Tema: sensori Laboratorio di Fisica della Materia Definizione: Trasduttori di una grandezza fisica in un segnale elettrico Esempio tipico termocoppia, permette la misura della temperatura di un corpo mettendolo a contatto termico con una giunzione bimetallica (chromel-alumel, rame-oro, tungsteno-renio,... a seconda dell intervallo di temperatura di interesse) che genera una ddp proporzionale alla temperatura del corpo. Sensori per gas: è necessario adsorbire il gas e misurare una quantità proporzionale al ricoprimento e selettiva per quel gas. In generale è necessario analizzare la composizione chimica di superficie.
Analisi dei Materiali: Scelta della sonda L informazione sperimentale è mediata da particelle sonda. Per la loro scelta bisogna considerare: 1) la profondità di penetrazione 2) il meccanismo di interazione (sia elastica che anelastica) ad es., per le proprietà magnetiche, particelle con momento magnetico intrinseco (spin) (fotoni, neutroni ed elettroni) 3) la risoluzione temporale desiderata 4) la disponibilità e l intensità delle sorgenti laboratorio o presso grandi facilities proprietà di volume: la sonda deve penetrare in profondità fotoni e raggi X, neutroni, elettroni e ioni ad alta energia. proprietà di superficie: la sonda deve penetrare poco fotoni e raggi X radenti, atomi chimicamente inerti ad energia termica, elettroni lenti, ioni di energia media e bassa. Fenomeni ultraveloci (femto ed attosecondo) possono essere studiati solo con fotoni
Spettroscopia ed analisi chimica Si deposita energia nel materiale causando transizioni nei suoi atomi dallo stato fondamentale a stati eccitati elettronici e/o rotovibrazionali la cui energia è caratteristica di un dato atomo o di un dato legame chimico. Fotoni: questo processo può avvenire per assorbimento (spettroscopie di soglia). Elettroni: essi possono subire urti anelastici. (es. spettroscopie electron in - electron out) In entrambi i casi possono venire emessi elettroni secondari. (es. spettroscopie photon in - electron out) o altre particelle. (es. spettroscopie electron in photon out) L informazione è utile per l analisi chimica quando il segnale misurato può essere univocamente associato ad una determinata specie.
sonde spettroscopiche per volume assorbimento di fotoni della frequenza di interesse: infrarosso IR per proprietà roto-vibrazionali, visibile, UV o raggi X per proprietà elettroniche scattering anelastico di particelle debolmente interagenti con la materia quali neutroni o raggi X, scattering anelastico di particelle energetiche: elettroni veloci (50 kev- 1 MeV) ioni di circa 1 MeV
Sonda Elettroni Gli elettroni giocano un ruolo particolare quali sonde in studi di fisica della materia: Penetrazione degli elettroni vs la loro energia cinetica 1) È facile produrli e monitorarli 2) La loro profondità di penetrazione dipende dalla energia cinetica: 10 ev<e<1000 ev sensibilità alla superficie; 10 kev<e<100 kev informazioni sul volume. 3) Sono versatili: Cristallografia: lunghezza d onda confrontabile o minore del passo reticolare del campione Spettroscopia: energia sufficiente per eccitare transizioni sia elettroniche che vibrazionali, Magnetismo: presenza di spin intrinseco
sonde spettroscopiche per superficie assorbimento luce IR in riflessione (se il volume è inattivo) proprietà rotovibrazionali scattering anelastico elettroni lenti (energia 10-100 ev) elettroni veloci (energia 1-10 kev) radenti alta risoluzione proprietà vibrazionali (0-0,5 ev) bassa risoluzione proprietà elettroniche (1-100 ev) fotoemissione indotta da raggi UV o X molli sfruttando il limitato libero cammino medio degli elettroni fotoemessi (XPS o ESCA e UPS) struttura elettronica scattering anelastico di ioni di qualche kev composizione chimica emissione di ioni secondari SIMS composizione chimica emissione di elettroni secondari ed Auger composizione chimica
spettroscopia AES: E kin E vac E F VB M 2,3 3p M 1 3s e - e - L 2,3 2p L 1 2s K 1s Ground State One-Hole Initial State De-Excitation Auger Process Two-Hole Final State
