Физические основы Оже-спектроскопи и нейтронографии

Развитие микроэлектроники поставило задачу исследования поверхности материалов с высокой точностью. Одним из применяемых для этих методов является оже-спектроскопия, (Pier Victor Auger Пьер Виктор Оже, французский физик) основанная на облучении исследуемой поверхности медленными электронами. Медленные электроны в силу малости кинетической энергии проникают лишь в самые верхние слои кристалла и очень эффективно взаимодействуют с атомами кристалла, а также с адсорбированными на поверхности кристалла атомами газов.

Оже-эффект заключается в заполнении электроном вакансии, образованной на одном из атомных уровней, с передачей безызлучательным путём выделенной при этом энергии электрону другого вышележащего уровня и переводом его в возбуждённое состояние. Если переданная энергия достаточна, возбуждённый электрон покидает атом, и вместо одной первичной вакансии возникают две новые вакансии на более высоких уровнях.

Обычно оже-электроны экспериментально наблюдают в виде потоков электронов с определёнными энергиями, не зависящими от энергии возбуждающих частиц (фотонов, электронов), создающих первичные вакансии. Энергия оже-электронов определяется природой испускающих их атомов и их химическим окружением, что позволяет получать информацию об атомах и их химическом состоянии.

Наибольшее применение оже-спектроскопия получила для элементарного анализа приповерхностного слоя твёрдого тела в несколько атомных слоёв. Чувствительность данного метода порядка .

Возможно объединение метода оже-спектроскопия с дифракцией медленных электронов, что даёт возможность не только исследовать элементный состав приповерхностных слоёв монокристаллических образцов, но и получать информацию об их структуре. Дифракция медленных электронов даёт сведения о структуре двумерной решётки как атомов самого кристалла у его поверхности, так и адсорбированных кристаллом атомов газов.

В нейтронной оптике для анализа строения вещества используются волны де Бройля медленных (тепловых) нейтронов. Если соответствующая длина волны сравнима с межатомным расстоянием, то для описания волновых процессов удобно ввести показатель преломления нейтронов  согласно формуле

                     ,        (3.4)

где  - скорость нейтронов в вакууме,

 - скорость нейтронов в среде,

 - кинетическая энергия нейтронов в вакууме,

 - усреднённый по объёму среды потенциал взаимодействия нейтрона с ядрами вещества,

 - концентрация атомных ядер,

 - когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами,

 - масса нейтрона.

В отличие от электронов нейтроны не обладают электрическим зарядом, поэтому взаимодействуют в основном с атомными ядрами. Кроме того, нейтроны обладают магнитным моментом порядка ядерного магнетона

,                            (3.5)

где  - масса протона, что обуславливает их взаимодействие с внутренним полем вещества.

Показатель преломления нейтронов даёт возможность количественно описывать такие волновые явления как отражение и преломление волн на границе раздела сред, дифракция на неоднородностях среды и периодических структурах, интерференция.

Например, если , что справедливо для большинства атомных ядер, нейтроны с кинетической энергией  не могут проникнуть из вакуума в среду в силу полного внутреннего отражения волны де Бройля. Данный эффект используется для создания сосудов для хранения ультрахолодных нейтронов.

Источниками медленных нейтронов с кинетической энергией   ( ) служат ядерные реакторы, у которых максимум энергетического спектра тепловых нейтронов лежит в области энергии .

Нейтронография изучает строение вещества в конденсированном состоянии с помощью процесса рассеяния медленных нейтронов. Рассеяние нейтронов даёт информацию о пространственном распределении ядерной материи вещества, ориентации магнитных моментов частиц внутри вещества, динамических свойствах кристаллической решётки.

 

Контрольные вопросы к главе 3

1. Объясните принцип работы электронного микроскопа.

2. В чем заключается преимущество нейтронографии по сравнению с электронной микроскопией?

3. Перечислите возможные области практического применения оже-спектроскопии?

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: