

 

№ п/п Элемент
(символ)
Минимальная измеряемая массовая доля, ppm Измеренная массовая доля, ppm
Мальчики Девочки Мужчины Женщины
8 лет 13 лет 2,5 года 14 лет 35 лет 60 лет 30 лет 55 лет
1 Ag 0.05 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.045 0.15 0.05
2 Al 0.5 4 1.5 11 2 3 3 8 2
3 Ba 0.5 2 1 2 5 1.7 3.5 10 3
4 B 1 2.2 4 1 0.7 <1 9 2.4 0.6
5 Be 0.01 0.01 0.03 0.05 0.01 0.01 0.01 0.02 0.01
6 Ca 1 250 250 1500 3000 300 1000 2500 1300
7 Cr 0.2 < 0.2 0.6 0.5 < 0.2 0.3 0.5 0.6 0.4
8 Cu 1 15 12 25 22 7 11 20 26
9 Fe 1 32 10 40 18 18 50 50 23
10 F 10 25 20 20 30 20 21 10 25
11 K 0.1 70 40 56 30 20 60 100 50
12 Mg 1 64 34 120 110 50 100 120 100
13 Mn 0.2 0.2 < 0.2 0.8 < 0.2 0.3 0.3 3 < 0.2
14 Li 0.01 0.02 0.01 0.03 0.015 0.013 0.02 0.04 0.02
15 Na 0.1 450 200 120 100 90 180 180 200
16 Ni 0.2 0.1 0.2 0.3 0.2 0.2 0.3 0.2 0.2
17 P 10 190 160 160 190 110 150 150 160
18 Rb 0.1 < 0.1 0.1 < 0.1 0.1 < 0.1 < 0.1 0.1 0.2
19 Si 1 47 60 90 100 70 130 200 150
20 Sn 0.2 0.3 0.2 1 0.2 0.1 0.8 0.2 0.4
21 Sr 0.5 5.6 3 5 6 5 5 8 5
22 Ti 1 4 5 6 2 9 7 10 8
23 Y 1 1.5 < 1 1 1.3 1 1.1 1.1 1
24 Zn 10 70 100 260 200 100 85 150 120
25 Zr 1 0.9 1 0.7 0.6 0.6 1 0.5 0.5

 

Источник: “Характеристики спектрального прибора.” Sol Instruments

Основные понятия и характеристики спектрального прибора

Дифракционная решетка

 

В спектральных приборах для пространственного разложения света в спектр используются дифракционные решетки. Дифракционная решетка – это оптический элемент, состоящий из большого числа регулярно расположенных штрихов, нанесенных на плоскую или вогнутую поверхность. Решетки могут быть прозрачными или отражательными. Кроме того, различают амплитудные и фазовые дифракционные решетки. У первых периодически изменяется коэффициент отражения, что вызывает изменение амплитуды падающей волны. У фазовых дифракционных решеток штрихам придается специальная форма, которая периодически изменяет фазу световой волны. Наибольшее распространение получила плоская отражательная фазовая дифракционная решетка с треугольным профилем штрихов – эшелетт.

 

Рис.1. Пояснение принципа действия дифракционной решетки.

 

Длина волны блеска

 

Отражательная способность дифракционных решеток зависит от угла наклона штрихов – изменяя угол наклона грани штриха можно совместить центр дифракционного максимума функции \bm{I_D} с интерференционным главным максимумом функции \bm{I_N} любого порядка. Направление на центр дифракционного максимума определяется зеркальным отражением падающего пучка не от плоскости решетки, а от грани штриха. Таким образом, условие такого совмещения: углы \bm{\alpha} и \bm{\beta_{max}} должны одновременно удовлетворять соотношениям:

 

(1)

 

При этих условиях спектр данного порядка будет иметь наибольшую интенсивность. Угол \bm{\beta_{max}} называют углом «блеска», а длину волны – длиной волны «блеска» \bm{\lambda_{Blaze}} . Если область спектра для проведения исследований известна, то \bm{\lambda_{Blaze}} может быть определена из соотношения:

 

(2)

 

 где \bm{\lambda_1} и \bm{\lambda_2} – граничные длины волн диапазона спектра. Соотношение (2) помогает правильно выбрать решетку.

 

Пример 1. Исследуемый диапазон 400…1200 нм, т.е. \bm{\lambda_1 =} 400 нм, \bm{\lambda_2 =} 1200 нм. Тогда из формулы (2): \bm{\lambda_{Blaze} =} 600 нм. Выберите решетку с блеском 600 нм.

 

Пример 2. Исследуемый диапазон 600…1100 нм. Расчет по формуле (2) дает с округлением 776 нм. Решетки с таким блеском в предлагаемом списке нет. Выбирается решетка с блеском, ближайшим к найденному, т.е. 750 нм.

 

Область энергетической эффективности дифракционной решетки

 

Область, где коэффициент отражения решетки не менее 0.405, называется областью энергетической эффективности:

 

(3)

 

Величина \bm{ \Delta \lambda_E } зависит от порядка спектра: максимальна в первом порядке и быстро падает в спектрах более высоких порядков. Для первого порядка: \bm{ \Delta \lambda_E = \frac{4}{3} \cdot \lambda_{Blaze} } . Длины волн, ограничивающие эту область: \bm{ \lambda_1 = \frac{2}{3} \cdot \lambda_{Blaze} } и \bm{ \lambda_2 = 2 \cdot \lambda_{Blaze} }.

 

Область дисперсии

 

Область дисперсии – спектральный интервал, в котором спектр данного порядка не перекрывается спектрами соседних порядков. Следовательно, имеет место однозначная связь между углом дифракции и длиной волны. Область дисперсии определяется из условия: \bm{ k \cdot \lambda_2 = (k+1) \cdot \lambda_1 } .

 

(4)

 

Для первого порядка \bm{ \Delta \lambda_D = \lambda_1 } , а \bm{ \lambda_2 = 2 \cdot \lambda_1 } , т.е. область дисперсии охватывает интервал в одну октаву. Чтобы совместить область дисперсии с областью энергетической эффективности дифракционной решетки, необходимо чтобы выполнялось условие:

 

(5)

 

 В этом случае в пределах области дисперсии коэффициент отражения решетки для \bm{k = 1} будет не менее 0.68.

 

Пример. Если \bm{\lambda_{Blaze} = } 600 нм, тогда \bm{ \lambda_1 = \frac{3}{4} \cdot \lambda_{Blaze} = } 450 нм, а \bm{ \lambda_2 = \frac{3}{2} \cdot \lambda_{Blaze} = } 900 нм. Таким образом, для данной дифракционной решетки в диапазоне от 450 нм до 900 нм область дисперсии совмещена с областью энергетической эффективности.

 

Дисперсия

 

Степень пространственного разделения лучей с разной длиной волны характеризует угловая дисперсия. Выражение для угловой дисперсии получим, дифференцируя уравнение для решетки:

 

(6)

 

Из этого выражения следует, что угловая дисперсия определяется исключительно углами \bm{\alpha} и \bm{\beta} , но не числом штрихов. В применении к спектральным приборам используется обратная линейная дисперсия \bm{\frac{ d \lambda }{ d x }} , которая определяется как обратная величина произведения угловой дисперсии на фокусное расстояние: \bm{ \frac{ d \lambda }{ d x } = \frac{ d \cdot \cos{ \beta } }{ k \cdot f }}.

 

Разрешающая способность

 

Теоретическая разрешающая способность: \bm{ R = \frac{ \lambda }{ \delta \lambda }} , где \bm{\delta \lambda} – разрешение. Разрешающая способность дифракционной решетки как любого спектрального прибора определяется спектральной шириной аппаратной функции \bm{\delta \lambda} . Для решетки шириной аппаратной функции является ширина главных максимумов интерференционной функции: \bm{ \delta \lambda = \frac{ \lambda }{ k \cdot N }} . Тогда:

 

(7)

 

Спектральная разрешающая способность дифракционной решетки равна произведению порядка дифракции \bm{k} на полное число штрихов \bm{N}. Используя уравнение решетки:

 

 

(8)

 

 где произведение \bm{N \cdot d} – длина заштрихованной части решетки. Из выражения (8) видно, что при заданных углах \bm{\alpha} и \bm{\beta} величина \bm{R} может быть увеличена только за счет увеличения размеров дифракционной решетки. Выражение для разрешающей способности может быть представлено в другом виде из (6) и (8):

 

(9)

 

 где \bm{ N \cdot d \cdot \cos{ \beta } } – ширина дифрагированного пучка, \bm{ \frac{ d \beta }{ d \lambda } } – угловая дисперсия. Выражение (9) показывает, что разрешающая способность прямо пропорциональна величине угловой дисперсии.

 

Спектральная область решетки в зависимости от числа штрихов

 

Для каждой дифракционной решетки с периодом \bm{d} существует предельная максимальная длина волны \bm{\lambda_{\textbf{\textit{Max}}}} . Она определяется из уравнения решетки при \bm{k=1} и \bm{ \alpha = \beta = 90^{\circ}} и равна \bm{ \lambda_{\textbf{\textit{Max}}} = 2 \cdot d} .

 

Поэтому при работе в различных областях спектра используются решетки с различным числом штрихов:

 

  • для УФ области: 3600 — 1200 штр/мм;
  • для видимой области: 1200 — 600 штр/мм;
  • для ИК области: менее 300 штр/мм.

 

Источник: “Характеристики спектрального прибора.” Sol Instruments

XXV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых

Уважаемые коллеги и партнеры, мы рады сообщить вам, что наша компания ЭМТИОН принимает участие в предстоящей XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, которая состоится 20-24 мая.

 

На этот раз конференция посвящена 100-летию со дня рождения профессора В.П. Лопатинского и будет охватывать широкий диапазон тем, включая фундаментальные аспекты и новые тенденции в развитии химии и химической технологии. Особое внимание будет уделяться химии и химической технологии неорганических и органических веществ и материалов, теоретическим и прикладным аспектам физической и аналитической химии, технологии и моделированию процессов подготовки и переработки углеводородного сырья, химической технологии редких, рассеянных и радиоактивных элементов, охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, технологиям полимерных материалов и нефтегазохимическому синтезу, перспективным материалам и нанотехнологиям, а также химии и химической технологии на иностранном языке (английский).

 

Мы рады пригласить вас принять участие в предстоящей конференции, посвященной химии и химической технологии. Это прекрасная возможность поделиться вашими достижениями, идеями и опытом с коллегами из разных стран, а также установить новые контакты и укрепить существующие сотрудничества.

 

Для получения дополнительной информации о конференции, включая даты, место проведения, программу и условия участия, пожалуйста, посетите официальный сайт мероприятия.

 

Надеемся встретиться с вами на XXV Юбилейной Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке»!

 

Компания ЭМТИОН осуществляет производство и поставку исследовательского лабораторного и технологического оборудования. Собственное производство компании сосредоточено в г. Зеленоград (Москва). Производство компаний партнеров расположено в Российской Федерации, Республике Беларусь и Китайской Народной Республике.

 

Мы предлагаем к Вашему вниманию следующую продукцию:

 

 

VII Северо-Кавказский симпозиум по органической химии NCOCS-2024

Уважаемые коллеги и партнеры, мы рады сообщить вам, что наша компания ЭМТИОН принимает участие в предстоящей Международной конференции “VII Северо-Кавказский симпозиум по органической химии NCOCS-2024”, которая состоится в ближайшем будущем. Эта конференция является продолжением успешной серии форумов по органической химии, организованных профессором Аксеновым А.В. в 2009, 2011, 2013, 2016, 2018 и 2022 годах.