Electron In: Il cristallo è colpito da un fascio di elettroni primari Electron Out: 1) Elettroni riflessi elasticamente 2) Elettroni riflessi anelasticamente AES 3) Elettroni secondari generati dalla creazione di coppie elettrone-buca 4) Elettroni secondari Auger differenziando lo spettro si elimina il fondo dovuto agli elettroni secondari
Nel processo di diseccitazione l emissione Auger compete con la diseccitazione per fluorescenza. Il processo Auger domina per atomi con piccoli numeri atomici, la fluorescenza per numeri atomici elevati Auger Process Auger Electron X-Ray Fluorescence Fermi Level 3d M 4,5 3p M 2,3 3s M 1 2p L 3 2p L 2 2s L 1 1s K Fermi Level 3d M 4,5 3p M 2,3 3s M 1 2p L 3 2p L 2 2s L 1 1s K Photon
Computing the kinetic energy of Auger electrons: XYZ Process, One-Particle Scheme, Energy Conservation ( XYZ) = E ( X) E ( Y) E ( Z) Φ b b b ( X) Binding Energy of the X-Level ( ) Binding Energy of the Y-Level ( Z) Binding Energy of the Z-Level Φ Work Function E kin E b E b Y E b E kin ( XYZ)Kinetic Energy of the Auger Electron Usually additional terms must be included accounting for the twohole final state correlation interaction and the relaxation effects E ( kin XYZ) = E ( b X) E ( b Y) E ( b Z) F + R Φ F R Two-Hole Final State Correlation Energy Relaxation Energy
Principal Auger Lines while Spanning the Periodic Table of the Elements KL 1 L 2 L 1 M 1 M 2 Auger Processes L 1 L 2 M 1 Coster-Kronig Process (the initial hole is filled by an electron of the same shell) CCC Transition Core-Core-Core CCV Transition Core-Core-Valence CVV Transition Core-Valence-Valence
Origin of the multiplets Relative Energies Relative energies within the KLL Auger series while changing the atomic number. Different coupling of the final state multiplet terms while spanning over Z 20 40 60 80 100 Z L-S-coupling Intermediate coupling J-J-coupling
Gas vs. Solid Auger Emission from Mg: Very similar lines for CCC transitions, except for: an almost rigid energy shift (relaxation) some additional features related to many-body effects in solids (e.g. energy losses due to plasmons)
Primary Electron Beam Energy Dependence of the X-Level Ionization Cross-Section by Electron Impact The maximum is achieved at E p (3 4) E AX E AX appearance threshold
Auger Electron Spectroscopy Semi-Quantitative Analysis One can determine the atomic concentration (C i ) of the atomic species present in the near-surface region of a solid sample C i = i I i s iii s i C i Atomic Concentration of the i-th species S i Orbital Sensitivity Factor of the i-th species I i Spectral Intensity Related to the i-th species Fragments of Theory The Auger process fulfills 1) Energy Conservation 2) Angular Momentum Conservation 3) Parity Conservation The process is governed by the Coulomb interaction between the electrons and related selection rules E vac E F VB M 2,3 3p M 1 3s L 2,3 2p L 1 2s K 1s E kin
Core-Valence-Valence (CVV) Auger Transitions 1) To a zero-th order approximation (i.e. no final state effects and assuming the matrix elements constant all over the transitions), the Auger emission is expected to mimic the self-folded DOS N(E), i.e. the Transition Density of States D(E) 2) Thereby, its width should be twice the value of Γ (width of the oneparticle state distribution) I( E) = D 0 ( E) N( E) N( E) = ρ E ε ( )ρ( ε)dε
C KVV Auger Lines from a Variety of C-based systems: sensitivity to the chemical binding Experiment Self-folded DOS
CMA Cylindrical Mirror Analyzer Analizzatore a specchio cilindrico Accettanza angolare ampia (elemento conico ±3 attorno a 42 dall asse dello strumento 1 sterad). pass energy variabile. Resolving power E 0 / E ~200 per diametro cilindro 150 mm. E 0 / E dipendente da E 0 Alta efficienza in conteggi con limitata risoluzione e ridotta distanza di lavoro.
Auger Scanning Electron Microscopy V-shaped Filament Extractor Applicazioni Deflecting Plates Primary e - Beam Image Display Backscattered Electrons Sample
Au N 6,7 VV Si L 2,3 VV Auger Spectra as Measured at Selected Points of the Self-organized Agglomerated Au/Si(111) Interface Island Flat region