Szilárdtestfelületek analízise Auger elektron spektroszkópiával forrásának megtekintése

<wlatex>

<!--[[Kategória:Mechanika]] 
<!--[[Kategória:Elektromosságtan]]-->
<!--[[Kategória:Hőtan]]-->
<!--[[Kategória:Kvantummechanika]]-->
<!--[[Kategória:Statisztikus fizika]]-->
<!--[[Kategória:Nanofizika]]-->
[[Kategória:Optika]]
<!--[[Kategória:Szilárdtestfizika]]-->
<!--[[Kategória:Mag és részecskefizika]]-->       
<!--[[Kategória:Informatika]]--> 
[[Kategória:Laborgyakorlat]]
<!--[Kategória:Fizika laboratórium 1.]]-->
<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 2.]]-->
<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 3.]]-->
<!--[[Kategória:Fizika laboratórium 4.]]-->
[[Kategória:Fizika laboratórium 5.]]
[[Kategória:Szerkesztő:Gáll]]
[[Kategória:Szerkesztő:Lenk]]

__TOC__

'''''Szerkesztés alatt!'''''

==Elméleti összefoglaló==
===Az AES módszer fizikai alapjai===
Pierre Auger francia fizikus röntgensugárzással gerjesztett argon atomok gerjesztési folyamatainak Wilson-féle ködkamrában történő tanulmányozása folyamán fedezte fel a róla elnevezett effektust 1925-ben. Ezt követően csak kb. 40 év után kezdődött el az AES módszer széleskörű gyakorlati felhasználása.

Napjainkban az AES módszert elsősorban szilárdtest felületek vizsgálatára alkalmazzák. Ennek folyamán a vizsgálandó felületet valamilyen primer gerjesztés hatásának tesszük ki, ami elsősorban 1-10 keV-os elektronnyalábbal való bombázást jelent, de elektromágneses sugárzás vagy ionnyaláb is lehet a gerjesztő hatás. Az ekkor végbemenő Auger-folyamatot az 1. ábrán szemléltetjük, és az alábbiak szerint értelmezzük.

Egy belső, például a K-héjon lévő elektront a primer részecske eltávolít az atomi kötelékből. Az így szabaddá váló energianívóra egy magasabb, például az L1 nívóról lép be egy elektron. A felszabaduló energiát például az L2 nívón lévő elektron veszi át, ami egy jól meghatározott, karakterisztikus energiával kilép a felületből. Ezt az elektront nevezzük KL1L2, vagy általánosabban KLL Auger-elektronnak. Itt jegyezzük meg, hogy a gyakorlat számára legfontosabb, nagy elektronhozammal rendelkező Auger-elektronok esetén az Auger-folyamatban résztvevő második, és harmadik elektronhéj egybeesik, így az anyagok zöménél a KLL, LMM Vagy MNN Auger-elektronok a (leggyakoribbak. (Az Auger-spektroszkópia fizikai alapjairól és alkalmazási területeiről ad áttekintést az /1/, /2/, /3/ szakirodalom.)

A K-héjon lévő megüresedett hely jelenléte esetén az L-héjon tartózkodó elektron energiaviszonyai hasonlóak azokhoz, melyekkel a hidrogénszerű ionokban lévő L-elektronok rendelkeznek. A finomstruktúrát most nem számítva, a küIönbség annyi, hogy a +Ze töltés (Z a rendszám, "e" az elemi töltés), amely meghatározza azt az elektromos teret, melyben az L-héjból a K-héjba átmenő elektron van, a mag +Ze valódi töltésénél a mag töltését leárnyékoló elektron töltésével kisebb. Természetesen a pontosabb leírásnál figyelembe kell azt is venni, hogy energetikailag három különböző L-állapot lehetséges.
A továbbiakban tekintsük át röviden egy, az atomból emittálódó Auger-elektron energiáját meghatározó tényezőket.
Egy tetszőleges, W X, és Y elektronhéjak által megvalósított Auger folyamatban keletkező Auger-elektron E<sub>W,X,Y</sub>(Z) energiája nemcsak az elektronhéjak E<sub>W</sub>, E<sub>x</sub> és E<sub>Y</sub> ionizációs energiáitól, illetve az illető elem Z rendszámától függ. Ezt az energiaértéket több tényező is befolyásolja, melyek közül a három legfontosabb a következő:
* Az E<sub>W</sub>, E<sub>x</sub> és E<sub>Y</sub> értékek általában az egyszeresen ionizált állapothoz tartozó ionizációs energiák, míg az Auger-folyamatnál a végső állapot hétszeresen ionizált.
* A szilárdtesteknél az elektronnak a vákuumba való vitelekor az energiamérlegnél figyelembe kell venni az elektron kilépési munkáját (E<sub>ki</sub>) is.
* Az Auger-elektronok energiáját a mátrix-környezet is befolyásolja, vagyis az, hogy milyen elemekkel, vegyületekkel és milyen módon kötött az elektront emittáló atom.		

