Угловые распределения фотоэлектронов вблизи порогов ионизации внутренних электронных оболочек молекул и твердых тел тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Фоминых, Наталья Георгиевна

• Фоминых, Наталья Георгиевна
• кандидат физико-математических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Фоминых, Наталья Георгиевна

ВВЕДЕНИЕ И ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТА

УГЛОВОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРОНОВ

§1. Волновая функция фотоэлектрона.

§2.Взаимодействие фотона с атомом, диполъное приближение, матричные элементы фотоионизации.

§3. Фотоионизация молекул.

§4. Дифракция электронов в твердом теле.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ КВАЗИАТОМНОЙ МОДЕЛИ К РАСЧЕТУ

УГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ ФОТОЭЛЕКТРОНОВ

§}. Основные положения и приближения.

§2. Метод фазовых функций в квазиатомной модели

§3. Спектральные особенности фотопоглощения и фотоионизации многоатомных систем в квазиатомной модели.

§4. Учет анизотропии потенциала окружения.

55. Модельный потенциал окружения.

ГЛАВА 3. УГЛОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МЕДЛЕННЫХ

ФОТОЭЛЕКТРОНОВ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ.

§1. Общая характеристика электронной дифракции в квазиатомной модели.

§2. Построение решеточных гармоник.

5. Моделирование дифракции медленных фото- и Оже-электронов.

ГЛАВА 4. УГЛОВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРОНОВ ВБЛИЗИ К-ПОРОГОВ ИОНИЗАЦИИ ОРИЕНТИРОВАННЫХ

ЛИНЕЙНЫХ МОЛЕКУЛ.

§1. Симметрия задачи.

§2. ]я—>£(т, 1и—>£7г угловые распределения фотоэлектронов вблизи порогов ионизации молекул СО 2 и СО.

2.1. Параллельные переходы в молекуле СО2

2.2. Перпендикулярные переходы в .молекуле СОз

2.3. Роль параметров модельного потенциала в образовании

ЛОР и извлечение информации из экспериментальных АОР.

2.4. Параллельные переходы при ионизации /.v оболочек атомов С и О в молекуле СО.

ГЛАВА 5. УГЛОВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОТОИОНОВ

ПРИ ИОНИЗАЦИИ ЛИНЕЙНЫХ МОЛЕКУЛ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Угловые распределения фотоэлектронов вблизи порогов ионизации внутренних электронных оболочек молекул и твердых тел»

Значительный прогресс, достигнутый в последние годы в экспериментальных методах исследования взаимодействия синхротронного излучения с веществом [14-19], сделал возможным изучение не только спектральных, но и угловых характеристик фотоионизации многоатомных систем. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют, что дифференциальное сечение фотоионизации очень чувствительно к электронной структуре исследуемого объекта в области низких кинетических энергий фотоэлектронов (Е^ЮОеУ). Вместе с тем, угловые характеристики процессов с участием электронов малых энергий, потенциально обладающие большой информативностью, трудно описывать теоретически в силу того, что приходится отказываться от целого ряда приближений, оправданных при рассмотрении рассеяния электронов с большими энергиями. Поэтому разработка и внедрение новых моделей и методик расчетов угловых распределений медленных фотоэлектронов, эмиттируемых из поверхности твердого тела и при фотоионизации молекул, были и остаются актуальными.

Основная цель работы заключается в исследовании угловой зависимости эмиссии фотоэлектронов из кристаллов и фиксированных в пространстве простых линейных молекул.

Конкретными задачами данной работы были:

1. разработка на основе квазиатомной модели методов расчета картин углового распределения (ADP - Angular Distribution Pattern) фотоэлектронов вблизи порогов ионизации остовных электронных оболочек линейных молекул и кристаллов, создание комплекса программ расчета ADP на основе разработанного метода;

2. применение разработанного метода к расчету фотоэлектронной эмиссии из кристаллов кубической симметрии и фотоэлектронных и фотоионных ADP линейных молекул СО, С02 в окрестности резонансов формы;

3. сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными, проведение анализа формирования угловых распределений фотоэлектронов и их взаимосвязи с электронной структурой изучаемых объектов.

