Szilárdtestfelületek analízise Auger elektron spektroszkópiával

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_W,X,Y(Z) energiája nemcsak az elektronhéjak E_W, E_x és E_Y 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_W, E_x és E_Y 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_ki) 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:

 

$\[E_{WXY}(Z) =E_W(Z) - E_X(Z) - E_Y(Z + d) - E_{ki}\]$

(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:

 

$\[\Delta E = E_W - E_X - E_Y - \left (E_W + \Delta W - E_X - \Delta X - E_Y - \Delta Y \right )= \Delta W + \Delta X + \Delta Y\]$

(2)

ahol a $\setbox0\hbox{$\Delta W$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, $\setbox0\hbox{$\Delta X$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ és $\setbox0\hbox{$\Delta Y$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ 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 $\setbox0\hbox{$\Delta \Omega$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ térszögú akceptancia (fogadó) nyílással rendelkező AES berendezés által detektált Auger elektronáram $\setbox0\hbox{$I_i(WXY)$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$. Ekkor első közelítésben:

 

$\[I_i(WXY) = \frac{\Delta \Omega}{4\pi} \int\limits_0^{\infty}\]$

(3)