Az első két szempontot is figyelembe véve, az Auger-elektron energiája az alábbi félempirikus összefüggéssel adható meg:
{{eq|E_{WXY}(Z) {{=}}E_W(Z) - E_X(Z) - E_Y(Z + d) - E_{ki}|eq:1|(1)}}
ahol a d korrekciós tag értéke az anyagi minőségtől függően 1/2 és 3/4 közé esik. Az Auger-energiák értekei a 2. ábrán tálhatók.

A harmadik perturbáló hatást, az un. kémiai eltolódást (chemical shift) nehéz mennyiségileg pontosan meghatározni, mivel nagyságát 3 energiaszint változása is befolyásolja. Általában azt mondhatjuk, hogy egy WXY Auger-átmenetnél a kémiai  eltolódás nagysága:
{{eq|\Delta E {{=}} E_W - E_X - E_Y - \left (E_W + \Delta W - E_X - \Delta X - E_Y - \Delta Y \right ){{=}} \Delta W + \Delta X + \Delta Y|eq:2|(2)}}
ahol a $\Delta W$, $\Delta X$ és $\Delta Y$ a megfelelő W, X és Y elektronhéjak energiaeltolódósai, amelyeknek a mátrix- környezettől függő nagyságai nem egyenlőek. A helyzetet tovább komplikálja, ha az Auger-átmenetben a valencia-sáv is részt vesz.

A tanszéki Iaboratóriumban az AES méréseket egy un. SAM (Scanning Auger Microprobe) berendezésen végezzük. A SAM módszer az eddig tárgyalt AES módszertől elviekben nem különbözik, amennyiben a módszer alapja a SAM-nál is az emittált Auger-elektronok energiaanalízise, majd ez alapján a minta összetevőinek megállapítása. A különbség a két módszer között az, hagy a SAM-nál lehetőség van a primer elektronnyaláb pásztázására, és ezáltal egyrészt a vizsgálandó mintafelület topográfiai kepét lehet megjeleníteni, másrészt -és ez a fő előnye- a pásztázás révén mód van arra, hogy egyes kiválasztott elemeknek felvegyük és szükség esetén lefényképezzük a felületi eloszlás képét.
===Az emittált Auger elektron-áramot meghatározó tényezők===
Az előzőekben már láttuk, hogy a vizsgálandó mintafelületből a becsapódó primer elektronok karakterisztikus energiája Auger-elektronokat váltanak ki. Az alábbiakban ismertetjük az elektron hozamot meghatározó tényezőket. Legyen az i. elemben a WXY Auger-átmenetnél keletkező, és a $\Delta \Omega$ térszögú akceptancia (fogadó) nyílással rendelkező AES berendezés által detektált Auger elektronáram $I_i(WXY)$.
Ekkor első közelítésben:
{{eq|I_i(WXY) {{=}} \frac{\Delta \Omega}{4\pi} \int\limits_0^{\infty} I_p(z) \cdot P_i(WXY) \cdot \sigma_i(E_W) \cdot N(z) \cdot X_i(z) \cdot F \left ( \alpha \right ) \cdot T(E_{WXY}) \cdot D(E_{WXY}) \cdot \exp \left [\frac{-z}{\lambda_i \cos \alpha}\right] dz|eq:3|(3)}}
ahol