 

На этот раз конференция посвящена 30-летию Ставропольской школы химиков-органиков и будет охватывать широкий диапазон тем, включая фундаментальные аспекты и новые тенденции в развитии органической химии. Особое внимание будет уделяться новым синтетическим методам, свежим концептуальным подходам, связанным с физико-химическими свойствами и практическим применением органических соединений, а также вопросам медицинской химии.

 

Мы приглашаем вас принять участие в этой престижной конференции и поделиться вашими достижениями, идеями и опытом в области органической химии. Это отличная возможность для установления новых контактов, обмена знаниями и укрепления сотрудничества между учеными и специалистами из разных стран.

 

Для получения дополнительной информации о конференции, включая даты, место проведения, программу и условия участия, пожалуйста, посетите официальный сайт мероприятия.

 

Надеемся встретиться с вами на VII Северо-Кавказском симпозиуме по органической химии NCOCS-2024!

 

Компания ЭМТИОН осуществляет производство и поставку исследовательского лабораторного и технологического оборудования. Собственное производство компании сосредоточено в г. Зеленоград (Москва). Производство компаний партнеров расположено в Российской Федерации, Республике Беларусь и Китайской Народной Республике.

 

Мы предлагаем к Вашему вниманию следующую продукцию:

 

 

Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением

 

Регистрация электронов валентной зоны, эмитируемых в результате УФ-облучения поверхности образца, осуществляется методами фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES1). При этом открывается возможность исследования электронной структуры твердого тела с применением технологий прецизионного анализа энергетического и углового распределения фотоэлектронов.

 

1«ARPES» (Angle-Resolved Photoelectron Spectroscopy) – фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением

 

Фотоэлектронная спектроскопия (PES2) относится к самым мощным и широко применяемым методам анализа в материаловедении, физике и химии твердого тела. Особая чувствительность методики к типу материала и популярность современных технологий неразрушающего контроля химического состава (XPS3 или ESCA4) и электронной структуры (UPS5 и ARPES) материалов обусловлены характерными особенностями фотоэлектрического эффекта.

 

2«PES» (Photoelectron Spectroscopy) – фотоэлектронная спектроскопия.

3«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

4«ESCA» (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) – электронная спектроскопия для химического анализа.

5«UPS» (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС).

 

В процессе освещения поверхности образца определенная энергия фотонов (hv) затрачивается на преодоление сил связи (Eb) и работы выхода (Φ) электронов в твердом теле. Оставшаяся часть преобразуется в кинетическую энергию (Ekin) фотоэлектронов. Подобный переход осуществляется из занятых электронных состояний с энергией Ei на свободные уровни Ef в соответствии с законом сохранения энергии.

 

Ekin=hvEb-∅

 

В операциях, проводимых по методике UPS и ARPES, анализируемая область ограничивается верхними энергетическими состояниями электронов вблизи уровня Ферми. Особый интерес в современном материаловедении представляют соответствующие энергетические уровни, образующие зоны валентности и проводимости, а также поверхностные состояния в металлах и полупроводниках. Так, принципами сохранения энергии и волнового вектора k (kx, ky, kz) в процессе фотоэмиссии обусловлены характерные углы излучения электронов относительно поверхности, в зависимости от действующего импульса в объеме материала. В результате достигается возможность регистрации интенсивности фотоэмиссии (I) как функции кинетической энергии (Ekin), несущей информацию о химическом составе/силовых параметрах, и угла излучения, соответствующего импульсу (k).

 

Искажения геометрии поверхности не оказывают влияния на процессы сохранения энергии, также неизменной остается параллельная волновая составляющая импульса kӀӀ (соответствующая значениям kx и ky), тогда как нормальный компонент параметра (k) после пересечения поверхности подвержен значительным колебаниям. В модуле анализатора осуществляется регистрация кинетической энергии электронов Ekin (пересчитанной на энергию связи Eb) и угла излучения Θ (параллельной составляющей волнового вектора kӀӀ). Полученные данные далее служат основой формирования двумерного распределения электронов для измеренных значений Ekin и kӀӀ, непосредственно отражающего электронную (зонную) структуру материала.

 

 

Контроль угла излучения по второй координате в современных устройствах и системах анализа поверхности достигается посредством наклона образца по оси y или с помощью интегрированного в электронную линзу отражателя, формирующего диаграмму распределения. Построение двумерной карты зоны в координатах kx и ky осуществляется изменением угла излучения по второй оси. Управление направленным вне плоскости импульсом kz становится возможным при вариации энергии фотонов источника возбуждения.

 

 

Достижение оптимальных результатов в лабораторных условиях требует применения стабильных точечных источников ультрафиолетового излучения высокой интенсивности, играющих ключевую роль в достижении высокой скорости и эффективности процесса измерений, тогда как благодаря малому размеру пятна обеспечивается максимальное угловое (импульсное) разрешение. Компанией SPECS представлен модельный ряд специализированных источников ультрафиолета, от универсальных и надежных устройств для коммерческого применения до высокотехнологичных систем, работающих с различными газами в широком диапазоне энергии фотонов и оснащаемых монохроматорами, позволяющими дополнительно повысить эффективность и разрешение оборудования.

 

Помимо величин энергии и импульса особый интерес в процессах научного анализа могут представлять и такие параметры, как спин электрона и даже привязка к поверхности в операциях анализа малых областей (импульсная микроскопия). Применение блока регистрации с избирательной чувствительностью позволяет измерить интенсивность эмиссии электронов с положительным и отрицательным значением спина («спин-вверх» и «спин-вниз»), рассчитать разность и так называемую функцию асимметрии.

 

 

Необходимо учитывать, что источником электронов, регистрируемых методами ARPES (и иных, основанных на механизме фотоэмиссии) является возбужденное состояние атомов вещества. Однако достаточно хорошей аппроксимацией зачастую является предположение о схожести конечного и основного состояния, позволяющее делать выводы об электронной структуре твердого тела.

 

Демонстрация возможностей сканирующего объектива ASTRAIOS 190 с одинарным лучом. На примере графена/SiC, возбуждаемого монохромным источником фотонов с энергией He II (41,2 эВ) и малым размером УФ-пятна можно в динамике наблюдать эффект применения отклоняющей системы.

 

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

Современные подходы к улучшению разрешения в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Изображение растрового электронного микроскопа (РЭМ) на экране монитора формируется в процессе сканирования поверхности образца электронным зондом по двум координатам. Масштаб изображения при постоянном размере экрана находится в обратной зависимости от дистанции перемещения зонда в процессе сканирования.

 

Методика расчета увеличения РЭМ

 

Например, при размере экрана монитора 10 см и ширине области перемещения электронного зонда 1 мм достигается 100-кратное увеличение, а при дистанции сканирования 10 мкм – 10000 крат. А в современных микроскопах регулируемое значение кратности может доходить до 1 000 000, как, например, в линейке СЭМ KyKy. Традиционно увеличение рассчитывается для стандартного экрана 12 см (по горизонтали) и 10 см (по вертикали), размер которого варьируется в определенных пределах в зависимости от производителя оборудования РЭМ. С увеличением размеров дисплея по сравнению со стандартным монитором возрастает изображение РЭМ. В этом случае увеличение и размеры объекта рассчитываются по шкале, отображаемой на экране в качестве справки.

 

Глубина резкости в системе РЭМ

 

Поскольку изображение РЭМ выглядит, как в процессе наблюдения невооруженным глазом, визуально все особенности объекта представляются интуитивно понятными. Однако время от времени возникает труднообъяснимый контраст отдельных элементов, управление которым требует глубокого понимания принципов формирования изображения в растровой электронной микроскопии.

В процессе исследования образца с большой высотой рельефа становится затруднительной одновременная настройка резкости на верхней и нижней поверхности. Однако в случае существенной дистанции между граничными позициями, в которых изображение начинает размываться, можно говорить о значительной глубине резкости, и наоборот.

 

Соотношение между углом апертуры при формировании электронного зонда и глубиной резкости

 

Как можно видеть на верхнем рисунке, при малых углах апертуры, когда лучи, формирующие электронный зонд почти параллельны, изображение остается резким в большом диапазоне изменения фокусного расстояния. В то же время значительные углы апертуры, образованные лучами электронного зонда, сопряжены с нарушением резкости даже при малых вариациях фокусного расстояния. Формирование изображения в оптическом микроскопе (ОМ) также тесно связано с величиной апертуры, хотя и не предполагает организацию сканирования электронным зондом. Зависимость глубины резкости от апертуры носит обратный характер, и диапазон качественного изображения возрастает при уменьшении угла. Кроме того, необходимо учитывать возможность появления размытых линий с ростом увеличения, поскольку глубина резкости находится в обратной зависимости от масштаба изображения.

 

Сравнительная глубина резкости системы РЭМ и оптического микроскопа

 

На вышерасположенном рисунке представлены сравнительные графики зависимости глубины резкости от увеличения для электронного и оптического микроскопа (РЭМ и ОМ). В системе РЭМ обеспечивается значительно большая глубина резкости, чем даже в стереоскопическом микроскопе, лучшем по данному параметру в линейке оптических устройств. Причиной является существенно меньший угол апертуры в системе РЭМ, по сравнению с оптическим микроскопом. В любом случае следует учитывать зависимость глубины резкости от условий наблюдения.

На нижнем рисунке в сравнении приводятся изображения поверхности разлома винта, полученные средствами оптической и электронной микроскопии (ОМ и РЭМ). Существенная неровность исследуемого образца приводит к тому, что лишь небольшой участок отображается резко в оптическом микроскопе. При этом в силу значительной глубины резкости системы РЭМ на фото качественно представлена вся поверхность в поле зрения.

 

Изображение ОМ Изображение РЭМ
Изображения одного и того же участка поверхности, полученные средствами ОМ и РЭМ

Почему мы видим изображения?

 

Поскольку изображение РЭМ выглядит, как в процессе наблюдения невооруженным глазом, визуально все особенности объекта представляются интуитивно понятными. Однако время от времени возникает труднообъяснимый контраст отдельных элементов, управление которым требует глубокого понимания принципов формирования изображения в растровой электронной микроскопии.

 

Взаимодействие электронов с образцом

 

На рисунке расположенном ниже наглядно показано смоделированное по методу Монте-Карло поведение электронов в процессе бомбардировки поверхности, последующего рассеяния в объеме с постепенной потерей энергии и поглощения в материале образца. Диапазон рассеяния варьируется в зависимости от энергии электронов, атомного номера элементов, входящих в состав образца, и плотности вещества. Как можно понять, зона рассеяния возрастает с увеличением энергии электронов и уменьшается при больших значениях атомного номера и плотности.

 

Моделирование рассеяния электронов в образце по методу Монте-Карло

 

Схема на нижнем рисунке иллюстрирует механизм генерации различных типов излучения под воздействием падающего на поверхность и проникающего в объем образца пучка электронов. В растровой электронной микроскопии подобные сигналы применяются в процессе исследования и анализа поверхности (или прилегающего слоя). Оборудование РЭМ, таким образом, служит не только инструментом исследования морфологии, но и представляет собой универсальное средство проведения элементного анализа и контроля состояния материала.

 

Механизм формирования излучения различного типа при бомбардировке образца пучком электронов

 

На рисунке ниже приводится распределение энергии излучаемых образцом электронов различного типа. Энергия вторичных электронов ограничена уровнем 50 эВ. В то же время распределение энергии электронов обратного рассеяния простирается от величин, сопоставимых с параметрами падающего пучка, до весьма низких значений порядка 50 эВ. Небольшие пики в энергетической зоне обратного рассеяния соответствуют электронам Оже.

