Взаимодействие фотонов и электронов с веществом

Профессор  А.М. Шикин

 

I. Формирование электронных спектров при взаимодействии излучения и электронов с твёрдым телом и информация, получаемая различными методами электронной спектроскопии.

1.1. Различные методы электронной спектроскопии и их особенности.

1.2. Трёхступенчатая модель формирования электронных спектров.

1.3. Общие представления о формирования электронных спектров в различных методах фотоэлектронной и электрон-электронной спектроскопии. Получаемая информация.

1.3.1. Методы фотоэлектронной спектроскопии.

1.3.2. Методы электрон-электронной спектроскопии.

1.3.3. Спектроскопия потенциалов появления.

1.3.4. Оже-электронная спектроскопия.

1.4. Поверхностная чувствительность методов электронной спектроскопии.

 

II.  Энергия связи электронов. Теорема Купмана. Связь с основным состоянием системы.

2.1. Понятие об энергии связи электрона. Переход от многоэлектронной к одноэлектронной задаче. Приближение Купмана.

2.2. Понятие об энергии релаксации.

2.3. Использование неадиабатического подхода для анализа процесса фотовозбуждения.

2.4. Факторы, определяющие энергию релаксации системы.

 

III.  Фотон-электронное взаимодействие.

3.1. Возбуждение электронной подсистемы электронного тела под действием электромагнитного излучения. Вероятность перехода. Использование нестационарной теории возмущений.

3.2. Прямые переходы. Приведённая плотность электронных состояний.

3.3. Непрямые переходы.

3.4. Матричный элемент перехода. Дипольное приближение.

 

IV.  Сечение фотоионизации.

4.1. Энергетическая зависимость сечения фотоионизации.

4.2. Эффекты Куперовского минимума на зависимости сечения ионизации от энергии от энергии возбуждающего излучения.

 

V.  Структура фотоэлектронных спектров.

5.1. Спектры внутренних уровней.

5.1.1. Энергии остовных уровней

5.1.2. Влияние химической связи. Химсдвиги. Ковалентная и ионная связь.

5.1.3. Ширина линий остовных уровней.

5.1.4. Структура пиков внутренних уровней в фотоэлектронных спектрах. Форма линий.

5.1.5. Многоэлектронные эффекты, влияющие на форму линий. Мультиплетное расщепление.

5.1.6. Сателлиты, возникающие в процессах типа «встряски» и «стряски», эффекты «shake-up» и «shake-off».

5.1.7. Поверхностные компоненты в спектрах внутренних уровней и их зависимость от состояния поверхности.

5.2. Спектры валентной зоны. Зависимость от энергии возбуждения.

5.3. Формирование спектров в методах пороговой спектроскопии и получаемая информация.

5.3.1. Спектроскопия поглощения рентгеновского излучения.

5.3.2. Зависимость от угла падения возбуждающего излучения.

5.3.3. Резонансная фотоэлектронная спектроскопия.

5.4. Изменение структуры фотоэлектронных спектров валентной зоны при формировании химической связи. Проявление переноса заряда.

 

VI.  Фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением.

6.1. Взаимосвязь начального и конечного состояний в трёхступенчатой и одноступенчатой модели.

6.2. Возможность получения информации о дисперсии электронных состояний из анализа углового и энергетического распределения вылетевших электронов.

6.3. Построение дисперсионных зависимостей в различных (определенных)  направлениях зоны Бриллюэна.

6.3.1. Квазидвумерные системы.

6.3.2. Случай трёхмерных систем. Анализ угловых зависимостей.

6.3.3. Изменение энергии возбуждающего излучения для анализа дисперсионных зависимостей.

6.3.4. Случай больших энергий возбуждения для анализа спектров валентной зоны.

6.4. Источники излучения в методах фотоэлектронной спектроскопии.

 

VII.  Электрон-электронное взаимодействие.

7.1. Сечение ионизации электронным ударом. Использование нестационарной теории возмущений.

7.1.1. Случай малых передач импульса. Рассеяние первичных электронов.

7.1.2. Случай больших передач импульса. Возбуждение вторичных электронов.

7.2. Электронные спектры при электрон-электронном рассеянии. Спектроскопия ионизационных потерь.

7.3. Электронные спектры, формируемые при электрон-электронном рассеянии. Спектроскопия ионизационных потерь.

7.4. Форма и полуширина спектров ионизационных потерь.

 

VIII.  Диэлектрический формализм.

8.1. Понятие о диэлектрической проницаемости. Зависимость от волнового вектора и частоты.

8.2. Функция потерь.

8.3. Коллективные возбуждения электронов в твёрдом теле. Плазменные потери.

8.4. Зависимость плазменных колебаний от волнового вектора.

8.5. Условия возбуждения плазменных колебаний.

8.6. Проявление плазменных колебаний в спектрах характеристических потерь энергий электронов. Одноэлектронные переходы и потери на возбуждение плазменных колебаний.

8.7. Влияние межзонных переходов на энергию плазменных колебаний.

 

IX.  Правила отбора при электронных переходах.

9.1. Правила отбора по моменту импульса на языке поворотов по базису шаровых функций. Понятие об операторе поворотов. Ранг оператора для различных типов электронных взаимодействий. Использование математически j-символов Вигнера.