Научная новизна диссертационной работы заключается в использовании квазиатомной модели и приближений для расчета угловых характеристик фотоионизации остовных оболочек как молекул, так и твердых тел. Показана важность учета начального орбитального момента и многократного рассеяния фотоэлектронной волны в анизотропном потенциале решетки для описания дифракции медленных фотоэлектронов в кристаллах. Проанализированы и впервые объяснены некоторые аномальные особенности экспериментальных угловых зависимостей фотоионизации, возникающие в области резонансов формы молекулы СО2. На основе сравнения результатов расчетов и эксперимента высказано предположение о понижения симметрии фотоэлектронных АОР при ионизации К-оболочки атома кислорода в молекуле СО2 по сравнению с симметрией основного состояния этой молекулы. Предложен способ вычисления фотоионных угловых распределений и установлена их аналитическая взаимосвязь с фотоэлектронными АОР.

Научная и практическая ценность. Полученные в работе результаты имеют непосредственное научное и практическое значение для описания угловых характеристик фотоэффекта в многоатомных соединениях. Использование результатов работы может быть полезно при развитии методов решения обратной задачи в электронной дифракции и для обработки экспериментальных данных по фотоэлектронным-фотоионным совпадениям. Практическую ценность имеет комплекс компьютерных программ, позволяющий рассчитывать методом фазовых функций рассеяние электронной волны на анизотропном потенциале.

Основные научные положения выносимые на защиту:

1. Применимость квазиатомной модели для расчета и интерпретации угловых распределений фотоэлектронов вблизи порогов ионизации остовных электронных оболочек атомов в молекулах и твердых телах.

2. Методика расчета дифракционных картин медленных фото- и Оже-электронов в кристаллах кубической симметрии.

3. Интерпретация угловых зависимостей фотоэлектронного тока вблизи К-порогов ионизации молекул СО2 и СО в окрестности молекулярных резонансов формы.

4. Методика взаимного сопоставления угловых фотоэлекгронных и фотоионных картин, получаемых в экспериментах по электронно-ионным совпадениям.

Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 12-ти работах, выполненных в соавторстве.

Апробация работы: Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: УЦУ-ХИ (Сан-Франциско, США, 1998), 2-ом Германо-Российском Симпозиуме по электронной и рентгеновской спектроскопии (Берлин, Германия, 1997), 2-ом Русско-немецком Семинаре по Использованию синхротронного излучения в атомной и молекулярной физике (Санкт-Петербург, 1997), "УиУ-ХТ " (Токио, Япония, 1995), , а также на Всероссийской школе-семинаре "Рентгеновская спектроскопия и химическая связь" (Екатеринбург, 1997).

Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения и списка цитированной литературы из 93 наименований. Она изложена на 131 странице машинописного текста, содержит 34 рисунка и 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Фоминых, Наталья Георгиевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем основные результаты и выводы диссертации.

1. Показана применимость квазиатомной модели для расчета и интерпретации угловых распределений фотоэлектронов вблизи порогов ионизации остовных электронных оболочек атомов в молекулах и твердых телах.

2. В рамках квазиатомной модели разработана методика расчета дифракционных картин медленных фото- и Оже-электронов в кристаллах кубической симметрии, учитывающая анизотропию волны-источника и ее многократное рассеяние на кристаллическом потенциале.

3. Показано, что в области низких кинетических энергий распределение дифракционной интенсивности может быть адекватно описано в терминах смешивания симметризованных решеточных гармоник, не задаваясь набором плотноупакованных цепочек в решетке кристалла.

4. Воспроизведение угловых распределений фотоэлектронов в окрестности резонансов формы линейных молекул удается проводить, моделируя потенциал окружения ионизованного атома анизотропным потенциальным барьером, при котором возможно образование квазистационарных состояний.

