Elektronspektroskopie von Auger (AES; ausgesprochen in Französisch) ist eine allgemeine analytische Technik verwendet spezifisch in der Studie von Oberflächen und mehr allgemein im Gebiet der Material-Wissenschaft. Das Unterliegen der spektroskopischen Technik ist die Wirkung von Auger, wie es gekommen ist, um genannt zu werden, der auf der Analyse von energischen Elektronen basiert, die von einem aufgeregten Atom nach einer Reihe von inneren Entspannungsereignissen ausgestrahlt sind. Die Wirkung von Auger wurde unabhängig sowohl von Lise Meitner als auch von Pierre Auger in den 1920er Jahren entdeckt. Obwohl die Entdeckung von Meitner gemacht wurde und am Anfang in der Zeitschrift Zeitschrift für Physik 1922 gemeldet hat, wird Auger die Entdeckung im grössten Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft zugeschrieben. Bis zum Anfang der 1950er Jahre wurden Übergänge von Auger als Ärger-Effekten durch spectroscopists, betrachtet, viel relevante materielle Information nicht enthaltend, aber haben studiert, um Anomalien in Röntgenstrahl-Spektroskopie-Daten zu erklären. Seit 1953 jedoch ist AES eine praktische und aufrichtige Charakterisierungstechnik geworden, um chemisch und Compositional-Oberflächenumgebungen forschend einzudringen, und hat Anwendungen in der Metallurgie, gasphasigen Chemie, und überall in der Mikroelektronik-Industrie gefunden.

Elektronübergänge und die Erdbohrer-Wirkung

Die Erdbohrer-Wirkung ist ein elektronischer Prozess am Herzen von AES, der sich zwischen - und Intrazustandübergänge von Elektronen in einem aufgeregten Atom ergibt. Wenn ein Atom durch einen Außenmechanismus, wie ein Foton oder ein Balken von Elektronen mit Energien im Rahmen 2 keV zu 50 keV untersucht wird, kann ein Kernzustandelektron entfernt werden, ein Loch zurücklassend. Da das ein nicht stabiler Staat ist, kann das Kernloch durch ein Außenschale-Elektron gefüllt werden, wodurch das Elektron, das sich zum niedrigeren Energieniveau bewegt, einen Betrag der Energie verliert, die dem Unterschied in Augenhöhlenenergien gleich ist. Die Übergang-Energie kann mit einem zweiten Außenschale-Elektron verbunden werden, das vom Atom ausgestrahlt wird, wenn die übertragene Energie größer ist als die Augenhöhlenbindungsenergie. Ein ausgestrahltes Elektron wird eine kinetische Energie haben:

wo beziehungsweise das Kernniveau, zuerst Außenschale und die zweiten Außenschale-Elektronenergien sind, die vom Vakuumniveau gemessen sind. Der Apostroph (Tick) zeigt eine geringe Modifizierung zur Bindungsenergie der Außenschale-Elektronen wegen der ionisierten Natur des Atoms an; häufig jedoch wird diese Energiemodifizierung ignoriert, um Berechnungen zu erleichtern. Da Augenhöhlenenergien zu einem Atom eines spezifischen Elements einzigartig sind, kann die Analyse der vertriebenen Elektronen Information über die chemische Zusammensetzung einer Oberfläche nachgeben. Abbildung 1 illustriert zwei schematische Ansichten vom Erdbohrer-Prozess.

