اسپكتروسكوپي الكترون اوژه يك روش آناليز استاندارد در فيزيك سطح و فصل مشتركهاست. در سادهترين استفاده از آن تميز بودن سطح نمونة مورد مطالعه در شرايط خلاء فوق بالا قابل بررسي است. خلاء فوق بالا از اين جهت ضرورت دارد كه الكترونها در محيط آزمايش با ذرات كمتري برخورد داشته باشند و علاوه بر اين آلودگيهاي محيط كمتر جذب سطح مورد مطالعه شوند. ساير زمينههاي مهم استفاده از اين روش دربرگيرنده مطالعه روند رشد لايه و تركيب شيميايي سطح (تحليل الكتروني) و همچنين آناليز در راستاي عمق نمونه هستند. در مورد آخر لازم است هر مرحله اسپكتروسكوپي الكترون اوژه با اسپاترنيگ متوالي نمونه همراه شود.
متن مقاله:
اسپكتروسكوپي الكترون اوژه(1) يك روش آناليز استاندارد در فيزيك سطح و فصل مشتركهاست. در سادهترين استفاده از آن تميز بودن سطح نمونة مورد مطالعه در شرايط خلاء فوق بالا(2) قابل بررسي است. خلاء فوق بالا از اين جهت ضرورت دارد كه الكترونها در محيط آزمايش با ذرات كمتري برخورد داشته باشند و علاوه بر اين آلودگيهاي محيط كمتر جذب سطح مورد مطالعه شوند. ساير زمينههاي مهم استفاده از اين روش دربرگيرندة مطالعة روند رشد لايه و تركيب شيميايي سطح (تحليل الكتروني) و همچنين آناليز در راستاي عمق نمونه هستند. در مورد آخر لازم است هر مرحله اسپكتروسكوپي الكترون اوژه با اسپاترنيگ متوالي نمونه همراه شود.
AES يك اسپكتروسكوپي تراز هستهاي الكترونهاست كه در آن فرايند تحريك الكترونها توسط باريكهاي از الكترونهاي فرودي كه از يك تفنگ الكتروني بيرون ميآيند انجام ميشود. در نتيجة فرايند اوژه الكترونهاي ثانويهاي با توزيع انرژي نسبتاً تيز بدست ميآيند. اين الكترونهاي ثانويه از لحاظ انرژي توسط تحليلگرهاي استانداردي آشكارسازي ميشوند. يكي از اين تحليلگرها، تحليلگر آينهاي استوانهاي(3) است كه در اكثر موارد به كار ميرود. به دليل محدوديت درعمق فرار الكترونهاي اوژه، اين روش، يك روش آناليز حساس به سطح است. به عنوان مثال مشاهدة الكترون اوژهاي با انرژي 1000eV به معني مشاهدة عمقي به طول 15A است. نمودار جهاني طول پويش آزاد ميانگين ( عمق فرار) الكترونها بر
شكل(1)نمودار جهاني طول پويش آزاد ميانگين ( عمق فرار) الكترونها
حسب انرژي در شكل(1) نشان داده شده است. در حالت كلي توسط AES عمقي در حدود10-30 A را مطالعه كرد. اصول فرايند اوژه در شكل (2) نشان داده شده است. باريكه الكترون فرودي اوليه كه انرژي بين2-5keV (دو تا 5 kev ) دارد با يونيزاسيون تراز هستهاي (k ياL) و بيرون انداختن يك الكترون، يك حفره در آن تراز ايجاد ميكند. الكترون فرودي و الكترون تراز هستهاي اتم را با انرژي نامعلومي ترك ميكنند. در نتيجه ساختار الكتروني اتم يونيزه شده بازآرايي ميشود و در اين بازآرايي يك الكترون از ترازهايي با انرژي بالاتر اين حفره را پر ميكند. اين گذار با مقداري انرژي همراه است كه ميتواند به دو صورت پديدار شود. يا يك فوتون X تابش كند يا اينكه به صورت انرژي جنبشي به يكي از الكترونها انتقال يايد. اين الكترون ميتواند در همان تراز انرژي يا تراز انرژي بالاتري باشد. در نتيجه اين الكترون انرژي كاملاً مشخصي موسوم به انرژي اوژه دارد. از آنجا كه انرژي الكترون خروجي مستقيماً به اختلاف
شكل(2) فرايند يونيزاسون تراز هسته اي اتم و بازآريي مجدد اتم كه منجر به توليد پرتو-X يا الكترون اوژه مي شود.
