طیف سنجی الکترون اوژه (AES)

آنالیز اوژه چیست؟

به طور کلی باید گفت طیف نگاری الکترونی اوژه بر اساس اثر اوژه است. طی این فرایند، الکترون از لایه های درونی اتم با اعمال انرژی 2 تا 50 الکترون ولت جدا می شود. با ترک الکترون از اتم، جای خالی آن در این لایه بر جای می ماند. الکترون های لایه های بالاتر که پرانرژی تر هستند، می توانند به جای خالی الکترون بروند و انرژی آزاد کنند. انرژی آزاد شده می تواند به صورت فوتون تابش شده به الکترون دیگری منتقل شود و آن الکترون را از مدار اتم بیرون پرتاب کند. الکترونی که به این صورت از اتم خارج می شود را الکترون اوژه می نامند.

بنابراین با سقوط الکترون از لایه بالاتر به جای خالی در لایه پایین تر، الکترون دیگری گسیل می شود که الکترون اوژه نام دارد و در طیف نگاری به کار برده می شود.

طیف سنجی الکترون اوژه بر چه اساسی انجام می شود؟

در این روش، طیف سنجی بر مبنای تولید الکترون ها به وسیله باریکه ای از الکترون های فرودی که از یک تفنگ الکترونی بیرون می آیند، انجام می شود و شدت الکترون های اوژه بر حسب انرژی جنبشی آن ها اندازه گیری می شود. مقدار انرژی جنبشی الکترون های گسیل شده (الکترون اوژه) به کمک انرژی یونش لایه هایی که الکترون اوژه در آن لایه قرار دارد و انرژی انتقالی الکترون تعیین می شود. بنابراین انرژی الکترون اوژه با تغییر انرژی باریکه الکترون های فرودی تغییر نمی کند.

از آن جایی که انرژی الکترون های اوژه به اندازه ای است که عمق فرار این الکترون ها را محدود می کند، این طیف نگاری یک روش آنالیز حساس به سطح است که با استفاده از آن می توان عمق 10 تا 30 آنگستروم را مطالعه کرد. الکترون های اوژه ای که از عمق 10 آنگسترومی سطح به آشکارساز می رسند، انرژی تقریبی برابر با 1000 الکترون ولت دارند.

با کنده شدن الکترون از لایه داخلی و پرتاب آن به بیرون، اتم یونیزه می شود. از بازآرایی الکترونی اتم یونیزه، الکترون دوم که انرژی آن معین است، آزاد می شود. این انرژی از مشخصه های اتم یونیزه است. بازآرایی نتیجه رقابت میان نیروی دافعه ناشی از برهم کنش الکترون-الکترون و نیروی جاذبه ناشی از برهم کنش الکترون-هسته است که در نهایت نیروی دافعه بر جاذبه غلبه می کند.

الکترون فرودی اولیه که انرژی 2 تا 5 کیلوالکترون ولت دارد، با یونیزه کردن لایه های K و L و پرتاب یک الکترون به بیرون از اتم، یک جای خالی (حفره) در آن لایه ایجاد می کند. الکترون فرودی و الکترون جدا شده، اتم را با انرژی نامعلومی ترک می کنند. بنابراین ساختار الکترونی اتم یونیزه شده بازآرایی می شود که در این بازآرایی یک الکترون از لایه با انرژی بالاتر این حفره را پُر می کند. این گذار با آزاد شدن انرژی همراه است که می تواند به صورت تابش فوتون اشعه ایکس باشد یا این که به صورت انرژی جنبشی به یکی از الکترون ها منتقل شود. این الکترون ثانویه می تواند در همان سطح انرژی یا لایه با انرژی بالاتری باشد. در نتیجه این الکترون انرژی کاملاً مشخصی به نام انرژی اوژه دارد. با توجه به این که انرژی الکترون اوژه به اختلاف انرژی لایه های اتم بستگی دارد، با اندازه گیری انرژی آن می توان نوع اتم را مشخص کرد.

چنان چه حفره اولیه در لایه K ایجاد شده باشد، یک الکترون از تراز L₁ این حفره جای خالی را پر می کند و الکترون لایه ی L_2,3 به صورت الکترون اوژه خارج می شوند. انرژی الکترون اوژه به صورت زیر مشخص می شود:

E_kin~E_K – E_L1 – E_L2∙3

که در آن E_kin انرژی الکترون اوژه و بقیه پارامتر ها نشان دهنده انرژی لایه مورد نظر هستند.

در شکل زیر با استفاده از این روش طیف نگاری عناصر مولیبدن، کربن و اکسیژن با توجه به انرژی های اوژه خود در سطح نمونه آزمایش شناسایی شده اند.

دستگاه طیف نگار آنالیز اوژه از چه اجزایی ساخته شده است؟

در شکل بالا، اجزای مهم دستگاه طیف سنجی اوژه را مشاهده می کنید که در این بخش به معرفی آن ها می پردازیم.

منبع تولید الکترون

برای تولید الکترون از تفنگ الکترونی استفاده می شود که از منبع تولید الکترون و لنزهای الکترومغناطیسی تشکیل شده است. تولید الکترون می‌تواند بر اساس پدیده ترمویونیک باشد که با عبور جریان فیلامنت آن قدر گرم می شود که الکترون انرژی کافی برای غلبه بر تابع کار فلز را پیدا ‎کرده و گسیل الکترون اتفاق بیفتد. برای این منظور معمولاً از فلز تنگستن استفاده می‌شود که تابع کار آن 4.5 الکترون ولت است. دمای مورد نیاز برای گسیل الکترون نیز 2300 کلوین است.