 

Распределение энергии электронов, излучаемых с поверхности образца

 

Вторичные электроны

 

При проникновении исходного луча в объем образца и взаимодействии с атомами вещества инициируется излучение вторичных электронов из состава валентных оболочек. Малая энергия предопределяет быстрое поглощение вторичных электронов, генерация которых произошла на значительной глубине. Таким образом, за пределы объема образца выходят только электроны, излучаемые из приповерхностного слоя. Как следствие, кроме чрезвычайной чувствительности данного эффекта к характеру поверхности, просматривается также тенденция к возрастанию уровня эмиссии вторичных электронов с увеличением угла наклона образца, как показано на рисунке.

 

Соотношение между углом падения луча и эмиссией вторичных электронов

 

Пример изображения, полученного во вторичных электронах, приводится на нижнем рисунке. Вариация яркости обусловлена разным углом падения электронного луча на грани кристалла. Указанная особенность позволяет применять методику регистрации вторичных электронов в процессах исследования рельефа поверхности. Малой энергией излучаемых электронов обусловлена высокая чувствительность к поверхностному потенциалу образца, приводящая к возникновению аномального контраста в присутствии электрического заряда. Регистрация вторичных электронов в этой связи зачастую применяется в операциях измерения рабочего напряжения элементов интегральной схемы и полупроводниковых приборов.

 

Изображение кристалла оксида вольфрама во вторичных электронах

 

Отраженные электроны

 

Электроны обратного рассеяния, отраженные в направлении, противоположном падающему пучку, и излучаемые с поверхности в процессе бомбардировки, обладают более высокой энергией, чем вторичные, а значит несут информацию из глубинных областей образца и характеризуются высокой чувствительностью к составу материала. Как показано на расположенном ниже рисунке , уровень генерации электронов обратного рассеяния возрастает с повышением атомного номера элементов, входящих в состав образца. При этом области, сформированные более тяжелыми атомами, выглядят ярче на изображении в отраженных электронах, что позволяет использовать методику в процессах анализа состава вещества.

 

Зависимость интенсивности излучения электронов обратного рассеяния от атомного номера элементов образца

 

На рисунке приводится пример изображения, полученного посредством регистрации электронов обратного рассеяния.

 

Пример изображения в отраженных электронах.

Образец: магнитная головка жесткого диска

 

Кроме того, как можно видеть на размещенном рисунке, в условиях высокой неоднородности поверхности образца интенсивность излучения отраженных электронов значительно выше в направлении зеркального отражения, тем самым обусловлена актуальность данной опции при анализе элементов рельефа.

 

Соотношение между углом падения электронного луча и интенсивностью излучения отраженных электронов

 

Как можно видеть на приведенном ниже рисунке, при облучении пучком электронов кристаллического образца с однородной структурой интенсивность обратного рассеяния изменяется в зависимости от ориентации плоскости решетки, от которой происходит отражение.

 

Соотношение между ориентацией кристалла и интенсивностью излучения отраженных электронов

 

Использование подобного эффекта позволяет наблюдать изображение, полученное от разных кристаллографических плоскостей с помощью так называемого контраста электронного туннелирования (ECC), показанного в качестве примера на следующем рисунке. Изменение контраста может быть вызвано даже небольшим наклоном кристаллического образца.

 

Пример контраста электронного туннелирования (ECC).

Образец: сечение гибкой платы

 

Краевой эффект

 

Как показано на нижеприведенном рисунке, при наличии перепада высоты или тонких выступов на поверхности образца края элементов рельефа отличаются значительной шириной и яркостью (тогда как теоретически должны выглядеть как тонкие линии).

 

Пример выраженного краевого эффекта.

Образец: вытравленные углубления на стали. Ускоряющее напряжение: 25 кВ

 

Подобное явление носит название краевого эффекта, механизм формирования которого приводится на рисунке ниже. Как можно видеть, даже при воздействии зондом на области, достаточно удаленные от края элемента, последующая диффузия в объем и генерация ответного излучения из валентных зон атомов вещества вызывают эмиссию вторичных электронов с боковых поверхностей рельефа.

 

Диффузия падающих на поверхность электронов и результирующий краевой эффект

 

Влияние ускоряющего напряжения

 

Значением ускоряющего напряжения определяется глубина проникновения электронов, падающих на поверхность образца. В то же время чрезмерная величина напряжения приводит к возрастанию фона за счет информации из глубинных слоев материала и понижению контраста формируемого изображения. На нижнем рисунке отчетливо наблюдается эффект расширения электронного зонда внутри образца при высоком ускоряющем напряжении, что вызывает наложение неясного в данном случае изображения присутствующего элемента структуры и регистрируемого излучения с поверхности. Кроме того, увеличивается краевой эффект. Таким образом, четкое изображение поверхностных структур достигается при более низком ускоряющем напряжении. Например, минимальное ускоряющее напряжение в СЭМ KyKy составляет всего 0.2 кВ, в то время как миксимум – 30 кВ.

Наложение регистрируемой информации о глубинной структуре на изображение рельефа поверхности

 

На рисунке расположенном ниже приводятся изображения перекрывающих друг друга тонких пластин кристаллов нитрида бора, полученные при трех различных ускоряющих напряжениях. При величине напряжения порядка 10 кВ сквозь кристаллы, состоящие из элементов с малым атомным номером, видны расположенные ниже. Кроме того, на изображениях отчетливо просматриваются две градации яркости «плавающих» кристаллов, светлая и темная. В первом случае причиной повышения яркости служит регистрация эмиссии вторичных электронов с нижней стороны плавающего кристалла. Более темное изображение соответствует ситуации, в которой излучение вторичных электронов с нижней стороны предотвращается кристаллами, расположенными непосредственно под плавающими. При снижении ускоряющего напряжения до 1 кВ достигается удовлетворительная контрастность изображений, а также просматривается ступенчатая структура поверхности кристаллов.

 

Зависимость контрастности изображений во вторичных электронах от ускоряющего напряжения.

Образец: пластинчатые кристаллы нитрида бора

 

Эффект подсветки детектора вторичными электронами

 

В теории поверхность, перпендикулярная падающему лучу, на изображении во вторичных электронах выглядит темнее и становится ярче при наклоне образца. Фактически на контрастность изображения в системе РЭМ также влияет положение детектора и траектория регистрируемых вторичных электронов, как показано на следующем рисунке.

 

Механизм формирования эффекта подсветки вторичными электронами широко распространенного детектора E-T

 

Вторичные электроны попадают в детектор под воздействием высокого ускоряющего напряжения, приложенного к его наконечнику. Электроны, излучаемые в противоположном от детектора направлении (с левой стороны зонда), также под влиянием ускоряющего напряжения попадают на регистратор ввиду незначительной собственной энергии. При этом на изображении возникает эффект освещения без теней, вызванный разнообразием траекторий и углов эмиссии регистрируемых вторичных электронов. Кроме того, на детектор попадает определенная часть высокоэнергетичных отраженных электронов, создавая эффект направленного освещения. В результате изображение образца воспринимается как полученное при мягком освещении со стороны детектора, направление которого соответствует траекториям вторичных электронов. В качестве интерпретации эффекта можно предположить освещение образца виртуальным источником, расположенным перед детектором, и наблюдение получаемого изображения со стороны электронного зонда.

Подобный эффект имеет место при оснащении системы РЭМ распространенным детектором E-T . Однако при использовании TTL-детектора принцип облучения несколько меняется.

 

Эффект подсветки детектора TTL

 

Как можно видеть на рисунке выше, эмиссия вторичных электронов с поверхности образца переходит в перемещение вдоль оптической оси, ограниченное магнитным полем линзы объектива, после чего они попадают в детектор. В данном случае траектория вторичных электронов соответствует исходному лучу (направлению наблюдения). При этом ослабляется эффект боковой подсветки (уменьшается контрастность изображения рельефа), и изображение РЭМ отличается от полученного детектором E-T.

 

Засветка детектора отраженными электронами

 

Эффект освещения поверхности также возникает в случае электронов с обратным рассеянием. Изображение выглядит так, как будто свет падает на образец со стороны детектора. Однако следует учитывать, что при этом осуществляется регистрация электронов, движущихся по прямой, в отличии от вторичных, попадающих в детектор по криволинейной траектории. Этим обусловлена контрастность изображения рельефа поверхности, в значительной степени зависящая от положения детектора отраженных электронов, схематически показанного на нижеприведенном рисунке. Непосредственно над образцом симметрично относительно электронного зонда расположены два детектора (А и В). Информация, позволяющая сформировать изображение рельефа, получается после регистрации отраженных электронов в результате вычитания сигнала В из А, при этом образец выглядит, как будто свет падает со стороны детектора А. В то же время сложение сигналов A и B приводит к исчезновению информации рельефе, но позволяет анализировать изменения структуры и состава образца, поскольку изображение соответствует освещению поверхности в направлении исходного луча.

 

Двухзонный детектор электронов обратного рассеяния

Повышение разрешения изображения

 

Разрешающая способность

 

Возможность формирования резкого изображения при точной фокусировке электронного зонда зависит от разрешающей способности системы, соответствующей «минимальному расстоянию, на котором две  разные точки отображаются раздельно». Традиционно в растровой электронной микроскопии разрешающая способность оборудования определяется измерением  минимального различимого расстояния между двумя объектами.

 

Частицы золота, осажденные на углеродной пластине.

Двумя стрелками показано расстояние между двумя точками порядка 1 нм (разрешение 1 нм).

 

 

На вышестоящем рисунке приводится изображение частиц золота, осажденных на углеродной пластине. Как можно видеть,  стрелками обозначено расстояние между двумя наиболее близко расположенными частицами, измерение которого подтверждает достижение разрешающей способности порядка 1 нм. Для сравнения первый РЭМ достигал разрешения порядка 50 нанометров, а самое высокое полученное на сегодня составляет 0,4 нм. Например, в электронных микроскопах KyKy EM6900 LV и EM6900 разрешение достигает 3 нм, а в EM8000 и в EM8100 – 1.5 нм и 1нм соответственно. В целях оптимизации процесса измерений немаловажно подготовить стабильный образец материала, на котором максимально упрощается проведение операций РЭМ. Эталонные образцы для контроля разрешающей способности, а также условия и методика измерений могут отличаться у разных производителей электронных микроскопов, но в любом случае параметр определяется в оптимальных условиях работы оборудования.

Термин «разрешение» во многом аналогичен разрешающей способности, также определяется как «минимальное различимое расстояние между двумя точками на изображении (РЭМ)» и зависит от целого ряда факторов, включая состояние оборудования, состав образца, применяемое увеличение и т.д.

Однако на практике определения «разрешение» и «разрешающая способность» зачастую взаимозаменяемы.

 

Методы повышения разрешения

 

Разрешение системы РЭМ во многом определяется диаметром электронного зонда. В принципе, пучок электронов, излучаемый электронной пушкой, фокусируется линзами конденсора и объектива. Но в практических операциях РЭМ возбуждение линзы объектива остается неизменным, а диаметр электронного луча корректируется полем конденсора.

 

Изменение диаметра электронного зонда в зависимости от возбуждения линзы конденсатора

 

На этом рисунке показана зависимость диаметра электронного зонда от возбуждения (оптической силы) линзы конденсора. По мере возрастания оптической силы конденсора размерр изображения источника электронов (электронного зонда) уменьшается до некоего теоретического значения, определяемого линзой объектива. С уменьшением диаметра электронного луча снижается ток зонда, воздействующего на образец. В случае применения термоэлектронной пушки (TE) и значительном возбуждении линзы конденсора качество изображения (отношение сигнал/шум) быстро ухудшается, а до того, как диаметр электронного луча достигает теоретического предела, регистрируемый сигнал пропадает вовсе из-за отсутствия тока зонда.