Die Typen von Staat-zu-Staat-Übergängen, die für Elektronen während eines Erdbohrer-Ereignisses verfügbar sind, sind von mehreren Faktoren im Intervall von der anfänglichen Erregungsenergie zu Verhältniswechselwirkungsraten abhängig, noch werden häufig durch einige charakteristische Übergänge beherrscht. Wegen der Wechselwirkung zwischen einer Drehung eines Elektrons und winkeligem Augenhöhlenschwung (Drehungsbahn-Kopplung) und das begleitende Energieniveau, das sich für verschiedene Schalen in einem Atom aufspaltet, gibt es eine Vielfalt von Übergang-Pfaden, für ein Kernloch zu füllen. Energieniveaus werden mit mehreren verschiedenen Schemas wie die j-j Kopplungsmethode für schwere Elemente (Z  75), der Russell-Saunders L-S Methode für leichtere Elemente etikettiert (Z Die j-j Kopplungsmethode, die mit der Röntgenstrahl-Notation historisch verbunden wird, wird fast immer verwendet, um Erdbohrer-Übergänge anzuzeigen. So für einen Übergang vertritt K das Kernniveau-Loch, den anfänglichen Staat des sich entspannenden Elektrons und den anfänglichen Energiestaat des ausgestrahlten Elektrons. Abbildung 1 (b) illustriert diesen Übergang mit der entsprechenden spektroskopischen Notation. Das Energieniveau des Kernloches wird häufig bestimmen, welche Übergang-Typen bevorzugt werden. Für einzelne Energieniveaus, d. h. K können Übergänge von den L Niveaus vorkommen, starke Typ-Spitzen KLL in einem Erdbohrer-Spektrum verursachend. Höhere Niveau-Übergänge können auch vorkommen, aber sind weniger wahrscheinlich. Für Mehrniveau-Schalen sind Übergänge von der höheren Energie orbitals (verschiedener n,  Quantenzahlen) oder Energieniveaus innerhalb derselben Schale (derselbe n, verschiedene  Zahl) verfügbar. Das Ergebnis ist Übergänge des Typs LMM und KLL zusammen mit schnelleren Übergängen des Straßenhändlers-Kronig wie LLM., während Übergänge des Straßenhändlers-Kronig schneller sind, sind sie auch weniger energisch und so härter, sich auf einem Erdbohrer-Spektrum niederzulassen. Als die Atomnummer Z Zunahmen, tut so auch die Zahl von potenziellen Erdbohrer-Übergängen. Glücklich sind die stärksten Elektronelektronwechselwirkungen zwischen Niveaus, die eng miteinander sind, charakteristische Spitzen in einem Erdbohrer-Spektrum verursachend. KLL und LMM-Spitzen sind einige der meistens identifizierten Übergänge während der Oberflächenanalyse. Schließlich können Wertigkeitsband-Elektronen auch Kernlöcher füllen oder während KVV-Typ-Übergänge ausgestrahlt werden.

Mehrere Modelle, sowohl phänomenologisch als auch analytisch, sind entwickelt worden, um den energetics von Erdbohrer-Übergängen zu beschreiben. Eine der lenksamsten Beschreibungen, gestellt hervor von Jenkins und Chung, schätzt die Energie des Erdbohrer-Übergang-Abc als:

sind die Bindungsenergien des Niveaus im Element der Atomnummer Z und sind die Energien derselben Niveaus im folgenden Element im Periodensystem. Während nützlich, in der Praxis gibt ein strengeres Modell, das für Effekten wie Abschirmung und Entspannungswahrscheinlichkeiten zwischen Energieniveaus verantwortlich ist, die Erdbohrer-Energie als:

wo die Energie der Wechselwirkung zwischen dem B ist und C Niveau-Löcher in einem Endatomstaat x und der R intra - und Extraatomübergang-Energien vertreten, die für elektronische Abschirmung verantwortlich sind. Erdbohrer-Elektronenergien können gestützt auf gemessenen Werten des verschiedenen und im Vergleich zu Spitzen im sekundären Elektronspektrum berechnet werden, um chemische Arten zu identifizieren. Diese Technik ist verwendet worden, um mehrere Bezugsdatenbanken zu kompilieren, die für die Analyse in AES aktuellen Einstellungen verwendet sind.