ترازهاي انرژي هستهاي اتم بستگي دارد به اندازهگيري انرژي اين الكترون براي مشخص كردن نوع اتم به كار ميرود. انرژي الكترون اوژه به صورت زير مشخص ميشود:
كه در آن حفرة اوليه در تراز K ايجاد ميشود، يك الكترون از تراز L1 اين حفره را پرميكند و الكترون تراز L2 ( دو اندیس هست ) به صورت الكترون اوژه از سطح خارج ميشود. در فرايند اوژه همواره دو حفره نهايي بر جاي ميمانند، وقتي اتم در يك جامد قرار داشته باشد، اين دو حفره ميتوانند در نوار ظرفيت باقي ايجاد شوند.
در حالت كلي بيشترين شدت كه در فرايند اوژه مشاهده ميشود مربوط به وضعيتي است كه دو حفره نهايي در ناحيهاي با بيشتري چگالي حالت در نوار ظرفيت بوجود آمده باشند.
براي هر عنصري با عدد اتمي خاص يكي از گذارهاي اوژه با بيشترين احتمال به وقوع ميپيوندد يا به عبارتي بيشترين شدت خروجي را دارد. بر همين اساس در اين روش هر عنصر يك انرژي اوژة اصلي و انرژيهاي اوژه فرعي دارد كه همگي مانند اثر انگشت به شناسايي اتم كمك ميكنند. در شكل (3) انرژيهاي اصلي اوژه برحسب عدد اتمي مشخص شدهاند. نقاط پررنگ انرژيهايي با بيشترين احتمال هستند.
شكل(3)انرژيهاي اصلي اوژه برحسب عدد اتمي
تجهيزات استاندارد اسپكتروسكوپي الكترون اوژه به طور شماتيك در شكل (4) نشان داده شدهاند. اين سيستم شامل يك تفنگ الكتروني ميشود كه باريكه الكتروني با انرژي 2-5keV ( دو الی پنج ) را توليد ميكند. يك تحليلگر آينهاي استوانهاي براي مشخص كردن انرژي الكترونهاي و تعداد آنها ( که معرف غلظت عنصر مورد نظر است) به كار ميرود. اين تفنگ الكتروني معمولاً به صورت هممحور با CMA نصب ميشود. الكترونهاي ثانويه يك زمينة نسبتاً بزرگ دارند و الكترونهاي اوژه به صورت قلههاي نهچندان بزرگي روي اين طيف زمينه قرار دارند. يك چنين طيفي در شكل(5) نشان داده شده است براي بارزتر شدن وجود
شكل(4) شماتيك يك سيستم اسپكتروسكوپي الكترون اوژه با تحليل گر . CMA
شکل(5) زمينه الکترونهاي ثانويه و قله هاي اوژه که روي اين زمينه قرار دارند
آنها معمولاً از مد مشتق استفاده ميشود. مطابق شكل الكترونهاي ثانويه توسط ميدان قوي بين دو استوانة هممحور در CMA به سمت آشكارساز هدايت ميشوند. به كمك يك تبديلكننده قفلي تعداد الكترونها در واحد انرژي يا به عبارتي dn/de الكترونها مشخص ميشود. براي اين كار يك ولتاژ سينوسي
به صورت با ولتاژ قوي بين دو استوانه جفت شده و در خروجي CMA تبديل كنندة قفلي فركانس ω را تشخيص داده و دامنه آن كه همان مشتق جريان نسبت به ولتاژ است را معلوم ميكند. رابطة آن به صورت زير است:
di/dv
معرف مشتق جريان نسبت به ولتاژ يا به عبارتي معرف تعداد الكترونها خروجي بر حسب انرژي است. با رسمdi/dv يا dn/de طيفي بدست ميآيد كه قلههاي مشخصي روي آن قرار دارند. مكان اين قلهها نوع اتم و شدت قله تا قلة آنها غلظت نسبي عنصر در سطح را معلوم ميكند.