Прожектор на основе полевой эмиссии (FE) обеспечивает больший ток зонда, чем термоэлектронные пушки (TE), а кривая на данном рисунке при этом смещается влево. В результате достигается теоретический предел диаметра электронного зонда в процессе наблюдения изображения. Кроме того, при повышении возбуждения объектива кривая смещается вниз, что позволяет получить гораздо более высокое разрешение

Таким образом, сочетанием прожектора на основе полевой эмиссии (FE) и высокоэффективного объектива обеспечивается чрезвычайно высокое разрешение.

РФЭС и УФЭС при атмосферном давлении

 

Рентгеновская (XPS) и ультрафиолетовая (UPS) фотоэлектронная спектроскопия хорошо зарекомендовали себя в качестве универсальных методов, широко применяемых в процессах элементного анализа поверхности.

 

Спектры XPS формируются при воздействии на образец мягкого монохроматического рентгеновского излучения с последующим измерением энергии фотоэлектронов, эмитируемых с глубины до 10 нм, и содержат необходимую информацию для качественной и количественной оценки элементного состава и химического состояния поверхности.

 

Классическая технология XPS-анализа

 

Классическая методика рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) применяется в условиях сверхвысокого вакуума (UHV), что ограничивает тип исследуемых образцов преимущественно твердыми материалами или жидкостями с чрезвычайно низким давлением паров. В этой связи стандартные технологии в сверхвысоком вакууме UHV-XPS* чаще используются в исследованиях модели системы, чем в операциях с реальными образцами в типичной среде.

 

*«UHV-XPS» (Ultra-High Vacuum X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия в сверхвысоком вакууме.

 

 

 

В то же время процессы рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии при близком к нормальному давлении (NAP-XPS*) проходят с погружением образца в газовую среду и не требуют достижения сверхвысокого вакуума (UHV) в рабочей камере. Это открывает широкие возможности исследования биологических, непроводящих образцов, включая газообразные и жидкие среды, а также границы раздела. Проведение операций XPS с образцом в атмосфере газа сопровождается значительным рассеянием излучаемых в результате фотоэмиссии электронов при столкновениях с окружающими молекулами перед входом в полусферический регистратор.

 

*«NAP-XPS» (Near-Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) при давлении, близком к атмосферному.

 

Ограничения стандартной методики XPS

 

 

Технология UHV-XPS в сравнении с NAP-XPS

 

 

Требования к организации процесса NAP-XPS

 

Проведение операций рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии при повышенном давлении предполагает выполнение следующих условий.

 

  • «Захват» должен осуществляться до начала неупругого рассеивания большей части электронов в результате соударений с молекулами газа. Таким образом, требуется оперировать с малой длиной свободного пробега электронов и траектории рентгеновских лучей, а также значительным угловым диапазоном анализатора.
  • Необходимость преодоления определенного пространства в газовой среде подразумевает разработку соответствующих компонентов оборудования (полусферического электронного анализатора, точечных источников рентгеновского и УФ-излучения), предназначенных для работы в режимах от сверхвысокого вакуума (UHV) до давления в десятки мбар и даже выше.
  • Необходимо контролировать точный состав, температуру и давление газовой среды, в которую помещается образец.
  • Требуется обеспечить высокую интенсивность сигнала и скорость регистрации данных, поскольку химические процессы на поверхности проходят в сжатом масштабе времени.

 

Фундаментальные процессы на границах раздела твердого тела с газом или жидкостью играют ключевую роль в различных прикладных областях, включая гетерогенный катализ, выработку и хранение энергии, исследования окружающей среды. Технологии NAP-XPS позволяют наблюдать объект в естественных условиях и при воздействии внешних факторов (in-situ), а также в процессе эксплуатации (operando).

 

Преимущества методики NAP-XPS

 

  • Контроль химического состояния поверхности.
  • Чувствительность к широкому спектру элементов, кроме H и He.
  • Большое разнообразие исследуемых систем, включая непроводящие и порошкообразные материалы, жидкости, газы, биомолекулярные комплексы.
  • Исследования при повышенном давлении в контролируемых условиях (температура, давление, тип газа/жидкости).
  • Контроль функционирования прибора в процессе эксплуатации (operando).

 

Основные области применения

 

  • Исследования устройств электрохимического преобразования и хранения энергии в процессе эксплуатации (operando).
  • Исследования медицинских и биологических материалов в естественных условиях (in-situ).
  • Исследования процессов на границе раздела в условиях протекающей реакции, например коррозионных и каталитических.
  • Исследования поверхности в контакте с газообразной или жидкой средой.

 

К основным компонентам, определяющим функционирование комплекса NAP-XPS, относится рабочая камера, в которой устанавливается образец в условиях контролируемого давления и температуры, специализированный анализатор с дифференцированной вакуумной системой, обеспечивающий захват максимального количества фотоэлектронов на дистанции, не превышающей длину свободного пробега, и источник рентгеновского излучения высокой интенсивности с размером пятна менее входного отверстия регистратора (< 300 мкм). Многообразие существующих систем NAP-XPS определяется различиями применяемых режимов анализа и параметрами среды, в которой проводятся операции с образцом в соответствии с условиями эксперимента.

 

Разработанные в дополнение к системам NAP-XPS точечные источники ультрафиолета способны работать в атмосфере различных газов с применением алюминиевой диафрагмы и дифференцированной вакуумной системы. При этом методами NAP-UPS* (в классическом варианте применяется излучение He I и He II) проводится исследование изменений в структуре валентной зоны при давлении газа до 1 мбар.

 

*«NAP-UPS» (Near-Ambient-Pressure Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС) при давлении, близком к атмосферному.

 

Эксперименты с применением технологий NAP-XPS/NAP-UPS реализуются как в лабораторных условиях, так и на оборудовании синхротрона. В последнем случае в качестве сопряжения системы NAP-XPS с осью излучателя используется специализированный входной модуль с дифференциальной откачкой или диафрагмой на основе нитрида кремния (Si3N4).

 

Компенсация заряда при повышенном давлении

 

В системах XPS стандартной конфигурации в условиях сверхвысокого вакуума (UHV), поддерживаемого в рабочей области, наблюдается эффект возникновения положительного заряда на поверхности непроводящего образца в результате выбивания электронов в зоне анализа падающими рентгеновскими фотонами. Образовавшийся положительный заряд далее оказывает влияние на траекторию и энергию электронов в процессе эмиссии. Решение действительно сложной и трудоемкой задачи по предотвращению подобного эффекта в типовых системах XPS достигается оснащением модулями компенсации (источниками электронов и ионов), обеспечивающими доставку к поверхности дополнительных зарядов взамен утерянных в процессе фотоионизации.

 

 

Системы NAP-XPS и EnviroESCA* отличаются от типичного оборудования рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, функционирующего в сверхвысоком вакууме (UHV-XPS), способностью работать при остаточном давлении, вплоть до атмосферного, и относятся к категории AP-XPS**. При этом образец помещается в среду пара или газа давлением до 50 мбар, и не так важно, испаряются ли атомы (молекулы) с поверхности материала или вводятся в рабочую камеру с использованием встроенной системы подачи.

 

Падающие рентгеновские фотоны взаимодействуют с атомами нейтрального газа с образованием положительно заряженных свободных ионов и электронов. Сформированное над образцом зарядовое облако служит источником электронов, замещающих утерянные в результате эмиссии с поверхности материала. Подобный эффект нейтрализации встроенного заряда носит название компенсации из газовой фазы.

 

Эффект компенсации поверхностного заряда в процессе ионизации газовой среды имеет место в любой системе NAP-XPS с достаточно широкой зоной воздействия рентгеновского излучения. Тем самым предоставляется возможность формирования спектров XPS высокого разрешения без применения дополнительной системы компенсации заряда почти при любом состоянии поверхности, независимо от проводимости и типа материала, жидкого или твердого.

 

*«EnviroESCA» (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis under Environmental Conditions) – электронная спектроскопия для химического анализа при атмосферном давлении.

**«AP-XPS» (Ambient Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия при атмосферном давлении.

 

NAP-XPS. Полимеры и пластмассы

 

 

Специализированные системы

 

Конструкция системы EnviroESCA и значительная номенклатура оборудования категории NAP-XPS обеспечивают проведение операций с разнообразными образцами, включая непроводящие материалы, газы, жидкости и поверхности раздела, недоступными для исследования в стандартных комплексах рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Камера с анализируемым образцом является центральным компонентом системы XPS, тогда как в случае применения технологий NAP-XPS или EnviroESCA исследуемый материал помещается под соплом анализатора, служащим входным портом модуля сбора и обработки информации. Образец при этом может иметь плоскую поверхность или развитую объемную структуру, малый диаметр в несколько сотен микрон или достигать 10 мм в системе NAP-XPS и 120 мм – в EnviroESCA.

 

NAP-XPS. Цеолиты

 

 

Работоспособность методики компенсации поверхностного заряда посредством ионизации газовой среды присуща всем системам категории NAP-XPS и наглядно продемонстрирована в процессе регистрации спектров образца цеолита. Измерения проводились в системе EnviroESCA при давлении воздуха 1 мбар без применения дополнительного источника электронов для компенсации заряда, достигаемая эффективность подтверждается наличием резких пиков в спектре XPS.

 

Операции рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в системах NAP-XPS и EnviroESCA проводятся на образцах, помещаемых в среду газа или паров жидкости давлением до 50 мбар, и открывают возможности исследования фундаментальных процессов в области биологии, биохимии, астробиологии, медицины, химии, недостижимые в стандартных системах XPS.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

Подготовка образцов, усиление контраста и влияние заряда поверхности в РЭМ

Механизм образования заряда

 

Потоки электронов в случае непроводящего образца

 

Проникающие в образец электроны теряют свою энергию и далее поглощаются в объеме материала. В случае проводящего образца через него генерируется электрический ток, однако движение электронов останавливается в диэлектрике с формированием и накоплением заряда, схематически показанного на рисунке выше. Как можно заметить, количество падающих и покидающих образец электронов не совпадает. В общем случае исходный поток больше, и образец заряжается отрицательно. Продолжительное облучение электронным пучком способствует формированию отрицательного локального заряда в определенной области. Дальнейшее увеличение потенциала приводит к возникновению разряда и возврату к исходному состоянию поверхности. Если же по какой-либо причине количество выходящих из образца электронов превышает число поступающих, формируется положительный заряд.

 

Влияние заряда на контрастность изображения

 

В процессе сканирования электронным зондом заряженной поверхности образца происходит отталкивание и сдвиг луча под действием потенциала, что приводит к искажению изображения. Кроме того, при возникновении разряда электронный зонд на мгновение возвращается в исходную позицию. В результате изображение РЭМ выглядит разорванным, как показано на рисунке ниже.

 

Искажение изображения РЭМ, вызванное зарядом образца

 

Что же происходит в случае невысокого уровня заряда поверхности и в отсутствии видимого воздействия на характер перемещения электронного зонда? В подобных условиях остается влияние локального заряда на траекторию и эффективность регистрации вторичных электронов с малой энергией, в результате соответствующая область изображения выглядит светлой или тёмной. Существенная разница в количестве зарегистрированных электронов лежит в основе формирования так называемого потенциального контраста. Так, отрицательный потенциал на поверхности приводит к увеличению напряжения между детектором и образцом, следовательно в датчик поступает большее количество вторичных электронов, а область локального заряда становится ярче на изображении (возрастает эффективность регистрации). Наоборот, положительный заряд образца снижает эффективность работы регистратора и количество обнаруживаемых электронов, что приводит к уменьшению яркости данной области до темных тонов на изображении. Причина состоит в значительной напряженности электрического поля, генерируемого в области локального заряда, превышающего сформированное детектором и вызывающего отклонение траектории излучаемых с поверхности вторичных электронов, которые более не попадают на регистратор.