5. Проведено моделирование, интерпретация и сравнение угловых распределений фотоэлектронов, эмиттируемых в 018->сст, гк и С1з-»еа, втс переходах в молекуле С02 и СО в окрестности молекулярных резонансов формы.

6. На основе сравнения результатов расчетов и эксперимента высказано предположение о понижения симметрии фотоэлектронных распределений при ионизации К-оболочки атома кислорода в молекуле СО2 по сравнению с симметрией основного состояния этой молекулы. В свете этого предположения удается объяснить резонансную ориентацию тока фотоэлектронов.

7. Установлена аналитическая взаимосвязь фотоэлектронных и фотоионных угловых распределений, позволяющая теоретически рассчитывать фотоионные ЗБ-картины.

Мне очень приятно поблагодарить научного руководителя А.А. Павлычева за постоянное внимание к моей работе и стимулирующие дискуссии при обсуждении идей и результатов. Я глубоко признательна А.С.Шулакову, А.С.Виноградову, всем сотрудникам рентгеновской лаборатории за большую помощь, ценные замечания и доброжелательное отношение, а также И.В.Абаренкову за исключительно полезные консультации. Кроме того, я хотела бы поблагодарить коллег по совместной работе -Е.ИиЫ, АУа^кйа, Е^Ь^егпаза, М.\Уа1алаЬе, О.Оерпег, и.Вескег.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Фоминых, Наталья Георгиевна, 1998 год

1. Блохин MA. Методы рентгеноспектральных исследований. М.: Физматгиз. 1956.

2. Баринский Р.Л., Нефедов В.И. Рентгеноспектральное определения заряда атомов в молекулах. М.: Наука, 1966.

3. Немоппсаленко В.В. Рентгеновская эмиссионная спектроскопия металлов и сплавов. Киев: Наукова думка. 1972.

4. Мазалов Л.Н., Юматов В.Д. и др. Рентгеновские спектры молекул. Новосибирск: Наука. 1977.

5. Зигбан К., Нордлинг К. и др. Электронная спектроскопия (перевод под редакцией проф.Боровского И.Б.). М.: Мир. 1973.

6. Немоппсаленко В.В., Алешин В.Г. Электронная спектроскопия кристаллов. Киев: Наукова думка. 1976.

7. Нефедов В.И., Вовна В.И. Электронная структура химических соединений. М.: Наука. 1987.

8. Слейтер Дж. Методы самосогласованного поля для молекул и твердых тел. М.: Мир, 1978.

9. Амусья М.Я. "Атомный фотоэффект" М.: Наука. 1987.

10. Демехин В.Ф., Сухоруков В.Л., Явна В.А. и др. Влияние конфигурационного взаимодействия на структуру рентгеновских спектров. Изв.АН СССР, сер.физ. 1976. Т.40, N2.

11. Павлычев A.A., Виноградов A.C., Потапов С.С. Особенности механизма формирования тонкой структуры рентгеновских спектров поглощения неметаллов. Физика тв. тела. т.30. с.3683-3690, 1988.

12. Pavlychev A.A., Hallmeier К.Н., Hennig С., et. al. Nitrogen K-shell excitations in complex molecule and polypyrrole. Chem. Phys. v.201, p.547-555,1995

13. Ведринский Р.В., Крайзман В.Л., Новакович А.А., Тетерин Ю.А. "Формирование особенностей в рентгеновских спектрах поглощения многоатомных систем. Случай произвольной симметрии." Препринт ИАЭ им.Курчатова, М.1980.

14. А.В.Головин, Оптика и спектроскопия, т.71, с.537, 1991.

15. Atomic and Molecular Photoionization. Edited by A.Yagishita, T.Sasaki. Proceedings of Oji International seminar on atomic and molecular photoionization. Universal Academy Press, Tokyo, Japan. 1995, p.69.