$I_p(z)$ a gerjesztő áramerőssége mélységben,

$P_i(WXY)$ annak a valószínűsége, hogy a gerjesztett atomnak a W-héj ionizációja után Auger-folyamat következik be,

$\sigma_i(E_W)$ a W-héj ionizációs hatáskeresztmetszete,

$N(z)$ a z mélységben lévő atomsűrűség,

$X_i(z)$ az i. elem z mélységben lévő koncentrációja (atomtörtben),

$F(cx)$ az $\alpha$ emissziós szögtől függő felületi érdességi faktor,

$T(E_{WXY})$ az elektron energia spektrométer válaszfüggvénye,

$D(E_{WXY})$ az elektron detektor transzmissziója,

$\lambda$ az i. elemből kilépő elektron közepes szabad úthossza.

Megjegyezzük, hogy a kémiai környezet hatását beleértettük az egyes paraméterek értékeibe, tehát például a $P_i(WXY)$ vagy $\lambda$ értéke ugyanarra az i. elemre is más érték, attól függően, hogy tiszta anyagból, vagy kémiailag kötött állapotban lévő anyagból származnak az Auger-elektronok. Ha figyelembe vesszük a szögeloszlást is, azaz  széles szögtartományban vizsgáljuk az Auger elektronhozamot, továbbá figyelembe vesszük azt, hogy a paraméterek egy része a gerjesztő primer energiától is függ, akkor a következő alakot nyerjük:
{{eq|I_i(WXY) {{=}} \frac{1}{4\pi} \int\limits_{\Omega} \int\limits_0^{\infty} \int\limits_0^{(E_p)}I_p(E,z)\left [ I\neq r_b(E)\right] P_i(WXY) \cdot \sigma_i(E_pE_W) \cdot N(z) \cdot X_i(z) \cdot F(\alpha) \cdot T(E_{WXY}) \cdot D(E_{WXY}) \cdot \exp \left[ \frac{-z}{\lambda_i(E_p) \cdot \cos \alpha}\right] \cdot dE \cdot dz \cdot d\Omega|eq:4|(4)}}

ahol r<sub>b</sub> a visszaszórási tényező. (A szakirodalomban szokásos az 1+r<sub>b</sub> értéket visszaszórási tényezőnek nevezni)

Általában elmondható, hogy a ([[#eq:4|4]])-ben szereplő tényezők a kísérleti körülményeknek és a mátrix-környezetnek bonyolult függvényei. Az I<sub>p</sub>-t alkotó primer elektronok energiájáról elmondható, hogy az Auger-elektronok szökési mélységén belül a primer energia csökkenése elhanyagolható.

===A SAM berendezés ismertetése===
A vizsgálandó minta felületének  gerjesztését fókuszált, mozgatható elektron nyalábbal végezzük, míg mintatisztítás, illetve mélységi elemeloszlás felvétel céljára ionnyalábbal való bombázásra is lehetőség van, amint  ez a SAM berendezés elvi felépítését bemutató  3. ábrán látható. A készülék konkrét  kezelésének bemutatatására a mérési feladatokat  ismertető részben, a 7. ábra alapján kerül sor.

Az elektronágyú tartalmazza a volfrámszálas elektronforrást, a gyorsító, a fókuszáló és az eltérítő elektródákat. Az elektronágyú-szabályozó egység gondoskodik a fókuszáláshoz és gyorsításhoz szükséges feszültségekről és a katód fűtéséről. A pásztázást-szabályozó egység biztosítja a fókuszált elektron-nyaláb eltérítését, valamint a TV, illetve display egységnek az eltérítéssel szinkronizált- feszültséggel való ellátását.

