Ионно-фотонная спектроскопия углеродных соединений

                                  I_in ɤ_in C_n                                     (6) 

   Уравнение (6) можно использовать для определения профилей распределения концентрации исследуемого элемента n. Для получения количественной информации о концентрации исследуемого элемента необходимо также знать величину ɤ_in, которую можно определить при использовании эталонов. Задача значительно упрощается, если при исследовании ИФЭ регистрировать несколько линий излучения, например линии матрицы   m и примеси n. Тогда из (5) и (6) следует 

   I_in/Ijm=const C_n/C_m,                                   (7)

Рис.6. График зависимости  отношения спектральных линий ИФЭ для двух элементов от их концентрации для шести образцов алюминий-магниевого сплава. 
 

   Отношение интенсивностей ИФЭ двух примесей прямо пропорционально отношению их концентраций, как можно предположить соответственно из уравнения (6). Установлена также линейная зависимость между интенсивностью ИФЭ и концентрацией примеси в диэлектриках и полупроводниках. Если известна объемная концентрация какого-либо элемента в образце, го, не прибегая к градуировочному графику, из измерений ИФЭ можно легко определить концентрацию этого элемента на поверхности.

    Применять метод ИФЭ значительно проще при исследовании профилей распределения имплантированных или диффузных примесей в материалах. При этом способы контроля толщины распыляемого слоя, а также меры по исключению влияния стенок кратера на характер распределения примесей по толщине такие же, как и в методе ВИМС. На рис.7 и 8 показаны характерные профили распределения примесей в приповерхностном слое образцов, введенных термическим напылением и диффузией. Образец алюминий-магниевого сплава АМГ-6, используемого для изготовления холодных катодов в газоразрядных приборах, предварительно термически окислялся в атмосфере кислорода при температуре 300 °С в течение часа для получения окисной пленки определенной толщины. Для анализа по методу ИФС попользовались резонансные линии Mg I/λ = 5167 и Al I/λ = 3944 Å при бомбардировке образца ионами с энергией 6 кэВ и плотностью тока 200 мкА/см². Угол падения ионов доставлял 60°. 

                                      Рис.7,8. Характерные профили распределения примесей в приповерхностном слое образцов, введенных термическим напылением и диффузией. 

    Толщина окисной пленки контролировалась с помощью микроинтерферометра МИИ-4. Скорость распыления пленки была постоянной и равнялась 10 /мин. После распыления пленки (d = 500 ) интенсивность эмиссионных линий алюминия и магния достигает постоянного значения, соответствующего объемной концентрации элементов в сплаве (рис.7). На рис.8 показан профиль распределения концентрации бериллия и циркония, напыленных термически на подложку из алюминиевого сплава АД-1. Анализ проводился при тех же условиях бомбардировки, что и для образца АМГ-6. На глубине 400...500 имеется переходная зона, обусловленная технологией приготовления пленок. Сравнение методов ИФС и ВИМС показывает, что первый может быть использован при больших углах бомбардировки, при которых коэффициент распыления слабо зависит от стехиометрии мишени.

   Как отмечалось, для металлов характерно интенсивное протекание процессов безизлучательного девозбуждения. Наиболее сильно на интенсивность ИФЭ металлов влияет кислород. Адсорбция кислорода на поверхность металла из вакуумного пространства или его диффузия из объема образца ведут к немонотонному возрастанию интенсивности ИФЭ. Для ряда элементов (переходные металлы) в спектрах ИФЭ появляются также широкие полосы непрерывного оптического излучения, накладывающиеся на узкие эмиссионные полосы. Непрерывное излучение можно описать в рамках молекулярной модели. Для устранения фона непрерывного излучения необходимо работать с чистыми металлами в сверхвысоком вакууме. Для этого можно также использовать специальные приемы: работа с пучками ионов высокой плотности, прогрев мишеней в вакууме до температуры 700 °С, выбор участка спектра, где практически нет непрерывного излучения (ультрафиолетовая часть спектра), выбор для анализа элементов с невысокими потенциалами возбуждения. (См. Методы молекулярной спектроскопии в химии координационных соединений и катализаторов  / Э. Н. Юрченко ; отв. ред. Г. М. Жидомиров ; АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т катализа. - Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1986 с.218-244. И Ионно-фотонная спектроскопия  : учеб. пособие для спец. "Физика" / А.И. Бажин, С.В. Теплов, В.П. Шестов. - Киев : УМКВО, 1989. с.39-43). 
 

    Заключение. Перспективы развития метода 

    В последнее время метод ИФС всё шире применяется при диагностике состава и состояния поверхности. За рубежом уже выпущены серийные установки для диагностики методом ИФС.

      Однако следует учесть, что ИФС  присущи многие недостатки других  методов анализа (Вторичная ионная  масс-спектроскопия, оже-спектроскопия  и т.д.), из которых наиболее  существенным, вероятно, является отсутствие количественных теоретических моделей явления. Это приводит к тому, что неизвестно, какая часть общего потока распыленных атомов исследуемого образца покидает поверхность в возбуждённом состоянии, соответствующем регистрируемой спектральной линии. Такие проблемы характерны для всех используемых в настоящее время методов послойного анализа поверхности, что препятствует их превращению в количественные методы.

    Построение  теоретических моделей ИФС требует  решения ряда проблем из смешанных  областей физики твёрдого тела: знания зонной структуры приповерхностной области, а точнее, характера волновых функций электронов поверхностных  атомов, характера адсорбции на поверхности  химически активных элементов, влияющих на параметры ИФС; влияния наличия  третьих элементов на вероятность  возбуждения примеси, распыляемой  из твёрдотельной матрицы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Литература: 

1. Ионно-фотонная спектроскопия  : учеб. пособие для  спец. "Физика" / А.И. Бажин, С.В. Теплов, В.П. Шестов. - Киев : УМКВО, 1989. - 43 с. : ил.

2. Введение  в спектроскопию комбинационного рассеяния  света  / И. Брандмюллер,  Г. Мозер. - М. : Мир, 1964. - 628 с. : ил. - 2.65

3. Методы  молекулярной спектроскопии в химии  координационных соединений и катализаторов  / Э. Н. Юрченко ; отв. ред. Г. М. Жидомиров ; АН СССР, Сиб. отд-ние, Ин-т катализа. - Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1986. - 252. : ил. - Библиогр.: с. 244-250. - 3.50

4. Распыление  твёрдых тел ионной бомбардировкой (том 2)/ Под ред. Р.М.Бериша. – М.: Мир, 1984.

5. Диагностика поверхности с помощью ионных пучков. Петров Н. Н.,          Аброян И. А., Л., 1977

6. Ионно-фотонная эмиссия   http://allchem.ru/pages/physic/1444