16. P.A.Heatherly, JAdachi, E.Shigemasa, and A.Yagishita, J.Phys.B 28, 2643 (1995)

17. F.Heiser, O.Gessner, J.Viefliaus, K.Wieliczek, R.Hentges, and U.Becker, Phys.Rev. Letters, v.79, 2435,1997.

18. Greber Т., Osterwalder J.,Huiner S., Schlapbach "Symmetry breaking in photon induced A1LVV Auger decays" Phys. Rev. В., V.45, № 8,1992

19. P.M. Len, C.S.Fadley, G.Materlik. Atomic Holography with Electrons and X-rays. Proceedings of 17-th Int.Conf. "X-ray and Inner-shell Processes" Hamburg, Sept. 1996, AIP Press, Woodburry, N.Y., p.253.

20. S.Hufner, "Photoelectron Spectroscopy. Principles and applications." Springer-Verlag, Berlin, 1995.

21. Ландау Л.Д. Лифшиц E.M. " Теоретическая физика: Квантовая механика. Нерелятивистская теория" М.: Наука. 1989.

22. Ландау Л.Д., Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. "Теоретическая физика: Квантовая электродинамика" М.: Наука. 1989.

23. Бете Г., Солпитер Э. " Квантовая механика атомов с одним и двумя электронами" М.: Физматгиз. 1960

24. Р.Пирсон "Правила симметрии в химических реакциях", М.: Мир, 1978.

25. B.Krassig, M.Jung, D.S. Gemmell at al. Nondipolar photoelectron angular distributions. Proceedings of 17-th Int.Conf. "X-ray and Inner-shell Processes" Hamburg, Sept. 1996, AIP Press, Woodburry, N.Y., p.659

26. Флайгер У. "Строение и динамика молекул" т. 1,2. М.:Мир. 1982.

27. Martin P.C., Measurements and Correlation Functions, G.& В. N.Y. 1968.

28. Хуанг К. "Статистическая механика" М.1966

29. Головин A.B., Кузнецов В.В., Черепков H.A. Новый метод наблюдения фотоионизации ориентированных молекул. Письма в ЖТФ, т. 16, вып. 10, с.4,1990.

30. Дмитриев И.С. "Электрон глазами химика" Л.: Химия, 1983

31. J.L.Dehmer, D.Dill Phys.Rev.Lett, v.35, p.213,1975.

32. J.N.Bardsley, F.Mandl, Resonant scattering of electrons by molecules. Rep.Prog.Phys. v.31 (2), p.471-531, 1968.

33. Нефедов В.И. Квазистационарные состояния в рентгеновских спектрах поглощения химических соединений. Журн. структурн. химии, т.П., с.292,1970.

34. A.F.Starace. Theory of atomic photoionization. Handbuch der Physik, Schpringer-Verlag, Berlin, p.40, p.101,1982.

35. D.E.Golden. "Resonances in electron atom and molecule scattering." Advances in atomic and molecular physics, v.14, p.55-78, Acad.Press.N. Y. 1978

36. F.A.Gianturco, M.Guidotti, U.Lamanna. J.Chem.Phys. v.57, p.840,1972.

37. J.Adachi, N.Kosugi, E.Shigemasa and A.Yagishita, Phys.Rev.Lett. v.74, p.359,1995.

38. N. Watanabe, J. Adachi, K. Soejima, E. Shigemasa, A.Yagishita, N.Fominykh, A.Pavlychev "Fixed-molecule 1 sofeU photoelectron angulardistributions as a probe of crg* and gu* shape resonances of C02", Phys. Rev. Lett. 78, p.4910, 1997.