На располагающемся ниже рисунке показано явление, связанное с потемнением соответствующей локальной области.

 

Аномальный контраст заряженной поверхности

 

Меры профилактики заряда поверхности

 

Формирование проводящего покрытия

 

Наиболее распространенной технологией предотвращения накопления заряда является нанесение на поверхность диэлектрического образца покрытия с высокой проводимостью, например тонкой металлической пленки, методами ионного напыления и осаждения в вакууме. Как правило, в качестве материала покрытия толщиной до 10 нм применяются благородные металлы (Au, Pt, Au-Pd, Pt-Pd), тем самым обеспечивается высокий уровень стабильности и выхода вторичных электронов, а точность воспроизведения морфологии поверхности – формированием тонкого слоя. Однако на развитом рельефе при этом возможна потеря непрерывности покрытия и возникновение области локального заряда.

 

Операции при низком ускоряющем напряжении

 

В случае накопления заряда на поверхности возникает различие в количестве электронов, проникающих в материал и покидающих образец. Как показано на рисунке ниже, с уменьшением ускоряющего напряжения исходного луча возрастает выход вторичных электронов и при достижении значения порядка 1 кВ превышает количество падающих. Однако само существование точки баланса между падающим и исходящим потоком электронов при столь низком ускоряющем напряжении эквивалентно отсутствию заряда поверхности и означает возможность формирования качественного изображения РЭМ диэлектрического образца.

 

Относительное количество излучаемых вторичных электронов в зависимости от ускоряющего напряжения

 

На представленном ниже рисунке приводятся примеры снимков керамического материала без покрытия. При ускоряющем напряжении 10 кВ информация о рельефе поверхности представлена скудно, однако отчетливо просматриваются аномальные размытые области. В то же время при значении ускоряющего напряжения 1 кВ формируется качественное изображение с подробными деталями без образования размытых зон.

 

Изображения во вторичных электронах керамического образца (без покрытия) при различном ускоряющем напряжении

 

 

Исследование наклонной поверхности

 

Как упоминалось ранее, количество излучаемых вторичных электронов увеличивается при наклоне поверхности образца относительно исходного луча, что также позволяет выполнять исследование непроводящих материалов без образования заряженных областей. Методика эффективна для проведения операций на образцах с небольшим рельефом поверхности.

 

Режим низкого вакуума в растровой электронной микроскопия

 

Далее будет подробно рассматриваться механизм функционирования системы РЭМ в режиме низкого вакуума (LVSEM), позволяющем проводить исследование непроводящего образца в отсутствии искажений, вносимых поверхностным зарядом. Из линейки микроскопов KyKy, например, этот режим имеется в модели EM6900 LV. При снижении вакуума в рабочей камере возрастает остаточное количество молекул газа, ионизируемых в потоке электронов и достигающих поверхности уже в качестве положительных частиц, что приводит к нейтрализации заряда образца.

 

Организация процесса исследования непроводящего образца в условиях низкого вакуума 

 

Необходимое количество положительных ионов, при котором обеспечивается нейтрализации заряда, достигается установкой в рабочем объеме давления 10-100 Па (величина варьируется в зависимости от материала). На рисунках ниже приводятся изображения раковины фораминиферы, полученные без нанесения дополнительного проводящего покрытия при разном разрежении в рабочей камере, в том числе в режиме низкого вакуума (LVSEM). Аномальный контраст, обусловленный зарядом поверхности, возникает в условиях высокого вакуума, но исчезает при возрастании давления. Необходимо отметить отчетливый эффект образования теней от элементов рельефа на последнем изображении, полученном в отраженных электронах.

 

Режим высокого разрежения Режим низкого вакуума
Примеры изображения непроводящего образца, сформированного в высоком вакууме, а также в системе LVSEM.

Образец: раковина фораминиферы (без покрытия)

 

Основы методики подготовки образца

 

Перед загрузкой в систему РЭМ требуется обеспечить соответствие образца следующим требованиям:

а) поверхность, подлежащая исследованию полностью открыта.

б) образец надежно зафиксирован на предметном столике.

в) достаточный уровень электропроводности образца.

 

Усиление контраста и подготовка поверхности для исследования

 

После обрезки материала до технологических размеров необходимо вскрытие соответствующего слоя для последующего проведения операций РЭМ, если только не выполняется исследование собственной поверхности образца. В любом случае может потребоваться удаление пленок, препятствующих формированию изображения.

Исследование внутренней структуры проводится после подготовки сечения образца следующими методами.

 

Формирование скола

 

Поперечное сечение фрагмента твердого материала может быть получено посредством раскалывания образца. В случае если требуется исследование полупроводниковой структуры, сформированной на монокристаллической подложке Si или GaAs, используется свойство преимущественного расщепления материала по плоскостям в определенном направлении с образованием требуемого сечения. В иных методиках достижение необходимой твердости образца, мягкого при нормальной температуре, достигается в процессе охлаждения в жидком азоте.

 

Разрез

 

Подготовка мягкого образца, например из полимерных материалов, может осуществляться посредством реза ультрамикротомом, изначально применяемым в процессе формирования тонких пластин для операций просвечивающей электронной микроскопии (TEM) Методика позволяет достигать высокой плоскостности поперечного сечения. В операциях РЭМ с низким увеличением допускается наличие отдельных рубцов на срезе материала, который при этом может производиться лезвием бритвы.

 

Механическая полировка

 

Оптимальной методикой подготовки образцов из разнообразных металлических или минеральных материалов зачастую является механическая полировка после фиксации соответствующего фрагмента в слое твердеющего полимера, в процессе которой постепенно снижается размер зерен применяемого абразива. На завершающем этапе достигается состояние зеркальной поверхности.

 

Ионно-лучевое травление

 

В последнее время расширяется применение технологий ионно-лучевого фрезерования. Так, например, система формирования сфокусированного ионного пучка (FIB) позволяет получать сечение образца с точностью позиционирования в несколько сотен нанометров. Кроме того, получает распространение методика с использованием широкого пучка ионов Ar, обеспечивающая гораздо большую площадь сечения, но при несколько пониженной точности, по сравнению с технологией FIB.

 

Повышение контрастности

 

В ряде случаев не обеспечивается контрастность изображения во вторичных электронах достаточно гладкой поверхности сечения образца. В качестве основной методики повышения контрастности в первую очередь применяется селективное химическое или физическое травление с формированием рельефа поверхности и возможностью исследования внутренней структуры с помощью вторичных электронов. Вторая технология носит название «окрашивания» в результате обработки тяжелыми металлами, такими как Os и Ru, специфических областей высокомолекулярного полимера и последующее исследование композиционного изображения (COMPO) в отраженных электронах. Кроме того, при значительной вариации состава или кристаллической структуры композиционное изображение или эффект контраста электронного туннелирования (ECC) наблюдается в электронах обратного рассеяния даже без предварительной обработки образца (усиления контрастности).

 

Фиксация образца

 

Необходимо обеспечить электрический контакт и надежную фиксацию образца на предметном столике.

 

Объемные образцы

 

Объемный образец крепится к держателю проводящей двусторонней клейкой лентой или пастой, а при достаточной однородности формы применяется штатный зажим. Диэлектрический объемный образец максимально покрывается проводящей пастой, за исключением области, подлежащей исследованию.

 

Сыпучие материалы и порошки

 

Подобные образцы наносятся распылением на значительную по возможности область двусторонней клейкой ленты или проводящей пасты. В то же время допускается и суспензионный способ подготовки соответствующих образцов, при котором осуществляется взвесь материала в дисперсионной среде (органическом растворителе, воде и т.д.), нанесение каплями на алюминиевую фольгу или пластину кремния (S) с последующей сушкой.

 

Покрытие

 

На диэлектрической поверхности, как правило, требуется формирование проводящего покрытия в виде тонкой металлической пленки методами ионного напыления или осаждения в вакууме.

Технология ионного напыления, в свою очередь, подразделяется на две методики. К первой относится широко распространенная система нанесения покрытия ионным распылением металлической мишени в диодном реакторе, во второй используется принцип ионно-лучевого формирования пленки. На рисунке ниже показана схема функционирования устройства для формирования покрытия методом ионного распыления. После бомбардировки мишени положительными ионами, образуемыми в рабочем объеме при разряде в условиях низкого вакуума порядка 10 Па, распыляемые частицы металла в результате интенсивного столкновения с остаточными молекулами газа осаждаются на поверхность образца с разных направлений, обеспечивая тем самым однородность формируемого слоя. С другой стороны, в установках ионно-лучевого напыления качество тонкой пленки обеспечивается в условиях высокого вакуума, в котором располагается мишень и образец.

 

Конструкция установки ионного напыления

 

В процессе вакуумного осаждения исходный материал нагревается, испаряется и наносится в виде тонкой металлической пленки на поверхность образца. Высоким вакуумом уровня 10-3 Па в рабочем объеме испарителя обусловлено незначительное остаточное количество молекул газа и, как следствие, слабое рассеяние частиц материала и невозможность осаждения на поверхность со всех направлений. В этом случае формирование однородной пленки достигается наклоном и вращением образца.

Предпочтительное применение благородных металлов (Au, Au-Pd, Pt, Pt-Pd и т.д.) обусловлено стабильностью формируемого покрытия и высоким выходом вторичных электронов. В операциях с большим увеличением, как правило, используется Au-Pd, Pt или Pt-Pd. В отдельных случаях, включая элементный анализ, допускается применение С или Al. Необходимо учитывать особенности каждого материала, так, Pt и Pt-Pd сложно сочетается с системами вакуумного осаждения, а С и Al трудно поддаются распылению.

Покрытием большой толщины скрадываются мелкие элементы рельефа, тогда как потеря непрерывности чрезмерно тонкой пленки служит причиной локального образования поверхностного заряда. Оптимальная толщина покрытия находится в диапазоне 2~10 нм.

 

Обработка биоматериалов

 

Образцы с высоким содержанием воды, включая биологические ткани, подвержены деформации при помещении в рабочую камеру РЭМ без предварительной обработки. Негативный эффект предотвращается проведением следующих процедур и исследованием поверхности образца с сформированным покрытием. Аналогичным операциям подвергаются и образцы пищевых продуктов.

 

Резка образца и очистка ткани

 

В процессе подготовки образца осуществляется обрезка ткани до требуемого размера, обеспечивается хранение перед операцией сушки и надлежащий уход во избежание деформации. Кроме того, может потребоваться очистка поверхности.

 

Фиксация

 

Изменение структуры отделенных фрагментов ткани после гибели организма предотвращается методами химической фиксации с применением глутаральдегида, формальдегида и тетроксида осмия. Так, адсорбция значительного количества металлического осмия в подобном процессе приводит к повышению электропроводности (проводящее окрашивание). Для иных образцов более применимой для подавления структурных изменений оказывается технология быстрого замораживания (физическая фиксация).

 

Дегидратация

 

Деформации образца также предотвращается методами обезвоживания посредством погружения на определенное время в раствор этанола или ацетона, концентрация которого при этом поэтапно изменяется.

 

Сушка

 

После удаления этанола или ацетона требуется дополнительная сушка фрагмента ткани, в процессе которой возможна деформация образца силами поверхностного натяжения, если операция проводится в естественных условиях. Минимизация подобного эффекта достигается применением специальных методик обработки, например, сушки в критической точке или сублимации.

 

Крепление образца и формирование покрытия

 

Процесс проводится по аналогии с процедурами, принятыми для непроводящего образца.