ترکیب دیگری که برای گسیل الکترون به دمای کمتری نیاز دارد لانتانیوم هگزا بوراید (LaB₆) است. دمای گسیل الکترون برای این فیلمان 1800 کلوین بوده که به دلیل تابع کار پایین تر آن (2/6ev) است.

روش دیگر برای تولید الکترون استفاده از پدیده گسیل میدانی است. در این روش تنگستن تک کریستال با سوزنی با قطر حدود 50 نانومتر در میدان الکتریکی قرار می گیرد. بر اساس تابع کار فلز و میدان الکتریکی اعمال شده، الکترون ها از فلز به بیرون تونل می زنند. از لنزهای الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن و شکل دادن پرتو الکترونی گسیل شده استفاده می شود.

تحلیلگر انرژی

تحلیلگرهای انرژی، الکترون ‎ها با قدرت تفکیک مناسب برای آن هایی که dE/E بین 0/5 تا 1 درصد باشد، جدا می‎ کنند. یعنی فقط الکترون‌هایی را با انرژی خاص از خود عبور می‎ دهند. از آن جایی که تفکیک انرژی در میدان الکتریکی انجام می‌شود؛ یک تحلیلگر خوب باید کمترین حساسیت را به میدان‎ های خارجی مانند میدان مغناطیسی زمین یا سایر میدان‎ های مغناطیسی موجود در آزمایشگاه داشته باشد. معمولاً از تحلیلگرهای انرژی مانند CMA و CHA استفاده می‎ شود.

شکل زیر تحلیلگر آینه‌ای استوانه‌ای CMA را نشان می ‎دهد. این تحلیلگر متشکل از دو استوانه هم مرکز است که تفنگ الکترونی درون آن قرار گرفته است. با تغییر پتانسیل اعمال شده به استوانه خارجی، تعداد الکترون‎ ها بر حسب انرژی جنبشی آن‌ها شمارش می ‎شود و شدت آن‌ها تعیین می‎ شود.

dE به اندازه روزنه‌های تعبیه شده روی استوانه داخلی بستگی دارد. اگر این مقدار بسیار کوچک باشد، تعداد الکترون کمتری از آن عبور می ‎کند و در نتیجه سیگنال ضعیفی خواهیم داشت. اما اگر dE بسیار بزرگ باشد، قدرت تفکیک کاهش می‌یابد. با توجه به این که سیگنال الکترون اوژه ضعیف است، چنانچه زاویه محور استوانه با روزنه‎ های تعبیه شده روی استوانه داخلی 42 درجه باشد، بیشترین تعداد الکترون به آشکارساز می رسد.

آشکارساز

الکترون‌هایی که از تحلیلگر انرژی عبور می‌کنند، در نهایت به آشکارساز برخورد می‎ کنند. به علت تعداد کمِ الکترون‎ ها، برای تقویت و افزایش تعداد آن‎ ها از تقویت کننده‎ (ضرب‎ کننده‎) استفاده می ‎شود. یک نوع از ضرب‎ کننده ‎ها، فوتوضرب‎ کننده‎ های Photo Multiplier معمولی است که به صورت صفحه ‎های متوالی یا به صورت شیپوری ساخته می‎ شود.

هر الکترون پس از برخورد، چند الکترون تولید می‎ کند و به این ترتیب جریان قابل ملاحظه ‎ای از الکترون‌ها ایجاد می‌شود. گاهی نیز برای شمارش الکترون ‎ها صفحات فلوئورسانس استفاده می‎ شود که برخورد الکترون‎ ها را به تابش نور تبدیل می ‎کند و یک دوربین در پشت این صفحات تعداد الکترون‎ ها را در هر انرژی ثبت می‎ کند.

طیف الکترون اوژه به چه صورتی نشان داده می شود؟

طیف اوژه بر حسب انرژی جنبشی نمایش داده می ‎شود. الکترون‌های ثانویه جدا شده یک طیف زمینه نسبتاً بزرگ دارند و الکترون‌های اوژه به صورت قله‌های نه‌ چندان بزرگ روی این طیف زمینه قرار می‎ گیرند. همان طور که در شکل زیر نمایش داده شده است، برای وضوح بیشتر پیک ‎ها از طیف شدت الکترون ‎های اوژه مشتق گرفته می ‎شود.

از آنالیز AES چه استفاده هایی می شود؟

• آنالیز ترکیبی برای ضخامت های 3 تا 5 نانومتری سطح برای تمام عناصر به‌جز هیدروژن و هلیم
• رسم منحنی عمق–ترکیب و آنالیز فیلم نازک
• آنالیز شیمیایی تجزیه جانبی بالای سطح و مطالعات ناهمگون برای تعیین متغیرهای ترکیبی در محدوده های بزرگ تر از ۱۰۰ نانومتر
• آنالیز مرزدانه و دیگر سطوح مشترک به وجود آمده شده به وسیله ترک
• تشخیص فازها در مقاطع میانی

محدودیت های اسپکتروسکوپی اوژه چیست؟

• عدم حساسیت نسبت به عناصر هیدروژن و هلیم
• محدودیت آنالیز برای مواد آلی، زیستی و گاه سرامیکی به دلیل آسیب های ناشی از پرتوهای الکترونی
• محدودیت در آنالیز مواد تجزیه شونده به دلیل بار الکتریکی پرتوهای الکترونی

منابع

Watts, J. F., Wolstenholme, J. “An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES”, 2nd Edition, New York, Wiley (2003).
Prutton, M. “Surface Physics”, 2nd Edition, New York, Oxford University Press (1985).