Experimentelle Einstellung und Quantifizierung

Instrumentierung

Die Oberflächenempfindlichkeit in AES entsteht aus der Tatsache, die Elektronen ausgestrahlt hat, gewöhnlich haben Energien im Intervall von 50 eV zu 3 keV und an diesen Werten, Elektronen haben einen kurzen freien Mittelpfad in einem Festkörper. Die Flucht-Tiefe von Elektronen wird deshalb zu innerhalb von einigen Nanometern der Zieloberfläche lokalisiert, AES eine äußerste Empfindlichkeit gebend, um Arten zu erscheinen. Wegen der niedrigen Energie von Erdbohrer-Elektronen werden die meisten AES Einstellungen unter Bedingungen des Ultrahochvakuums (UHV) geführt. Solche Maßnahmen verhindern Elektron, das sich von restlicher Gasatome sowie der Bildung eines dünnen "Benzins (Adsorbat) Schicht" auf der Oberfläche des Musters zerstreut, das analytische Leistung erniedrigt. Eine typische AES Einstellung wird schematisch in der Abbildung 2 gezeigt. In dieser Konfiguration sind eingestellte Elektronen Ereignis auf ausgestrahlte und Beispielelektronen werden in einen zylindrischen Spiegel Analysator (CMA) abgelenkt. In der Entdeckungseinheit werden Erdbohrer-Elektronen multipliziert, und das Signal an Daten gesandt, die Elektronik bearbeiten. Gesammelte Erdbohrer-Elektronen werden als eine Funktion der Energie gegen das breite sekundäre Elektronhintergrundspektrum geplant.

Da die Intensität der Erdbohrer-Spitzen im Vergleich zum Geräuschniveau des Hintergrunds klein sein kann, wird AES häufig in einer abgeleiteten Weise geführt, die dient, um die Spitzen durch das Modulieren des Elektronsammlungsstroms über eine kleine angewandte AC Stromspannung hervorzuheben. Seit dem wird der Sammlungsstrom. Taylor, der sich ausbreitet, gibt:

:

Mit der Einstellung in der Abbildung 2, das Signal an der Frequenz entdeckend, wird ω einen Wert für geben oder. Das Plotten in der abgeleiteten Weise betont auch Erdbohrer-Feinstruktur, die als kleine sekundäre Spitzen erscheinen, die die primäre Erdbohrer-Spitze umgeben. Diese sekundären Spitzen, um mit hohen Energiesatelliten nicht verwirrt zu sein, die später besprochen werden, entstehen aus der Anwesenheit desselben Elements in vielfachen verschiedenen chemischen Staaten auf einer Oberfläche (d. h. Adsorbat-Schichten) oder von Entspannungsübergängen, die mit Wertigkeitsband-Elektronen des Substrats verbunden sind. Abbildung 3 illustriert ein abgeleitetes Spektrum aus einem Kupfernitrid-Film, klar die Erdbohrer-Spitzen zeigend. Die Spitze in der abgeleiteten Weise ist nicht die wahre Erdbohrer-Spitze, aber eher wird der Punkt des maximalen Hangs von N (E), aber diese Sorge gewöhnlich ignoriert.

Quantitative Analyse

Halbquantitative compositional- und Element-Analyse einer Probe mit AES ist vom Messen des Ertrags von Erdbohrer-Elektronen während eines Untersuchungsereignisses abhängig. Elektronertrag hängt abwechselnd von mehreren kritischen Rahmen wie Elektroneinfluss-Querschnitt und Fluoreszenz-Ertrag ab. Da die Erdbohrer-Wirkung nicht der einzige für die Atomentspannung verfügbare Mechanismus ist, gibt es eine Konkurrenz zwischen Strahlungs- und Nichtstrahlungszerfall-Prozessen, um der primäre De-Erregungspfad zu sein. Die Gesamtübergang-Rate, ω, ist eine Summe des Nichtstrahlungs-(Erdbohrer) und Strahlungs-(Foton-Emission) Prozesse. Der Erdbohrer-Ertrag ist so mit der Fluoreszenz (Röntgenstrahl) Ertrag, durch die Beziehung, verbunden