A mintából emittált Auger-elektronok energia szerinti szétválasztását az elektronágyú köré elhelyezett CMA (hengeres tükör analizátor) típusú energiaanalizátor végzi. Az ilyen fajta energiaanalizátor a vizsgálni kívánt E energia $\Delta E$ környezetébe eső energiájú elektronokat engedi át. A $\Delta E/E$ mennyiség az analizátor energia-felbontása, ami az alkalmazott konkrét berendezésnél állítható, és 0,3%, 0,6% valamint 1,2%  lehet. Az energiaanalizátor-szabályozó egység által szolgáltatott feszültség egy konkrét értékénél csak adott energiájú elektronok képesek a hengeres analizátor terét a szaggatott vonallal jelöIt pályán befutni.

A feszültség változtatásával tehát az elektronok  energia spektruma  vehető fel. Az energiájuk szerint megszűrt elektronok az elektronsokszorozóba kerülnek, majd jelerősítés után az Auger-spektroszkóp elektronikája dolgozza fel a továbbított elektromos jeleket differenciális üzemmódban. Az így előállított differenciális energiaspektrum írószerkezettel, vagy egyéb display egységgel jeleníthető meg.

A SAM berendezés a vizsgált minta felületének alapvetően ''kétfajta'' képét tudja előállítani. Az első fajta képpé a vizsgálatok elején a felületnek  a vizsgálatok szempontjából érdekesebb részeiről való előzetes tájékozódás céljából felvehető az un. mikrográf vagy  mikrodiagram, amely egy elektronmikroszkópos képre hasonlít, és a felület optikai képét adja. Ezt a képet vagy a szekunder elektronáramnak, vagy az elnyelt target-áramnak pontról-pontra történő regisztrálásával és megjelenítésével kaphatjuk meg. Az első esetben a képet röviden szekunder elektron-képnek, a második esetben abszorbeált áram-képnek  nevezzük.

A másik fajta képet, amely egy adott elem felületi eloszlását mutatja, Auger eloszlás-képnek nevezik. Ez úgy készül, hogy a kérdéses elem adott energiájú elektronjaitól származó "Auger"-jeleket folyamatosan regisztráljuk, miközben a minta felületét folyamatosan pásztázzuk a primer elektronnyalábbal.

Lehetőség van az elemek mélység szerinti eloszlásának nyomon követésére is, mégpedig oly módon, hogy a primer ionágyúval előállított  ionokkal bombázzuk a minta (target) felületét, amelyről folyamatosan porlódnak le az atomrétegek. Eközben a kiválasztott elemek Auger elektron intenzitásának folyamatos kijelzésével felvehető ezen elemek mélységi eloszlásgörbéje.

A SAM berendezés néhány fontosabb mérési paramétere a következő:
* primer elektron energia:5 keV, de egyébként 0,5-10 keV között változtatható,
* primer elektron áramerősség: általában néhány tized $\mu A$, de egyébként 2 $\mu A$-ig változtatható,
* primer elektron nyaláb átmérő: kb. $5 \mu m/10 keV$ és 10-7A értéknél), és kb. $10 \mu m$ 15 keV és 10<sup>-6</sup> A értéknél),
* laterális felbontóképesség: kb. 5 $\mu m$, közel azonos a primer elektron nyaláb legkisebb átmérőjével,
* energiafelbontóképesség: 0,3%, 0,6%, 1,2%  /állítható/,
* porlasztó ionenergia: 5 keV-ig változtatható,
* porlasztó ionáram: 10<sup>-9</sup> -10<sup>-6</sup> A között állítható,
* egyszerre behelyezhető minták száma: max.12 db,
* kifűthetőség: 250 °C-ig,
* sztatikus végvákuum: kb. $3\cdot 10^{-8} Pa$.
==Mérési feladatok==
===Ötvözet-minta összetételének meghatárzása===
A méréshez szükséges eszközök:
* acél-etalon minta (a mérés kezdetén már a vákuumkamra mintatartójára helyezve),
* SAM berendezés,
* Vákuummérő,
* Dewar-palack cseppfolyós nitrogénnel töltve.