 

Операции РЭМ в условиях низкого вакуума

 

Стандартные операции растровой электронной микроскопии осуществляются при давлении в рабочем объеме 10-3÷10-4 Па, тогда как в системах, функционирующих в условиях низкого вакуума (LVSEM), значение поднимается до уровня 10÷100 Па. Высокое разрежение в отсеке электронного прожектора поддерживается благодаря установке диафрагмы между электронно-оптической колонной и камерой образца, а также независимой работе узлов дифференцированной вакуумной системы. Применение детектора E-T в оборудовании LVSEM представляется затруднительным, поскольку подача напряжения на сцинтиллятор и остаточное давление газа инициирует возникновение разряда, тем самым обусловлена необходимость использования устройства регистрации электронов обратного рассеяния, позволяющего повысить композиционный контраст и обеспечить формирование изображения РЭМ с устойчивым эффектом затенения элементов рельефа. Кроме того, в отдельных случаях актуально применение методики регистрации ионного тока с увеличением выхода вторичных электронов в низком вакууме за счет нейтрализации заряда поверхности.

Как упоминалось ранее, в условиях низкого вакуума (LVSEM) возможно исследование непроводящих образцов без нанесения дополнительного покрытия. Кроме того, благодаря допустимости повышения давления в рабочей камере подобных систем обеспечивается проведение операций с материалами, отличающимися значительным выделением газов, нестабильными в высоком вакууме и влагосодержащими, после охлаждения в жидком азоте.

Понижение давления в стандартной системе РЭМ до рабочих значений высокого вакуума и возможности проведения операций с пористым образцом, выделяющим большое количество газа, требует значительных затрат времени. В противоположность этому, процессы с подобным материалом в условиях низкого вакуума (LVSEM) могут проводиться уже при оперативно достигаемом значении давления в рабочей камере 10~100 Па.

На рисунке ниже в качестве примера приводится изображение (LVSEM) фрагмента бетона, выделяющего значительное количество паров. Время получения изображения РЭМ составляет несколько минут.

 

Изображение бетонного образца в режиме низкого вакуума (LVSEM)

 

Сохранение исходного состояния образца с высоким содержанием влаги обеспечивается быстрым охлаждением в жидком азоте, при этом последующие операции проводятся с материалом в замороженном состоянии. Остаточное давление в рабочей камере (LVSEM) препятствует испарению льда даже при относительно высокой температуре, например, -20 °C и значении 100 Па, соответствующем низкому вакууму. Подобные условия достигается с помощью элемента Пельтье, при этом исключается необходимость в применении жидкого азота. Кроме того, в режиме низкого вакуума (LVSEM) упрощается формирование изображения замороженного при атмосферном давлении образца, загруженного далее в систему РЭМ и исследуемого в процессе повышения температуры (непосредственной сублимации), как показано на нижнем рисунке.

 

Изображение РЭМ в условиях низкого вакуума (LVSEM), полученное после сублимационной сушки.
Образец: лактобактерии

 

Спектроскопия характеристических потерь энергии отраженных электронов

 

Поверхность образца по технологии (R)EELS* подвергается воздействию генерируемых источником первичных электронов с энергией в несколько кВ, которые далее неупруго рассеиваются при возбуждении фононов, плазмонов, внутренних энергетических уровней и межзонных переходах.

 

Регистрация осуществляется электронным анализатором. Коль скоро фононы не обнаружены, в спектре энергетических потерь доминирует возбуждение плазмонов, внутренних уровней и межзонные переходы, и в целом содержится подробная информация об электронной структуре, а также о плотности носителей заряда.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

*«(R)EELS» (Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy) – спектроскопия характеристических потерь энергии отражённых электронов (СХПЭОЭ).

Классификация электронных колонн в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

В статье приводится подробное описание конструкции двух источников электронов из линейки широко распространенных систем на основе эффекта Шоттки (SE), полевой (FE) и термоэлектронной (TE) эмиссии.

 

Электронная пушка на основе полевой эмиссии

 

Эффект полевой эмиссии возникает в момент приложения к металлической поверхности сильного электрического поля и применяется в конструкции электронного прожектора, показанной на рис. 30, позволяющей достигать высокого разрешения в операциях РЭМ.

 

Устройство электронной колонны на основе полевой эмиссии (FE)

 

Катод в этом случае изготавливается из тонкой вольфрамовой проволоки, к которой приваривается монокристалл из того же материала, заостренный до радиуса кривизны порядка 100 нм и выполняющий функции эмиттера. При подаче положительного напряжения (нескольких кВ) на металлическую пластину (извлекающему электроду) возникает эффект туннелирования излучаемых эмиттером электронов, проходящих далее через отверстие в центре. Последующим воздействием напряжения на ускоряющем электроде, расположенном под извлекающим, формируется электронный луч, обладающий определенной энергией. Необходимым условием активации полевой эмиссии является высокий уровень чистоты излучателя электронного прожектора, обеспечиваемый сверхвысоким вакуумом порядка 10-8 Па. Излучаемые эмиттером электроны перемещаются так, как если бы их источник имел диаметр 5-10 нм. В случае прожектора на основе термоэлектронной эмиссии (TE) размеры виртуального источника составляют уже 10-20 мкм. Таким образом, пушка на основе полевой эмиссии (FE-) позволяет сформировать гораздо более тонкий луч, чем термоэлектронный прожектор (TE), и потому применяется в системах РЭМ высокого разрешения. Кроме того, значительным преимуществом подобной конструкции (FE) является низкий разброс энергии излучаемых электронов, поскольку не требуется нагрев эмиттера. Особое значение это приобретает в операциях РЭМ при низком ускоряющем напряжении, в которых разрешение (хроматическая аберрация) как раз определяется величиной разброса энергии.

 

Применение эффекта Шоттки в конструкции прожектора

 

Конструкция электронной колонны на основе эффекта Шоттки (SE)

 

Используемый в показанном на рисунке выше электронном прожекторе эффект Шоттки образуется при воздействии сильного электрического поля на нагретую металлическую поверхность. Катод (ZrO/W) изготавливается из монокристалла вольфрама с покрытием ZrO и радиусом кривизны наконечника в несколько сотен нанометров, выполняет функции эмиттера. Покрытие из оксида циркония ZrO значительно снижает работу выхода, тем самым обеспечиваются большие токи эмиссии при относительно низкой температуре катода (порядка 1800 K). Как можно видеть на схематическом вышерасположенным изображении экранирование излучаемых эмиттером термоэлектронов осуществляется подачей на запирающий электрод отрицательного напряжения. Основным преимуществом прожектора на основе эффекта Шоттки (SE) является чрезвычайная стабильность электронного луча, обусловленная температурой нагрева излучателя, помещенного в сверхвысокий вакуум (10-7 Па), и предотвращением абсорбции молекул газа. Разброс энергии электронов несколько выше, по сравнению с пушкой на основе полевой эмиссии (FE), однако прожектором Шоттки (SE) обеспечиваются более высокие значения тока зонда. Тем самым обусловлено эффективное применение подобной системы при одновременном проведении разнообразных анализов и исследования морфологии. Зачастую подобная конструкция упоминается как прожектор на основе полевой эмиссии (FE) с термокатодом.

 

Отличительные особенности электронных колонн

 

На рисунке ниже представлена полярная диаграмма сравнительных характеристик прожекторов с применением принципов термоэлектронной (ТЕ) и полевой (FE) эмиссии, а также эффекта Шоттки (SE). Конструкция пушки на основе полевой эмиссии (FE) выделяется особо малыми размерами источника, высокой яркостью (величина соответствует плотности тока и параллельности электронного пучка), сроком службы и небольшим разбросом энергии луча (шириной энергетического спектра). Термоэмиссионный прожектор (ТЕ) превосходит остальные по величине и стабильности тока зонда тока. Указанные особенности предопределяют применение систем РЭМ с полевой эмиссией (FE) преимущественно в операциях исследования морфологии образца при высоком увеличении, тогда как термоэлектронная пушка (TE) отличается большей универсальностью и используется, как правило, в процессах анализа, не требующих значительного масштабирования. Пушка на основе эффекта Шоттки (SE) занимает промежуточное положение между двумя указанными системами и применяется в широком диапазоне операций от процессов с высоким увеличением до проведения разнообразных анализов.

 

Сравнительные характеристики трёх типов электронных прожекторов

 

Сводная таблица обобщенных параметров электронных пушек.

 

TE FE SE
Вольфрам LaB6
Размер источника электронов 15~20 мкм 10 мкм 5~10 нм 15~20 нм
Яркость (Aсм-2рад-2) 105 106 108 108
Разброс энергии (эВ) 3~4 2~3 0.3 0.7~1
Срок службы 50 ч 500 ч Неск. лет 1~2 года
Температура катода (K) 2800 1900 300 1800
Колебания величины тока (час) <1% <2% >10% <1%

 

Необходимо учитывать, что яркость измеряется при напряжении 20 кВ.

 

Разрешающая способность и характер искажений линзы объектива

 

Диаметр электронного зонда в зависимости от аберрации объектива

 

Линза объектива является важным компонентом, определяющим разрешение системы РЭМ на конечной стадии формирования электронного зонда. Далее рассматривается влияние характеристик объектива на достигаемое разрешение. В идеальном случае пучок электронов, излучаемый из точечного источника, после прохождения через линзу сходится в точку, которая в реальных условиях трансформируется в размытое пятно. Подобный эффект называется «аберрацией» и носит различный характер в зависимости от природы возникновения. Различают сферическую, хроматическую и дифракционную аберрацию. Так, ослабление сферической аберрации достигается уменьшением угла апертуры линзы и использованием области луча вблизи оптической оси, однако при этом возрастает дифракционный компонент. Минимальный диаметр электронного зонда определяется оптимальным углом апертуры с учетом сбалансированного влияния указанных факторов. На рисунке выше приводится зависимость диаметра электронного зонда от типа искажений объектива. Необходимо принимать во внимание возрастание хроматической аберрации с увеличением ускоряющего напряжения.

Типовая конструкция объектива

Конструкция объектива с так называемой «внешней линзой» широко используется в системах формирования электронного зонда, включая микроанализаторы. Как показано на рисунке ниже, позиция образца под линзой объектива позволяет минимизировать взаимное влияние и предотвратить возникновение искажений даже при наклоне поверхности значительного размера. В то же время беспрепятственное перемещение образца предполагает наличие достаточной дистанции до линзы объектива, при этом требуется соответствующее фокусное расстояние, возрастают аберрации, снижается возможность достижения высокого разрешения.

 

Типовая конструкция линзы объектива

 

 

Высокое разрешение при большом увеличении

 

 
Конструкция объектива с «внутренней» линзой

 

Конструкция объектива рассчитана на достижение высокого разрешения за счет сокращения расстояния до поверхности образца и увеличения изображения, формируемого линзой. Расстояние уменьшается при перемещении образца непосредственно в магнитное поле линзы. Подобный принцип реализуется преимущественно в рассматриваемых далее двух типах оптических устройств, объективах с «внутренней линзой» и «полузакрытого» типа (или «трубчатой» конструкции). На вышерасположенном рисунке показана конструкция объектива с «внутренней линзой», в котором образец полностью помещается в магнитное поле между полюсными наконечниками, по аналогии с просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ). Размер образца в данном случае ограничивается несколькими миллиметрами. На рисунке ниже приводится схема объектива с линзой «полуоткрытого» типа, в котором ограничения по размеру образца, характерные для предыдущей конструкции, преодолевается за счет изменения формы полюсных наконечников. При этом обеспечивается генерация сильного магнитного поля в расположенной ниже области и возможности позиционирования образца значительного размера. В обоих случаях детектор вторичных электронов расположен над линзой объектива, следовательно механизм формирования контраста изображения отличается от стандартной схемы.