در شكل (6) يك طيف مستقيم و يك طيف مشتق نشان داده شدهاند. همان طور كه مشاهده ميشود هر عنصر ميتواند بيش از يك قله داشته باشد كه هر كدام مربوط به يك گذار خاص هستند.
شكل(6)(a) طيف مستقيم شدت الكترونهاي اوژه. (b) طيف مشتق شدت الكترونهاي اوژه.
تحليل طيف الکترونهاي اوژه:
يک طيف الکترون اوژه اطلاعات متنوعي در مورد سطح لايه مورد مطالعه به دست مي دهد. اما اولين اطلاعاتي که مي توان به دست آورد نوع عنصر و غلظت نسبي آن عنصر است که به اين منظور موقعيت قله اصلي ( قله مربوط به محتمل ترين گذار الکترون اوژه) و همچنين قله هاي فرعي آن عنصر را بايد شناسايي کرد و سپس فاصله قله تا قله پيک اصلي را در رابطه زير به کار برد در اين صورت غلظت نسبي اين عنصر در سطح لايه ( عمق شناسايي اوژه) به دست مي آيد
که در آن IA ( اندیس a ) فاصله قله تا قله هر عنصر مورد نظر است و i اندیس a به توان بینهایت ضريب حساسيت آن عنصر و همچنين جمع در مخرج کسر روي تمام عناصر موجود در طيف صورت مي پذيرد. ضرايب حساسيت به نوع عنصر و نيز به انرژي الکترونهاي فرودي بستگي دارد. معمولاً براي انرژيهاي 3,5,10 keVوجود دارند. در شکل(7) اين ضرايب براي 3KeV نشان داده شده اند
شکل(7) ضرايب حساسيت اوژه براي انرژي فرودي 3KeV
به منظور انجام تحليل عمق(4) نمونهها، ميتوان يك تفنگ يوني اسپاتركننده در مجاورت CMA نصب كرد و به اين ترتيب همزمان با اسپاترنيگ از سطح آناليز اوژه نيز به عمل آيد. با ثبت فاصله قله تا قله پيك هر عنصر بر حسب زمان ( يا تبديل زمان اسپاترينگ به عمق نمونه با در دست داشتن سرعت اسپاترينگ) رفتار هر عنصر بر حسب عمق مشخص مي شود. يك چنين طيفي براي ITO/Si در شكل(8) نشان داده شده است. از اسپكتروسكوپي الكترون اوژه ميتوان الگوي توزيع اتمها در سطح را به صورت يك تصوير نيز مشخص كرد. براي اين منظور باريكة فرودي در مراحل مختلفي سطح
شكل(8) يك طيف تحليل عمقي اوژه از ITO/Si بر حسب زمان لايه نشاني.
نمونه را جاروب ميكند و در هر مرحله نقطة خاصي را از لحاظ نوع و غلظت عنصر مشخص ميكند. نمونههاي از يك چنين تصويري در شكل (9) نشان داده شدهاند. سيماي كلي يك سيستم UHV كه به اسپكتروسكوپي اوژه مجهز است در شكل(10) نشان داده شده است.
شكل(9) (بالا) تصوير SEM و نقاط تحليل اوژه (پايين) تصويربرداري اوژه از تركيب Cu-Ag-Sn-Bi
شكل(10) سيماي كلي يك سيستم UHV مجهز به اسپكتروسكوپي اوژه
1 - Auegr Electron Spectroscopy (AES).
2- Ultra High Vacuum (UHV).
3- Cylindrical Mirror Analoyler (CMA).
4 - depth profiling