39. W.L.Jorgensen, L.Salem. The Organic Chemists's Book of Orbitals. Acad.Press, N.Y., p.131,1973.

40. D.Dill. Fixed molecule photoelectron angular distribution. J.Chem.Phys. v.65, p. 1130, 1976.

41. G.B.Shaw, R.S.Berry, J.Chem. 56, 5808, 1972;

42. Y.Itikawa, J.Electr.Spectroscopy, 2, 125,1973.

43. Temkin A. "Relative partial wave theory of diatomic molecules" J. Chem Phys., V.l 9, №1, p. 161, 1963

44. A.Temkin, J.Chem.Phys. v. 39, p. 161,1963

45. S.E.Nielsen, R.S.Beny , Phys.Rev.A 4, 865,1971.

46. P.G.Burke, A.-L.Sinfailam J.Phys.B v.3, p.641, 1970

47. D.Dill, J.L.Dehmer. Electron-molecule scattering and molecular photoionization using the multiple-scattering method. J.Chem.Phys., v.61, p.692,1974

48. Займаы Дж. "Вычисление блоховских функций" М. 1973

49. D.Dili, J.L.Dehmer. Molecular effects on inner-shell photoabsorption. K-shell spectrum of N2. J.Chem.Phys., v.65, p.5327,1976

50. D.Dill, J.L.Dehmer, J.Siegel. Spectral variation of fixed-molecule photoelectron angular distributions. J.Chem.Phys., v.65, p.3158,1976.

51. J.V.Davenport, Phys.Rev.Lett. v.36, p.945, 1976

52. N.A.Cherepkov, V.V.Kuznetsov, Z.Phys. v.7, 271, 1987

53. J.J.Barton, M.A.Van-Hove, M.L.Xu Electron scattering by atomic chains: multiple-scattering effects. Phys.Rev.B, v.39, p.8275, 1989.

54. Greber Т., Osterwalder J.,D.Naumovic, A.Stuck, S.Hufner, L. Schlapbach "Auger election and photoelectron angular distributions from surfaces: importance of the electron source wave" Phys. Rev. Lett., v.69, № 13, 1992

55. Terminello L.J., Barton J.J 3-d Int. Conf. On the structure of surfaces , Milwaukee, 1990.

56. Terminello L.J., Barton J.J. "Photoelectron forward-scattering attenuation from Cu surface", Phys. Rev. B, V.47, № ll,p.6851,1993

57. Terminello L.J., Petersen B.L., Barton J.J. J.E1.Spectroscopy and Related Phenomena. V.75, p.229, 1995.

58. Naumovic D., Stuck A. Osterwalder J., Lee H., Tong S.Y., Phys.Rev.B, v.47, p. 10036, 1993.

59. Tonner B.P.,Zhi-Lan Han, harp G.R.,Saldin D.K. "Scattered-wave methodm of holographic-image reconstruction from forward-scattering diffraction patterns" Phys. Rev. B, V.43, № 18,p.l4423,1991;

60. Thevuthasan S., Ynzunza RX., Tober E.D.,Fadley C.S., Kaduwela A.P., Van Hove MA. "High energy photoelectron holography for an adsórbate test system" Phys. Rev. Lett., V.70, № 5, p.595, 1993;

61. Chen X., Saldin D.K. "Nonlinear holographic crystallography", Phys. Rev. B, V.50, № 23, p. 17463,1994;

62. А.А.Павлычев, И.С.Кондратьева, Физика твердого тела, 28, 837,1986.

63. А.А.Павлычев, А.С.Виноградов,. Оптика и спектроскопия. 62,329,1987.

64. А.А. Pavlychev, А. Валу, A.S. Vinogradov. Phys. Scripta. 44,399,1991

65. А.А.Павлычев, "Квазиатомная теория рентгеновских спектров поглощения и ионизации внутренних электронных оболочек многоатомных систем", докт. дисс., СПбГУ, 1994

66. Петрашень М.И., Абаренков И.В., Березин А.А., Эварестов Р.А. "Применение схемы Хартри-Фока для расчетов электронных центров в ионных кристаллах" Сборник статей "Проблемы теор. физики. Квантовая механика" Изд-во ЛГУ, Л., 1973

67. A.A.Pavlychev, N.G.Fominykh, Atomic and molecular effects on angular distributions of photoelectrons scattered from surfaces. J. Phys. Condenced Matter, v.8, p.2305-2316, 1996.