 

Объектив «полуоткрытого» типа

 

 

Функциональное назначение апертуры объектива

 

В случае если в процессе формирования электронного зонда задействована вся площадь проходного отверстия объектива, получение тонкого луча на выходе может оказаться затруднительным из-за аберраций линзы. Минимизировать негативное влияние искажений удается установкой ограничителя потока в виде тонкой металлической пластины с небольшим отверстием по центру, пропускающим луч только вдоль оси системы. Особую роль играет центровка диафрагмы, поскольку при смещении относительно объектива резко возрастает аберрация, препятствующая формированию тонкого электронного зонда.

 

Достигаемое разрешение

 

На нижнем рисунке проиллюстрировано влияние ускоряющего напряжения на разрешение в представленных системах РЭМ, как общего назначения, так и оснащаемых прожектором на основе полевой эмиссии (FE), применяемым в процессах универсального характера и сверхвысокого разрешения. Общей тенденцией является возрастание разрешения при увеличении ускоряющего напряжения и резкое ухудшение качества изображения при падении значения до нескольких кВ и ниже под влиянием хроматической аберрации. Кроме того, заслуживает внимания значительное совпадение кривых зависимости разрешения для прожекторов на основе полевой эмиссии (FE, универсального назначения) и эффекта Шоттки (SE).

РЭМ общего назначения: термоэлектронный прожектор (TE) + объектив стандартной конструкции.

РЭМ общего назначения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив стандартной конструкции.

РЭМ сверхвысокого разрешения (FE): пушка на основе полевой эмиссии (FE) + объектив высокого разрешения.

 

Зависимость разрешения от ускоряющего напряжения

 

Соотношение между током и диаметром зонда при ускоряющем напряжении 20 кВ приводится на нижеприведенном рисунке. Как можно видеть, диаметр луча, формируемого термоэлектронным прожектором (TE), сравнительно равномерно увеличивается с возрастанием тока. С другой стороны, диаметр зонда, генерируемого пушкой на основе полевой эмиссии (FE), остается практически постоянным в определенном диапазоне токов, но резко увеличивается при превышении значения 1 нА. Кроме того, пушка с полевой эмиссией (FE) не позволяет обеспечить ток зонда, превышающий несколько нА. Гораздо большие значения токов зонда при незначительном увеличении диаметра достигаются в системах РЭМ, оснащаемых прожектором на основе эффекта Шоттки (SE), широко применяемых в этой связи для решения аналитических задач.

 

Соотношение между током и диаметром зонда

 

Элементный анализ в растровой электронной микроскопии (РЭМ)

Основы энергодисперсионного анализа

 

Энергодисперсионный рентгеновский спектрометр (EDS) применяется в процессе анализа характеристических спектров посредством измерения энергии излучения. Как показано на рисунке ниже, формируемое элементами образца рентгеновское излучение подается на полупроводниковый детектор, в котором при этом инициируется генерация электронно-дырочных пар. Последующее измерение количества образованных носителей (электрического тока) позволяет оценить величину поступающей энергии излучения. В целях снижения электрического шума детектор охлаждается жидким азотом. Преимуществом методики энергодисперсионной спектроскопии является возможность проведения анализа в широком диапазоне элементов от В до U. Например, СЭМ KyKy поставляется с EDS производства Oxford Instrument, Bruker, EDAX и других производителей, а диапазон их анализируемых элементов начинается с B и заканчивается Cf.

 

Конструкция полупроводникового детектора EDS

 

Волновой дисперсионный анализ

 

Рентгеновский волновой дисперсионный спектрометр (WDS) применяется в процессе анализа характеристических спектров посредством контроля параметров излучения. Как показано на нижнем рисунке, на кристаллическом анализаторе осуществляется дифракция рентгеновских лучей, исходящих из образца, после чего в детекторе производится регистрация и измерение длины волны. При этом оба устройства, анализатор и детектор перемещаются по так называемому «кругу Роуланда» постоянного радиуса. Полный охват (измерение) всего волнового диапазона предусматривает оснащение механизмом привода множественных кристаллических анализаторов и требует значительных затрат времени для регистрации соответствующих рентгеновских спектров.

 

Организация процесса анализа средствами WDS

 

Применение технологий волнового и энергодисперсионного анализа

 

В таблице приводятся отличительные особенности методов EDS и WDS. И если для энергодисперсионной спектроскопии характерно проведение операций с малыми токами зонда и оперативной регистрацией спектров, то технология WDS отличается высоким энергетическим (волновым) разрешением, возможностью регистрации элементов в микроскопических дозах. Большинство систем РЭМ оснащается оборудованием EDS, тогда как устройства WDS, как правило, применяется в качестве электронно-зондового микроанализатора (EPMA) в процессах исследования элементного состава.

 

 

EDS WDS
Диапазон анализируемых элементов B~U B~U
Методика измерений Энергодисперсионная технология с полупроводниковым детектором Si (Li) Технология

волновой дисперсии с кристаллическим анализатором

Разрешение E = 130~140 эВ E = 20 эВ

(преобразование энергии)

Скорость измерений Высокая Низкая
Одновременный анализ множества элементов Возможен Невозможен
Повреждение/загрязнение образца Незначительное Существенное
Предел распознавания 1500~2000 х 10-6 (ppm) 10~100 х 10-6 (ppm)
Регистрируемое рентгеновское излучение на единицу тока Значительное Малой интенсивности

 

С техническими характеристиками детекторов EDS и WDS для электронных микроскопов KyKy можно ознакомиться в данном каталоге.

 

Качественный анализ

 

Регистрация рентгеновского спектра, генерируемого в процессе облучения определенной области образца пучком электронов, позволяет обеспечить проведение анализа состава присутствующих элементов:

– точечный анализ спектра , полученного в фиксированной позиции электронного луча;

– линейный анализ одномерного распределения интересующих элементов в заданном направлении;

– диаграмма двумерного распределения исследуемых элементов в определенной области.

Двумерную диаграмму или «распределение по площади» можно представить как результат точечного анализа, распространяемого на определенную область в процессе сканирования электронным зондом, и формирования соответствующего изображения. Предел обнаружения зависит от типа элемента и в системе EDS составляет несколько тысяч единиц на миллион (ppm), как можно видеть в таблице.

 

Рентгеновская диаграмма распределения

 

Как упоминалось выше, изображение в рентгеновских лучах применяется в качестве карты распределения элементов по определенной области. В процессе сканирования электронным зондом осуществляется регистрация генерируемого характеристического рентгеновского излучения с определенной энергией. Следует учитывать, что в случае чрезвычайно низкого соотношения «P-B» (сигнал/шум) на диаграммах распределения отображается непрерывный рентгеновский спектр (уровень фона). Кроме того, теряют актуальность результаты анализа, формируемые в результате наложения энергетических пиков характеристического излучения от сторонних и исследуемых элементов. Подобный эффект возникает при уменьшении расстояния между линиями энергетического спектра разных элементов до уровня разрешения оборудования. На рисунке приводятся примеры изображений, полученных в рентгеновском диапазоне при значительных затратах времени, обусловленных более низкой, чем у вторичных и отраженных электронов, интенсивностью характеристического излучения.

 

Примеры диаграмм распределения, полученных в рентгеновских лучах. Образец: фрагмент бетона.

 

Уровень разрешения в процессе распознавания элемента на рентгеновских диаграммах распределения ограничен «анализируемой областью» образца, подробное описание которой приводится далее. Но при этом не исключается возможность регистрации локализованных в данной зоне мелких частиц определенного материала.

В то же время технология поочередного анализа точек на поверхности образца в процессе сканирования электронным зондом, называемая «количественным распределением», позволяет получить точную информацию о присутствующих элементах даже при низком соотношении «P-B», недостижимую в процессах построения простой диаграммы распределения методами качественного анализа.

 

Эффективная область анализа

 

Диффузия проникающих в образец электронов исходного луча сопровождается потерей энергии и сопутствующей генерацией характеристического рентгеновского излучения в области определенного размера, составляющего в обычных условиях около микрона. Как можно видеть, фактическая область анализа слишком велика даже при попытке исследования на изображении РЭМ частиц размером от единиц до десятков нм. Некоторое уменьшение площади анализа достигается понижением ускоряющего напряжения, определяющего в свою очередь энергию электронов падающего пучка, которая должна превышать уровень генерации характеристического рентгеновского излучения. Тем самым устанавливается минимальный предел ускоряющего напряжения. Дополнительное уменьшение площади анализа осуществляется соответствующей подготовкой тонкопленочного образца. Так, в процессе исследования пленки толщиной 100 нм при напряжении 30 кВ размер зоны многоэлементного анализа может быть снижен до 100 нм и менее.

 

Количественный анализ

 

Проведение операций количественного анализа основано на пропорциональной зависимости интенсивности характеристического рентгеновского излучения от концентрации соответствующего элемента. На стадии подготовки процесса используется эталонный образец с известным составом и концентрацией компонентов. Удельное количество определенного элемента в исследуемом материале далее определяется посредством сравнения измеренной интенсивности рентгеновского излучения с полученной для данного компонента на эталонном образце. Однако генерируемое излучение до выхода в вакуум может частично поглощаться в объеме материала, а также инициировать возбуждение и активность других элементов в рентгеновском диапазоне. Тем самым обусловлена необходимость коррекции количественных параметров, рассчитываемой в применяемых системах EDS и WDS с учетом определенных условий, в числе которых равномерное распределение элементов в области генерации рентгеновского излучения, перпендикулярность электронного зонда к плоской поверхности образца. На практике множество материалов в операциях РЭМ не удовлетворяют подобным условиям, в результате вероятно возникновение существенных ошибок в процессе количественного анализа.

 

Анализ непроводящего образца

 

Проведение анализа непроводящего материала требует нанесения металлического покрытия, как и в операциях исследования поверхности методами РЭМ. Необходимо применение металла, отличающегося от содержащегося в образце. Кроме того, процессы анализа легких элементов выполняются на поверхностях материала с достаточно тонким покрытием, поскольку пленка большой толщины из тяжелого металла экранирует подобное характеристическое рентгеновское излучение.

Допускается анализ непроводящего образца без покрытия при низком ускоряющем напряжении, сводящем к минимуму негативное воздействие эффекта накопления заряда. Однако требуется учитывать сопутствующее ухудшение точности количественного анализа, невозможность регистрации характеристического рентгеновского излучения с высокой энергией генерации, возникновение позиционного сдвига исходного электронного зонда в процессе анализа и формирования линейной или двумерной диаграммы распределения.

Применение режимов низкого вакуума (LVSEM) также позволяет выполнять операции анализа непроводящего образца без покрытия. При этом в рабочей камере подобной системы (LVSEM) неизбежно значительное рассеяние электронного луча на остаточных молекулах газа и увеличение области анализа, учитываемое далее при планировании технологических процессов.

 

Генерация рентгеновского излучения

 

Под воздействием падающего пучка в приповерхностном слое образца инициируется электромагнитное излучение различной природы и встречный поток электронов. На рисунке ниже схематически показан механизм генерации характеристического рентгеновского излучения. В процессе облучения исходным пучком производится возбуждение и выход электронов внутренних оболочек атомов вещества с последующим заполнением освободившихся позиций посредством перехода с внешних орбит. Разница энергии электронов внешней и внутренней оболочки выделяется в форме рентгеновского излучения, называемого “характеристическим”, поскольку номинальная величина (как и длина волны) определяется типом атома. Тем самым обусловлено применение регистрации характеристического рентгеновского излучения в процессе элементного анализа. Линиям энергетического спектра при этом присваивается обозначение электронной оболочки, при возбуждении которой было инициировано излучение, «K», «L» и «M», соответственно.

