Плутоний Фундаментальные проблемы Том 1 - Надыкто Б.А.
ISBN 5-9515-00-24-9
Скачать (прямая ссылка):
Поскольку энергия и, до некоторой степени, импульс сохраняются при переходе через поверхность, существует простое соотношение между кинетической энергией фотоэлектрона ЕК в вакууме и его энергией связи Eb в образце: ?к = hv - Eb - Ф (Ф фактически является работой выхода анализатора, так как измеренная кинетическая энергия электрона определяется по отношению к уровню вакуума в анализаторе). При измерении типичного спектра мы подсчитываем электроны, обнаруженные при данной кинетической энергии в вакууме, и это их количество непосредственно связывается с числом (плотностью) электронов в данном интервале энергий в образце.
Number 26 2000 Los Alamos Science
173
Фотоэлектронная спектроскопия а- и 6-плутония
Рис. 2. Универсальная кривая глубины зондирования ФЭС
Диапазон энергии фотонов лазерно-плазменного источника (ЛПИ) отмечен пунктирным прямоугольником. Диапазон Beamline 7.0.1 усовершенствованного источника излучения (УИИ) показан штриховым прямоугольником. Также приведены энергии различных линейных источников излучения, используемых в ФЭС. Длина затухания, или глубина зондирования, изображена в зависимости от энергии фотоэлектронов. Глубина зондирования пропорциональна пробегу фотоэлектрона, который еще не успел возбудить образец. Примерно 95% фотоэлектронов поступает из глубины зондирования в пределах З ССП от поверхности
В то же время схематическое представление на рис. 1 сильно упрощает истинную ситуацию. На самом деле, из-за многих трудностей спектр ФЭС при определенной энергии фотонов не может точно соответствовать плотности занятых состояний или электронной зонной структуре. Здесь мы рассматриваем два основных осложнения: зависимость чувствительности поверхности и сечения фотопоглощения от энергии фотонов.
Чувствительность поверхности.
Одним из ограничений ФЭС является то, что при использовании этой методики зондируется лишь несколько верхних слоев атомов поверхности вещества. Хотя электронные структуры поверхности и основной массы вещества могут различаться, неоднократно было показано, что основная электронная структура однородных твердых тел устанавливается уже на глубине одного-двух монослоев под поверхностью. Универсальная кривая на рис. 2 показывает, что глубина зондирования (связанная с ССП выходящего электрона) сильно меняется в зависимости от кинетической энергии выходящего электрона и самое глубокое зондирование
(наибольшая объемная чувствительность) имеет место при очень низких и, опять же, при очень высоких кинетических энергиях. Это непрерывное изменение позволяет разделить поверхностные и объемные особенности. Можно измерить ряд спектров ФЭС при энергиях фотонов, перекрывающих значительную часть диапазона кинетической энергии электронов, и затем, сравнив их непосредственно, отличить поверхностные особенности от объемных.
Высокая чувствительность к состоянию поверхностного слоя также предполагает, что атомарно чистые поверхности, подготовленные в вакууме, - это абсолютное требование, если нужно определить истинно объемные свойства.
Фотоэлектронные сечения. Как отмечается в работе Yeh, Lindau (1985), вероятность поглощения фотона электроном - то есть фотоэлектронное сечение - сильно меняется в зависимости от энергии налетающего фотона (hv), симметрии орбитали электрона (s, р, d или f) и конфигурации атома (например, числа Z и заселенных энергетических уровней). Эти изменения
усложняют интерпретацию результатов измерений спектров ФЭС и электронной структуры вещества. Для получения полной картины плотности состояний необходимо взять много спектров, используя различные энергии фотонов, и затем учесть влияние сечений фотопоглощения на результаты измерения интенсивностей фотоэлектронных особенностей.
На рис. 3 показаны сечения фотопоглощения атома плутония, рассчитанные по программе (Yeh, Lindau 1985). При низких энергиях фотонов - от 1 до -30 эВ - состояния 6d имеют наибольшее сечение и определяют фото-эмиссионный спектр, в то время как примерно при hv = 40 эВ начинают преобладать состояния 5f. Поэтому в принципе можно разграничить вклады 5f и 6d в плотность состояний, сравнив несколько фотоэмиссионных спектров, снятых при различных энергиях в диапазоне от
20 до 50 эВ. На рис. 4 показана такая совокупность спектров для соединения нептуния с мышьяком (NpAs). Эмиссия 6d преобладает в спектре источника с энергией 21 эВ. На рис. 4 мы изобразили наложение спектра 21 эВ на спектры, измеренные при более высоких энергиях фотонов. Понятно, что вклад 5f электронов очень сильно возрастает с увеличением hv и его можно восстановить, вычитая вклад 6d электронов. Такое разделение возможно для плутония и любого из его соединений или сплавов.
Резонансная ФЭС. Другим методом определения конкретных орбитальных вкладов в спектр является резонансная ФЭС (Fano 1961). При использовании этого метода (см. рис. 5) имеют дело с энергией фотонов вблизи 5d края поглощения (~ 115 эВ для плутония), за счет которой 5d электрон остова переводится в незаполненное состояние 5f при значениях энергии непосредственно выше энергии Ферми. Поскольку это прежде всего атомарный процесс, то именно электронная конфигурация конечного состояния Sd9Sf11+1 определяет точную энергию (энергии) фотона, при которой происходит резонанс (Lynch и Weaver 1987). По мере распада этого электронного состояния с последующим заполнением дырки в остове электрон за счет процесса типа Оже отдает свою из-