68. A.A. Павлычев, А.С.Виноградов, А.П. Степанов, А.С.Шулаков, Динамические эффекты формирования локализованных электронных состояний многоатомных систем в ультрамягкой рентгеновской области спектра. Опт. и спектроск. т.75. С.554-578., 1993

69. А.С. Виноградов "Резонансы формы в рентгеновские спектрах поглощения молекул и твердых тел" Докт. дисе. Л., ЛГУ, 1988.

70. Dehmer J.L. Evidence of effective potential barriers in the X-ray absorption spectra of molecules. J.Chem.Phys. v.56. p.4496-4504, 1972

71. Franke R., Bender S., Hormes J., et. al. A quasi-atomic treatment of chemical and structural effects on K-shell excitations in hexagonal and cubic BN crystals. Chem. Phys. v. 216, p.243-257, 1997.

72. E.Ruhl, C.Heinzel, A.P.Hitchcock, H.Baumgartel "Ar 2p spectroscopy of free Ar clusters" J.Chem.Phys. v.98, p.2653,1993.

73. Бабиков B.B. "Метод фазовых функций в квантовой механике" изд. 3-е М.: Наука, 1988;

74. Калоджеро Ф. "Метод фазовых функций в теории потенциального рассеяния" М.: Мир, 1972

75. Ведринский Р.В., Крайзман В.Л. ЖЭТФ, т.74, с.1215, 1978.

76. Хейне В., Коэн М., Уэйр Д. "Теория псевдопотенциала " М.: МирД973

77. Кацнельсон А.А., Ястребов Л.И. "Основы одноэлектронной теории твердого тела" М.: Наука. 1981.

78. Кацнельсон А.А., Ястребов Л.И. "Псевдопотенциальная теория кристаллических структур" Изд-во МГУ, М. 1981.

79. Абаренков И.В., Братцев В.Ф., Тулуб A.B. "Начала квантовой химии"

80. М. :Наука. 1989. ВО. Pendry J.B. J.Phys. С, v.l, p. 1065,1968.

81. Абаренков И.В., Братцев В.Ф. "Метод эффективного поля". Литовский физический сборник.т.З, с. 163, 1963

82. Scasz L., McGinn Atomic and molecular calculations with the pseudopotential method. Exact pseudopotential for Li, Na, K, Rb, Be+, Mg+, Ca+, AT, Cu and Zn+. J.Chem. Phys., v.47, p.3495,1967

83. S3. Нокс P., Голд А. "Симметрия в твердом теле" М.: Наука, 1970

84. Von der Lage F., Bethe G. Phys.Rev. v. 71, p.162, 1947

85. Кондратьева И.С. дисс. канд. физ.-мат. наук, ЛГУ, Л. 1989

86. Давыдов A.C. "Квантовая механика" М.: Физматгиз. 1963

87. А.Р. Hichcock, J. Electron Spectr. Relat. Phenom. v.25, p.245,1982

88. A. Yagishita, E. Shigemasa, J.Adachi, N. Kosugi. Proceeding of 10th Int. Conf. On Vacuum Ultra Violet Radiation Physics, p.201, 1993.

89. J.Adachi, N. Kosugi, E. Shigemasa, A. Yagishita, J. Phys. Chem., v. 100, p.19783,1996.

90. A.Kivimaki, B.Kempgens, K.Maier, H.M.Koppe, M.N.Piancastelli, M.Neeb, and A.Bradshaw, Phys. Rev. Lett. 79, 998 (1997)

91. E. Shigemasa, J.Adachi, K.Soejiraa, N.Watanabe, A. Yagishita, N.ACherepkov. Phys.Rev.Lett, v.80,1622-1625, 1998.

92. Зар P. "Теория углового момента" M.: Мир,1993.

93. Adams W.H. Orbital theory of electronic structure. J. Chem. Phys.Vol.37. P.2009-2018,1962.