电子能量损失谱（EELS）在单硅化铁（FeSi）材料特性分析中的应用

窄间隙半导体单硅化铁(FeSi)在近红外区域的光源或探测器的制造方面具有广阔的前景。人们对FeSi的基本磁性、热学和电学性质以及金属介电跃迁的特殊特征的研究表现出了兴趣。从基本观点来看，硅化FeSi是一种研究不够充分的几乎磁性半导体，具有独特的磁性、热学和电学性质，以及研究硬费米子系统中金属-介电跃迁的特殊特征。对不同组成的硅化铁和单硅化铁的研究，特别是用电子能谱的方法，给出了明确的结果，有时甚至是相互矛盾的结果^[1]。Fe/Si体系的元素分析最常用的方法是电子能谱，包括俄歇电子能谱(AES)、x射线光电子能谱(XPS)和反射电子能量损失能谱(REELS)。层状硅铁结构的定量元素分析需要考虑硅化物的形成。硅化铁的组成是通过上述方法从光电子、特征峰和俄歇峰的能量来确定的，对于不同组成的硅化铁来说，它们的差异是几个电子伏特的分数，这阻碍了Fe/Si体系的元素分析。用于分析被测材料的REEL光谱的主要参数是特征峰的能量，主要是体等离子体的能量。

图1. 硅化FeSi和初等铁的2fe谱线的XPS谱 ^[1]

用离子刻蚀法测定了表面清洗后单硅化铁的光电子2p Fe和2p Si谱线以及金属铁的2p Fe谱线的结合能。利用能量为1253.6 eV的MgKα辐射获得了x射线光电子能谱。在全景光谱中，采用Shirley法减去噪声背景后的元素灵敏度系数法测定了Si和Fe原子浓度。铁与硅原子浓度之比为0.45:0.55，接近合金初始混合物的组成。2p3/ 2fe双态线和2p1/ 2fe单硅化铁线的结合能分别为706.9和720.0 eV。这些值与金属铁(707.0 eV和720.1 eV)几乎相同(图1)。

在弹性峰下150 eV的区域，步进0.1 eV得到了积分形式的实验反射电子能量损失谱(图2)。初级电子能分别为300、600、1200、1900和3000 eV。在整体REEL光谱中分辨出三个能量峰:能量为(21.0±0.1)eV的强峰和能量为(42.6±0.6)eV的弱峰分别对应于单硅化铁中单(ħωp)和双(2ħωp)体等离子体激元的激发，以及能量为(55.9±0.7)eV的单电子跃迁M₂₃的峰。损失峰的能量几乎与初级电子能量无关;它们在所有E₀上的平均值如图所示。总之，FeSi的2p Fe光电子线的结合能与纯铁的结合能略有不同，这阻碍了从化学位移中识别单硅化铁。

图2. FeSi的REEL ^[1]

[1] Parshin, A. S.; Igumenov, A. Yu.; Mikhlin, Yu. L.; Pchelyakov, O. P.; Zhigalov, V. S. (2017). Reflection Electron Energy Loss Spectroscopy of Iron Monosilicide. Russian Physics Journal, 59(10), 1610–1615.

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