wo die Röntgenstrahl-Übergangswahrscheinlichkeit ist und die Erdbohrer-Übergangswahrscheinlichkeit ist. Versuche, die Fluoreszenz und Erdbohrer-Erträge zur Atomnummer zu verbinden, sind auf der Abbildung 4 ähnliche Anschläge hinausgelaufen. Ein klarer Übergang vom Elektron bis Foton-Emission ist in dieser Karte offensichtlich, um Atomnummer zu vergrößern. Für schwerere Elemente wird Röntgenstrahl-Ertrag größer als Erdbohrer-Ertrag, eine vergrößerte Schwierigkeit anzeigend, die Erdbohrer-Spitzen für große Z-Werte zu messen. Umgekehrt ist AES zu den leichteren Elementen, und verschieden von der Röntgenstrahl-Fluoreszenz empfindlich, Erdbohrer-Spitzen können für Elemente so leicht entdeckt werden wie Lithium (Z = 3). Lithium vertritt die niedrigere Grenze für die AES Empfindlichkeit, da die Erdbohrer-Wirkung ein "drei" Zustandereignis ist, das mindestens drei Elektronen nötig macht. Weder H noch Er können mit dieser Technik entdeckt werden. Weil K-Niveau Übergänge gestützt hat, sind Erdbohrer-Effekten für Z dominierend Die Ertrag-Grenzen schreiben effektiv eine Abkürzung für die AES Empfindlichkeit vor, aber komplizierte Techniken können verwertet werden, um schwerere Elemente, wie Uran und Americium mit der Erdbohrer-Wirkung zu identifizieren.

Eine andere kritische Menge, die Ertrag von Erdbohrer-Elektronen an einem Entdecker bestimmt, ist der Elektroneinfluss-Querschnitt. Frühe Annäherungen (im Cm) des Querschnitts haben auf der Arbeit von Worthington und Tomlin, basiert

mit b, der als ein Skalenfaktor zwischen 0.25 und 0.35, und C eine Funktion der primären Elektronbalken-Energie handelt. Während dieser Wert dessen für ein isoliertes Atom berechnet wird, kann eine einfache Modifizierung gemacht werden, für Matrixeffekten verantwortlich zu sein:

wo α der Winkel zur des Ereignis-Elektronbalkens normalen Oberfläche ist; r kann empirisch gegründet werden und umfasst Elektronwechselwirkungen mit der Matrix wie Ionisation wegen backscattered Elektronen. So kann der Gesamtertrag als geschrieben werden:

Hier ist N die Zahl von x Atomen pro Volumen, λ die Elektronflucht-Tiefe, θ der Winkel von Analysator, T die Übertragung des Analysators, ich (t) der Elektronerregungsfluss an der Tiefe t, dΩ der Raumwinkel, und δt ist die Dicke der Schicht, die wird untersucht. Umfasst in diesen Begriffen besonders ist der Erdbohrer-Ertrag, der mit der Übergangswahrscheinlichkeit verbunden ist, das Quant mechanisches Übergreifen der anfänglichen und endgültigen Zustandwelle-Funktionen. Genaue Ausdrücke für die Übergangswahrscheinlichkeit, die auf der Unruhe der ersten Ordnung Hamiltonians gestützt ist, können in Thompson und Baker gefunden werden. Häufig sind alle diese Begriffe nicht bekannt, so vergleichen die meisten Analysen gemessene Erträge mit Außenstandards der bekannten Zusammensetzung. Verhältnisse der erworbenen Daten zu Standards können verbreitete Ausdrücke, besonders experimentelle Einstellungseigenschaften und materielle Rahmen beseitigen und können verwendet werden, um Element-Zusammensetzung zu bestimmen. Vergleich-Techniken arbeiten am besten für Proben von homogenen binären Materialien oder gleichförmigen Oberflächenschichten, während elementare Identifizierung am besten beim Vergleich von reinen Proben erhalten wird.

