ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ ЭСХА

Рис. 2.13. Линия -электронов йода в трех различных многослойных образцах, состоящих из одного (а), трех (б) и десяти (в) слоев -иодостеариновой кислоты соответственно.

Электроны о энергиями, равными нескольким килоэлектронвольтая или меньшими, проникают только в очень тонкие слои твердого вещества Кривые зависимости глубины проникновения от энергии электронов для энергий порядка килоэлектронвольта приблизительно одинаковы для различных веществ, если глубину выразить в единицах массы на единицу площади; для электронов с энергией 600эВ она равна 10 г /см². Следовательно, алюминий толщиной 400 будет полностью поглощать электроны с такой энергией. Фотоэлектроны, выбитые, например, А1 -излучением, выходят из поверхностного слоя толщиной не более нескольких сот атомных слоев. Из такой глубины без потери энергии выходит чрезвычайно мало электронов. Средняя глубина, на которой такие электроны возникают, что можно наблюдать по электронным линиям, возможно, составляет только несколько десятков ангстрем. Это видно на рис. 2.13, где показаны электронные линии йода, полученные от трех многослойных образцов различной толщины. Для многих соединений, содержащих длинные цепи, можно приготовить многослойные образцы на твердых поверхностях из моноатомных слоев, осажденных в воде. Было показано, что, например, замещение метильных групп карбоновых кислот атомами брома или йода обычно не влияет на расположение молекул в твердом теле.

Образцы, показанные на рис. 2.13, были получены из монослоя очень чистой йодстеариновой кислоты, диспергированной на поверхности воды. Многослойные образцы были приготовлены из этого монослоя на хромированных медных пластинках, (слайдах) при погружении их в воду. Образцы состояли из одного, трех, и десяти молекулярных двойных слоев (рис. 2.13). Толщина каждого двойного слоя составляла 40 ; в таком слое содержался один атом йода на площади десять квадратных ангстрем. Общее количество йода в образце (а) было меньше 10 г, но этого количества оказалось достаточно для того, чтобы средняя скорость счета была 20 импульсов в секунду на максимуму линии, соответствующей -электронам йода (излучение А1 ); это иллюстрирует чувствительность метода.

При увеличении числа слоев от одного до трех [образец (б)] скорость счета возрастала, но не в 3 раза. Когда число слоев достигло десяти [образец (е)], интенсивность увеличилась в 3,5 раза. Это показывает, что электроны, обусловливающие спектры ЭСХА, испускаются со средней глубины, меньшей 100 .

Поскольку общий характер расположения молекул в слоях карбоновых кислот можно определить рентгеноструктурными методами, то, используя в качестве моделей многослойные пленки карбоновых кислот, можно проверить физические методы изучения расположения молекул на границах фаз.

Другой эксперимент по изучению молекулярных слоев методом ЭСХА был проведен на двух многослойных образцах, «меченных» бромом .

Рис. 2.14. Два многослойных образца, состоящие из 200 молекулярных слоев DL- -бромстеариновой кислоты.

Два слоя «немеченой» стеариновой кислоты нанесены на один из образцов (а). Два образца, состоящие из 200 молекулярных слоев DL- -бромстеариновой кислоты, были приготовлены на хромированных медных пластинках, на одну из которых были нанесены два слоя «немеченой» стеариновой кислоты. Большие периоды в пленках были определены методом рентгеновского структурного анализа на излучении Cu Ka. Расположение молекул в поверхностных пленках, согласно рентгеновскому анализу, изображено на рис. 2.14. Были изучены фотоэлектроны, удаленные с ls-уровня углерода и Зd-уровня брома при облучении Al -излучением.

Относительная интенсивность линий брома и углерода в три раза меньше, когда а-бромстеариновая кислота покрыта двумя слоями стеариновой кислоты.

Сигнал от хромовой подложки отсутствует, в то же время от обоих образцов были записаны четко выраженные линии брома. Это показывает,что пленка толщиной 8000 обеспечивает полное экранирование, в то время как атомы, покрытые слоем органического вещества толщиной около 50 , могут быть

Рис. 2.15. Электронные линии углерода и брома

обнаружены методом ЭСХА. Наиболее интересны, однако, относительные интенсивности электронных Зd-линий брома и ls-линий углерода от двух образцов. Как видно из рис. 2.15, отношение интенсивностей линий брома и углерода в три раза меньше для пластинки, на которой -бромсте-ариновая кислота была покрыта двумя слоями стеариновой кислоты (образец 1а). Кроме того, линия брома сдвинута в сторону меньшей кинетической энергии примерно на 1эВ. Это может быть результатом действия поля кристаллической решетки, если ряд для постоянной Маделунга сходится лишь на расстояниях, больших чем несколько ангстрем. Такая поправка на поверхность была предложена Фэдли и др. Электронные спектры, подобные изображенным на рис. 2.15, могут быть очень полезными для изучения расположения молекул и обнаружения дефектов в мономолекулярных слоях. Большая часть электронного спектра брома образца (б), включая некоторые оже-переходы, показана на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Электронный спектр образца (б) (на рис. 14). В спектре представлены линии фотоэлектронов и оже-линии брома

Итак, ЭСХА — это метод изучения поверхности в том смысле, что дает информацию об атомной и молекулярной структуре до глубин порядка 100 . Применимость метода ЭСХА не ограничена слоями толщиной несколько ангстрем, как, например, применимость метода дифракции медленных электронов; тем не менее, с помощью ЭСХА можно получить информацию даже о моноатомном поверхностном слое. Эти возможности ЭСХА, очевидно, представляют особый интерес для физики и химии поверхностей. Попытки использовать спектры рентгеновских фотоэлектронов для изучения образования пленок, о которых сообщалось Стейнхардтом и Серфассом, дали вначале мало информации, поскольку разрешение при этом было недостаточным для того, чтобы получить истинный линейчатый спектр. О подобных исследованиях также сообщал Хенке.