9.2. Правила отбора по моменту импульса для переходов под действием электромагнитного излучения в дипольном приближении.

9.3. Правила отбора для проекции момента.

9.4. Правила отбора по чётности.

9.5. Правила отбора по моменту импульса при электрон-электронном взаимодействии.

 

X.  Оже-электронная спектроскопия.

10.1. Основные представления об оже-процессе. Идентификация оже-переходов.

10.2. Энергии оже-переходов. Вклад различных составляющих.

10.3. Оже-спектроскопия, как метод элементного и химического анализа.

10.4. Химические сдвиги. Случаи ковалентной и ионной связи.

10.5. Полуширина и форма оже-линий.

10.6. Оже-переходы с участием электронов валентной зоны.

10.7. Факторы, искажающие форму jVV оже-линий. Зоноподобные и атомоподобные оже-спектры. Влияние корреляционных эффектов.

10.8. Получение информации о локальной плотности электронных состояний в валентной зоне из анализа структуры jVV оже-линий.

 

XI.  Интенсивность оже-линий и методы количественной оже-спектроскопии.

11.1. Факторы, определяющие структуру и интенсивность оже-линий.

11.1.1. Сечение ионизации. Использование различных подходов.

11.1.2. Вероятность оже-перехода. Вклад различных каналов перехода.

11.1.3. Зависимость вероятности оже-переходов от типа химической связи.

11.1.4. Фактор элементной чувствительности.

11.1.5. Фактор обратного рассеяния электронов.

11.1.5.1. Учет влияния фактора обратного рассеяния электронов для неоднородных структур.

11.1.6. Влияние других факторов.

11.2. Количественная оже-спектроскопия. Методов стандартов.

11.3. Правила отбора при оже-переходах.

11.3.1. Использование представления о внутренней конверсии.

11.3.2. Использование представления об операторе поворотов. Использование математики j-символов Вигнера.

 

XII. Методы пороговой электрон-электронной спектроскопии. Спектроскопия потенциала появления (исчезновения)

12.1. Основы методы пороговой спектроскопии. Формирование и структура спектров.

12.2. Информация, получаемая методами спектроскопии потенциалов появления.

12.3. Сравнение методов СПП с возможностями других методов электронной спектроскопии.

 

Список обязательной литературы

1. Л.Д. Ландау, Е.М, Лифшиц «Квантовая механика», М., Наука, 1989г.

2. А.С. Давыдов «Теория твёрдого тела», М., Наука, 1976г.

3. Д. Пайнс «Элементарные возбуждения в твёрдых телах», М., Мир, 1965г.

4. Д. Вудраф, Т. Делчар «Современные методы исследования поверхности», М., Мир, 1989г.

5. Л. Фелдман, Д. Майер «Основы анализа поверхности и тонких плёнок», М., Мир, 1989г.

6. Д. Займан «Принципы теории твёрдого тела», М., Мир, 1966г. 

7. А.М. Шикин "Взаимодействие фотонов и электронов с твердым телом", СПб, издВМ, 2008, 293 с.

8. К. Зигбан, К. Нордлинг и др. "Электронная спектроскопия", М., Мир, 1971.

9. "Электронная и ионная спектроскопия твердых тел" (под ред. Л Фримэнса, Дж.   

   Вэнника и В. Декейсера), М: Мир, 1981.

10. А.П. Шульман, С.А. Фридрихов "Вторично-эмиссионные методы исследования твердого тела", М., Мир, 1977.

11. Т.А. КарлсонФотоэлекторонная и Оже-спектроскопия “, М., Машиностроение, 1981.

12. «Методы анализа поверхности». Ред.А.Зандерна. М., “Мир”. 1979

13. “Применение электронной спектроскопии для анализа поверхности”. Ред. Х.Ибах, Рига, “Зинатне”, 1980.

14. К.Оура, В.Г.Лифшиц, А.А.Саранин, А.В.Зотов, М.Катаяма «Введение в физику поверхности». М., Наука, 2005.

 

Список дополнительной литературы

1. G. Ertl, J. Küppers «Low Energy Electrons and Surface chemistry», VCH, Berlin, 1985.

2. S. Huefner "Photoelectron Spectroscopy. Principles and Applications", Schpringer Verlag, Berlin, 1995.

3. И.М. Бронштейн, Б.С. Фрайман "Вторичная электронная эмиссия", М., Наука, ГРФМЛ, 1969.

4. А.Г. Наумовец «Дифракция медленных электронов».

5. В.В. Кораблев "Электронная оже-спектроскопия", Ленинград, Политехнический институт, 1973.

6. F.J. Himpsel "Angle-resolved measurements of the photoemission of electrons in the solids", Adv. Phys., 32, 1, 1983.

7. И.И. Собельман "Введение в теорию электронных спектров", М., Наука, 1977.

8. В.И. Запорожченко "Применение метода электронной оже-спектроскопии для количественного анализа химического состава твердого тела", Электронная промышленностьб 1978.

10. J.C. Fuggle "High-resolution Auger spectroscopy of solids and surfaces"