Gebrauch und Beschränkungen

Es gibt mehrere Elektronmikroskope, die für den Gebrauch in der Erdbohrer-Spektroskopie spezifisch entworfen worden sind; diese sind genannte Abtastung von Erdbohrer-Mikroskopen (SAM) und können hohe Entschlossenheit erzeugen, räumlich hat chemische Images aufgelöst. SAM Images werden durch das Treten eines eingestellten Elektronbalkens über eine Beispieloberfläche und das Messen der Intensität der Erdbohrer-Spitze über dem Hintergrund von gestreuten Elektronen erhalten. Die Intensitätskarte wird zu einer grauen Skala an einem Monitor mit mehr weißen Gebieten entsprechend der höheren Element-Konzentration aufeinander bezogen. Außerdem wird das Spritzen manchmal mit der Erdbohrer-Spektroskopie verwendet, um Tiefe-Experimente des im Profil darstelltet durchzuführen. Das Spritzen entfernt dünne Außenschichten einer Oberfläche, so dass AES verwendet werden kann, um die zu Grunde liegende Zusammensetzung zu bestimmen. Tiefe-Profile werden entweder als die Erdbohrer-Maximalhöhe dagegen gezeigt stottern Zeit oder Atomkonzentration gegen die Tiefe. Genaue Tiefe, die sich durch das Spritzen prügelt, hat gemacht eine unschätzbare Technik für die chemische Analyse von nanostructured Materialien und dünnen Filmen im Profil darzustellen. AES wird auch umfassend als ein Einschätzungswerkzeug auf und von fab Linien in der Mikroelektronikindustrie verwendet, während die Vielseitigkeit und Empfindlichkeit des Erdbohrer-Prozesses es ein analytisches Standardwerkzeug in Forschungslaboratorien machen.

Trotz der Vorteile der hohen Raumentschlossenheit und genauen chemischen AES zugeschriebenen Empfindlichkeit gibt es mehrere Faktoren, die die Anwendbarkeit dieser Technik besonders beschränken können, wenn sie feste Muster bewerten. Eine der allgemeinsten mit der Erdbohrer-Spektroskopie gestoßenen Beschränkungen belädt Effekten im Nichtleiten von Proben. Die Aufladung von Ergebnissen, wenn die Zahl von sekundären Elektronen, die Probe verlassend, zur Zahl von Ereignis-Elektronen verschieden ist, eine Nettowidersprüchlichkeit an der Oberfläche verursachend. Sowohl positive als auch negative Flächenladungen verändern streng den Ertrag von Elektronen, die von der Probe ausgestrahlt sind, und verdrehen folglich die gemessenen Erdbohrer-Spitzen. Um Sachen zu komplizieren, sind Neutralisierungsmethoden, die in anderen Oberflächenanalyse-Techniken wie sekundäre Ion-Massenspektrometrie (SIMS) verwendet sind, auf AES nicht anwendbar, weil diese Methoden gewöhnlich Oberflächenbeschießung entweder mit Elektronen oder mit Ionen (d. h. Überschwemmungspistole) einschließen. Mehrere Prozesse sind entwickelt worden, um das Problem der Aufladung zu bekämpfen, obwohl keiner von ihnen ideal ist und machen Sie noch Quantifizierung von AES Daten schwierig. Eine solche Technik ist mit dem Niederlegen leitender Polster in der Nähe vom Analyse-Gebiet verbunden, um Regionalaufladung zu minimieren. Jedoch beschränkt dieser Typ der Annäherung SAM Anwendungen sowie den Betrag des für die Untersuchung verfügbaren Beispielmaterials. Eine zusammenhängende Technik ist mit Verdünnung verbunden oder eine nichtleitende Schicht mit Ionen von Ar und dann dem Besteigen der Probe zu einer leitenden Unterstützung vor AES "Grübchen zu bekommen". Diese Methode ist mit Ansprüchen diskutiert worden, dass der dünn werdende Prozess elementare Kunsterzeugnisse auf einer Oberfläche verlässt und/oder beschädigte Schichten schafft, die das Abbinden verdrehen und das chemische Mischen in der Probe fördern. Infolgedessen wird der compositional AES Daten als Verdächtiger betrachtet. Die allgemeinste Einstellung, um Aufladung von Effekten zu minimieren, schließt Gebrauch eines flüchtig blickenden Winkels (~10 °) Elektronbalken und eine sorgfältig abgestimmte Bombardieren-Energie (zwischen 1.5 keV und 3 keV) ein. Kontrolle sowohl des Winkels als auch der Energie kann die Zahl von ausgestrahlten Elektronen vis-à-vis die Ereignis-Elektronen subtil verändern und dadurch reduzieren oder zusammen Beispielaufladung beseitigen.