 

Принципы формирования характеристического рентгеновского излучения

 

С увеличением атомного веса элементов образца возрастает необходимая энергия электронов исходного луча и характеристического рентгеновского излучения. С другой стороны, при непосредственной бомбардировке электронами атомного ядра также производится генерация электромагнитного излучения в рентгеновском диапазоне, называемого «непрерывным», «белым» или «фоновым».

 

Спектроскопия рассеяния медленных ионов

 

Наибольшая чувствительность в процессах элементного и количественного анализа состава поверхности обеспечивается посредством регистрации спектров неупругого рассеяния ионов в верхнем атомном слое (LEISS*). Простота интеграции и внедрения позволяет отнести методику к разряду одной из приоритетных операций анализа и метрологии.

 

Особая чувствительность выделяет методику спектроскопии LEISS в числе иных технологий исследования поверхности и обусловлена ограничением области, в которой осуществляется зондирование заряженными ионами инертного газа, исключительно верхним атомным слоем. Операции проводятся с применением полусферического электронного анализатора и источника низкоэнергетичных ионов. С учетом того, что большинство современных экспериментальных установок уже оснащены подобным анализатором и моноатомным источником ионов низкой энергии для компенсации заряда, реализация технологии LEISS становится возможной непосредственно на существующем оборудовании или после незначительной модернизации.

 

 

Потери энергии в результате неупругого рассеяния, возникающие в процессе облучения поверхности образца ионами He или иного элемента с низкой энергией, регистрируются полусферическим анализатором. Значительная величина поперечного сечения рассеяния не позволяет проникать ионам глубже первого слоя атомов, возбуждение которых производится с характеристическим значением энергии, теряемой в свою очередь падающими частицами. Фиксация потерь энергии ионов позволяет обеспечить проведение точного химического анализа поверхности с высокой чувствительностью. Минимизация эффектов распыления материала достигается особыми мерами контроля и стабилизации исходной энергии ионов на достаточно низком уровне.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

*«(LE)ISS» (Low Energy Ion Scattering Spectroscopy) – спектроскопия обратного рассеяния медленных ионов (СОРМИ).

Электронная Оже-спектроскопия и микроскопия

 

Возможности применения Оже-спектроскопии (AES1) в процессах химического анализа значительно расширяются при дополнении методами растровой электронной микроскопии на основе того же эффекта (SAM2), возникающего при сканировании образца точечным источником возбуждения атомов поверхностного слоя, и контроля изображения во вторичных электронах (SEM3).

 

На поверхность образца воздействуют генерируемые точечным источником первичные электроны с энергией в несколько кэВ, формирующие вакансии во внутренних оболочках атомов. Электрон с верхних энергетических уровней под влиянием кулоновских сил переходит в образовавшуюся вакансию на внутренней орбитали, а избыток энергии передается при этом другому (излучаемому как Оже-электрон), названному в честь Пьера Оже, первооткрывателя эффекта. Регистрация характерного для каждого элемента излучения Оже-электронов может применяться при анализе химического состава поверхности. В процессе сканирования образца формируется карта распределения элементов с поперечным разрешением, соответствующим диаметру исходного электронного луча. Поскольку эффект Оже сопровождаются эмиссией вторичных электронов, то на формируемом ими изображении достигается аналогичное разрешение.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

1«AES» (Auger Electron Spectroscopy) – электронная Оже-спектроскопия (ОЭС).

2«SAM» (Scanning Auger Electron Micropscopy) – сканирующая электронная Оже-микроскопия (СОЭМ).

3«SEM» (Scanning Electron Micropscopy) – растровая электронная микроскопия (РЭМ).

Рентгеновская фотоэлектронная дифракция и спектроскопия с угловым разрешением, профиль распределения

 

Методы рентгеновской (XPS1) и ультрафиолетовой (UPS2) фотоэлектронной спектроскопии служат основным инструментом химического анализа поверхностных слоев материала.

 

Так, спектры XPS формируются в результате регистрации фотоэлектронной эмиссии с поверхности образца под воздействием монохроматического рентгеновского излучения.

 

В 1905 году Альберт Эйнштейн получает Нобелевскую премию по физике за описание квантово-механической интерпретации фотоэлектрического эффекта, послужившего катализатором развития отдельного направления фундаментальной науки, основанного на результатах Генриха Герца и Макса Планка о волновой природе света и существовании дискретных энергетических образований, ныне именуемых «квантовыми». В то время еще никто не мог предположить, что подобная инновация трансформируется в важнейшую методику неразрушающего анализа элементного состава поверхности. Для достижения соответствующего понимания потребовалось появление энергодисперсионных электронных анализаторов, и прошло еще несколько десятилетий, пока в конце 1960-х годов Кай Зигбан объявил о разработке и реализации первых экспериментов подобного рода, также повлекших присуждение Нобелевской премии по физике. Возбуждение оболочек атомов в твердом образце рентгеновским излучением определенной длины волны и последующая регистрация количества фотоэлектронов в сопоставлении с кинетическими параметрами (энергией связи) используется в качестве критерия при исследовании химического состава без разрушения поверхности. Методика получила название элементного анализа средствами электронной спектроскопии (ESCA3) и глобальное распространение благодаря успешной разработке стабильных технологий прецизионной количественной оценки состава приповерхностного слоя с погрешностью идентификации менее 1%.

 

Проведение измерений в режиме с угловым разрешением (ARXPS4) обеспечивает избирательный подход к формированию характеристик и сбору требуемых данных. Так, регистрация электронов, покидающих материал перпендикулярно поверхности, позволяет получить информацию с максимальной глубины (из большего объема), тогда как при углах излучения, близких к касательным, регистрируемые сигналы в значительной степени определяются рельефом поверхности.

 

В случае монокристаллического вещества дифракция электронов в процессе фотоэмиссии приводит к угловой зависимости регистрируемой интенсивности, отражающей локальную атомную структуру вблизи источника излучения (XPD5). На основании анализа результатов моделирования далее может быть получено представление о кристаллической структуре.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

1«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

2«UPS» (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС).

3«ESCA» (Electron Spectroscopy for Chemical Analysis) – электронная спектроскопия для химического анализа.

4«ARXPS» (Angle-Resolved X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.

5«XPD» (X-ray Photoelectron Diffraction) – рентгеновская фотоэлектронная дифракция.

Жесткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

 

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS*) относится к мощным методам анализа химического состава и электронной структуры широкой номенклатуры материалов, от металлов, полупроводников, диэлектриков и сверхпроводников и до веществ на основе углерода, включая органические полупроводники.

 

Глубина получаемой информации в методике XPS определяется средней длиной пробега неупруго рассеянных фотоэлектронов (IMFP**) в твердом теле, являющейся функцией кинетической энергии с отчетливым минимумом в области значений 40-100 эВ. В то же время максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов в операциях XPS обусловлена фактической энергией фотонов, достигающей 1500 эВ на применяемых установках синхротронного излучения и лабораторном оборудовании. Реализуемой в подобных операциях функции IMFP соответствует информационная глубина 10-25 Å. Другими словами, стандартная технология рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) оптимальна в процессах анализа поверхности. Доступ к глубинным слоям и границам раздела обеспечивается при повышении кинетических параметров электронов за счет возбуждения фотонами с большей энергией. В жёсткой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (HAXPES***) энергия фотонов находятся в диапазоне 3-15 кэВ, что позволяет увеличить информационную глубину до 100-200 Å.

 

В силу низких значений сечения фотоионизации при высокой энергии возбуждения требуется особое внимание к факторам, связанным с регистрацией электронов. Необходимо применение модулей детектора с низким уровнем шума, линейным откликом и широким динамическим диапазоном, а также высокостабильные источники питания. Кроме того, объектив анализатора должен обладать значительной пропускной способностью при большом коэффициенте задержки, обеспечивающей высокое разрешение в энергетическом диапазоне жесткого рентгеновского излучения.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

*«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

**«IMFP» (Inelastic Mean Free Path) – средняя длина пробега неупруго рассеянных электронов.

***«HAXPES» (Hard X-ray Photoelectron Spectroscopy) – жёсткая рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

РФЭС и карта химического состава поверхности

 

Методы рентгеновской (XPS*) и ультрафиолетовой (UPS**) фотоэлектронной спектроскопии служат основным инструментом химического анализа поверхностных слоев материала.

 

Так, спектры XPS формируются в результате регистрации фотоэлектронной эмиссии с поверхности образца под воздействием монохроматического рентгеновского излучения.

 

В 1905 году Альберт Эйнштейн получает Нобелевскую премию по физике за описание квантово-механической интерпретации фотоэлектрического эффекта, послужившего катализатором развития отдельного направления фундаментальной науки, основанного на результатах Генриха Герца и Макса Планка о волновой природе света и существовании дискретных энергетических образований, ныне называемых «квантовыми». В то время еще никто не мог предположить, что подобная инновация трансформируется в важнейшую методику неразрушающего анализа элементного состава поверхности. Для достижения соответствующего понимания потребовалось появление энергодисперсионных электронных анализаторов, и прошло еще несколько десятилетий, пока в конце 1960-х годов Кай Зигбан объявил о разработке и реализации первых экспериментов подобного рода, также повлекших присуждение Нобелевской премии по физике. Возбуждение оболочек атомов в твердом образце рентгеновским излучением определенной длины волны и последующая регистрация количества фотоэлектронов в сопоставлении с кинетическими параметрами (энергией связи) используется в качестве критерия при исследовании химического состава без разрушения поверхности. Методика получила название элементного анализа средствами электронной спектроскопии (ESCA) и глобальное распространение благодаря успешной разработке стабильных технологий прецизионной количественной оценки состава приповерхностного слоя с погрешностью идентификации менее 1%.

 

Карта распределения химических элементов методами рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) формируется с применением энергетической фильтрации изображения соответствующей поверхности.

 

*«XPS» (X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС).

**«UPS» (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия (УФЭС).

 

Основные принципы XPS

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

Компенсация заряда

 

Выполнение операций электронной спектроскопии на непроводящем образце или в отсутствии заземления служит причиной формирования положительного заряда на поверхности материала, последующего увеличения энергии связи остаточных электронов и перехода на более высокие уровни. Стабильная регистрация спектра в подобных условиях невозможна.

 

Компенсация заряда образца достигается несколькими способами, простейший из которых состоит в дополнительном облучении низкоэнергетичными электронами. Полная нейтрализация положительного заряда производится при соответствующей величине энергии и тока (количества) взаимодействующих электронов. Высокие значения могут приводить к влиянию избыточного отрицательного заряда на показания регистратора. Предотвращение подобного эффекта возможно путем дополнительного внедрения в рабочую зону положительных ионов с низкой кинетической энергией. Альтернативными методами нейтрализации заряда поверхности является повышение температуры образца или генерация электронно-дырочных пар под воздействием УФ-облучения.

 

Заслуживает внимания высокая эффективность технологии применения остаточного газа при давлении от 1 мбар, который ионизируется в системах NAP-XPS* под воздействием рентгеновского излучения. В результате над поверхностью образца создается облако из положительных ионов и электронов. В случае не слишком высокой плотности фотонов происходит самопроизвольная компенсация зарядов, что справедливо для всех лабораторных рентгеновских источников. Процедура носит название компенсации заряда из газовой среды.

 

На нашем сайте вы можете ознакомиться с доступными к заказу РФЭС решениями (XPS, NAP XPS и другое): оборудование рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии.

 

*«NAP-XPS» (Near-Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy) – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) при давлении, близком к атмосферному.