Az előzőekben már láttuk, hogy az Auger-elektronok intenzitását számos mátrixfüggő és berendezésfüggő paraméter befolyásolhatja. Ezek közül sok paraméternek a hatásától eltekinthetünk, ha néhány egyszerűsítő körülménnyel és feltételezéssel élünk. Az első az, hogy az információs mélységen belül eltekintünk ugyanazon elem koncentrációbeli inhomogenitásaitól, tehát megelégszünk azzal, hogy a legfelső atomrétegek átlagos összetételét határozzuk meg. Ugyanakkor laterális vonatkozásban, a primer gerjesztő nyaláb keresztmetszetének megfelelő területen belül szintén eltekintünk a minta alkotóinak koncentrációbeli inhomogenitásaitól, tehát e tekintetben is csak átlagértéket határozunk meg. A következő egyszerűsítés az, hogy eltekintünk a felületi érdességi faktor szerepétől. Ezt azért vagyunk kénytelenek megtenni, mert a mérés (és a porlasztás) alatt egyszerűen nincs idő a minta egyedi felületi geometriai sajátságainak pontos feltérképezésére. Az ebből származó hibát úgy csökkentjük, hogy simára polírozott felületeket, vagy a gerjesztő elektronnyaláb alatt síknak tekinthető szemcsehatárokat vizsgálunk.

További egyszerűsítésre nyílik lehetőség, ha meggondoljuk, hogy a mátrixkörnyezet elsősorban az elemek legkülső elektronhéjainak energiaviszonyait befolyásolja, és a mélynívókra gyakorolt hatása sokkal kisebb jelentőségű, esetenként elhanyagolható. Így, ha a mennyiségi kiértékelésnél azokat az Auger elektronenergia csúcsokat használjuk fel, amelyeknek a kialakításában a mélynívók vesznek részi, akkor (hacsak nem kémiai vegyületet vizsgálunk) egy hasonló összetételű etalonmintával, vagy csak a vizsgált elemeket tartalmazó tiszta anyaggal történő összehasonlításnál az Auger-folyamat-keltés valószínűségében és az ionizációs hatáskeresztmetszetben fellépő változások elhanyagolhatóak.
Továbbá, ha a vizsgált minta-ötvözet a periódusos rendszerben közeli rendszámú fémes elemekből áll, amelyeknél az elektron közepes szabad úthossz és a visszaszórási tényező értékek közel azonosak, akkor a mennyiségi kiértékelésre néhány százalékos relatív hibával alkalmas az un. relatív érzékenységi tényezők módszere. Ennél a módszernél a minták összetételének meghatározására felhasználjuk az ugyanazon típusú berendezésen egy ezüst-etalon mintára normált érzékenységi faktorokat a különböző elemek esetén (S<sub>X</sub>). Ezek az értékek : 3 keV, 5 keV és 10 keV primer elektronenergiákra a 4., 5. és 6, ábrákról olvashatók le.

Ezután a vizsgált minta x. komponensének koncentrációját a következő összefüggéssel számolhatjuk atomszázalékban:
{{eq|{{C_x {{=}} \frac{I_x}{L_x \cdot E_{mx} \cdot I_{px} \cdot S_x} \bigg / \sum_{i=1}^n \frac {I_x}{L_x \cdot E_{mx} \cdot I_{px} \cdot S_x}} \cdot 100 }|eq:5|(5)}}
ahol
*I<sub>i</sub> az i. komponens csúcstól-csúcsig mért Auger-elektron intenzitása
*S<sub>i</sub> az i. elem relatív érzékenységi tényezője
*E<sub>mi</sub> az i. elemnél alkalmazott modulációs energia
*L<sub>i</sub> az i. elemnél alkalmazott erősítési tényező
*I<sub>pi</sub> az i. elemnél alkalmazott primer elektron áram
n a minta komponenseinek száma

Ha a mérések folyamán a SAM berendezés erősítési tényezőjét, modulációs energiáját és a primer elektron áramot nem változtatjuk (és a jelen esetben így fogunk eljárni), akkor ([[#eq:5|5]]) a következő egyszerűbb alakot ölti:
{{eq|C_x {{=}} \frac{I_x}{S_x} \Big / \sum_{I=1}^n\frac{I_x}{S_x} \cdot 100|eq:6|(6)}}