Zusätzlich zur Aufladung von Effekten können AES Daten durch die Anwesenheit charakteristischer Energieverluste in einer höheren und Beispielordnung Atomionisationsereignisse verdunkelt werden. Aus einem Festkörper vertriebene Elektronen werden allgemein vielfache sich zerstreuende Ereignisse erleben und verlieren die Energie in der Form von gesammelten Elektrondichte-Schwingungen hat plasmons genannt. Wenn plasmon Verluste Energien in der Nähe von dieser einer Erdbohrer-Spitze haben, kann der weniger intensive Erdbohrer-Prozess übergeragt durch die Plasmon-Spitze werden. Da Erdbohrer-Spektren normalerweise schwach und über viele eV der Energie ausgebreitet sind, sind sie zum Extrakt vom Hintergrund und in Gegenwart von plasmon Verlusten schwierig, deconvolution der zwei Spitzen wird äußerst schwierig. Für solche Spektren ist die zusätzliche Analyse durch chemische empfindliche Oberflächentechniken wie Röntgenstrahl-Photoelektronspektroskopie (XPS) häufig erforderlich, die Spitzen zu entwirren. Manchmal kann ein Erdbohrer-Spektrum auch "Satelliten"-Spitzen an bestimmten Ausgleich-Energien von der Elternteilspitze ausstellen. Der Ursprung der Satelliten wird gewöhnlich vielfachen Ionisationsereignissen in einem Atom oder Ionisationskaskaden zugeschrieben, in denen eine Reihe von Elektronen ausgestrahlt wird, weil Entspannung für Kernlöcher von vielfachen Niveaus vorkommt. Die Anwesenheit von Satelliten kann den wahren Erdbohrer kleine und/oder Maximalmaximalverschiebungsinformation wegen des chemischen Abbindens an der Oberfläche verdrehen. Mehrere Studien sind übernommen worden, um weiter Satellitenspitzen zu messen.

Trotz dieser manchmal wesentliche Nachteile ist Erdbohrer-Elektronspektroskopie eine weit verwendete Oberflächenanalyse-Technik, die auf viele verschiedene Felder im Intervall von der Gasphase-Chemie zur nanostructure Charakterisierung erfolgreich angewandt worden ist. Die sehr neue Klasse der sich hoch auflösenden elektrostatischen Energie Analysatoren kürzlich entwickelt - die Gesichtsfeldanalysatoren (FFA) kann für die entfernte Elektronspektroskopie von entfernten Oberflächen oder Oberflächen mit der großen Rauheit oder sogar mit tiefen Grübchen verwendet werden. Diese Instrumente werden entworfen, als ob man in vereinigten scannenden Elektronmikroskopen (SEMs) spezifisch verwendet wird. "FFA" haben im Prinzip keine wahrnehmbaren Endfelder, die gewöhnlich Fokussierung in den meisten Analysatoren bekannt, zum Beispiel, weithin bekannter CMA verdrehen.

Empfindlichkeit, quantitatives Detail und Bequemlichkeit des Gebrauches haben AES von einer dunklen Ärger-Wirkung bis eine funktionelle und praktische Charakterisierungstechnik in gerade mehr als fünfzig Jahren gebracht. Mit Anwendungen sowohl im Forschungslabor als auch in den Industrieeinstellungen wird AES fortsetzen, ein Eckstein von oberflächenempfindlichen elektronbasierten Spektroskopien zu sein.

Siehe auch

• Liste von Material-Analyse-Methoden
• Kreisbogen, der kartografisch darstellt
• Ultraviolette Photoelektronspektroskopie (USV, für Benzin)
• Photoemissionsspektroskopie (PES, für feste Oberflächen)
• Rydberg Ionisationsspektroskopie
• Röntgenstrahl-Photoelektronspektroskopie

Weiterführende Literatur