Augerelektronenspektroskopie

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Die Augerelektronenspektroskopie [oʒe-] (AES, nach Pierre Auger) ist eine spektroskopische Methode zur hochempfindlichen und zerstörungsfreien Untersuchung der chemischen Zusammensetzung einer Materialoberfläche. Sie beruht auf dem Auger-Effekt, durch den ein Atom, das in geeigneter Weise angeregt wurde, ein Elektron mit einer bestimmten, je nach chemischem Element verschiedenen kinetische Energie aussendet.

Auger-Effekt[Bearbeiten]

Schematische Darstellung des Auger-Effekts (KLM-Auger-Prozess)

Der Auger-Effekt, benannt nach Pierre Auger,[1][2][3] ist ein sog. strahlungsloser Übergang in der Elektronenhülle eines angeregten Atoms. Voraussetzung ist, dass innerhalb eines Atoms in einer inneren Elektronenschale ein unbesetzter Elektronenzustand (Loch) vorliegt. Wird er durch ein Elektron aus einer äußeren Schale wieder besetzt, kann die freiwerdende Energie auf ein anderes Elektron desselben Atoms übertragen werden, so dass dieses als Auger-Elektron das Atom verlässt. Diesen Effekt hatte vier Jahre vor Auger bereits Lise Meitner beschrieben, jedoch wurde ihre Arbeit wenig beachtet[4]. Da beide Forscher den Effekt unabhängig voneinander identifiziert haben, wird der Effekt in einigen neueren Publikationen auch als Auger-Meitner-Effekt bezeichnet.

Zur Auslösung des Auger-Effekts muss das Atom zunächst eins seiner fester gebundenen Elektronen verlieren, was durch Beschuss mit Photonen oder Elektronen ausreichender Energie geschieht (Ionisation einer inneren Schale). Wenn der frei gewordene Platz durch ein Elektron aus einer äußeren Schale des Atoms wieder belegt wird, wird im Auger-Effekt die dabei frei werdende Energie auf ein anderes Elektron übertragen, welches im Atom nur schwach gebunden war und nun mit einer bestimmten kinetischen Energie davon fliegt. Der Auger-Effekt ist nur möglich, wenn das Atom über Elektronen mit geeigneten Energien verfügt. Er steht in Konkurrenz zu einem Strahlungsübergang, in dem kein Elektron emittiert, sondern ein Photon der charakteristischen Röntgenstrahlung erzeugt wird. Bei den leichteren Elementen überwiegt deutlich der Auger-Effekt.

Die Energie des Auger-Elektrons bestimmt sich aus den Energieniveaus des ursprünglichen Atoms und des verbleibenden Ions. Man geht näherungsweise davon aus, dass die einzelnen Elektronen im Atom bzw. Ion wohldefinierte Energieniveaus besetzen können, die alle durch die Kernladung, also die chemische Ordnungszahl des Atoms, bestimmt sind. Dann hat man drei solcher Niveaus zu betrachten: die Energie des ursprünglichen Lochzustands, die Energie des Niveaus, von dem aus ein Elektron in das Loch überwechselt, sowie die Energie des Niveaus, aus dem das schließlich abgestrahlte Auger-Elektron stammt. Die möglichen Übergänge sind deswegen nach den drei beteiligten Elektronenniveaus benannt. Liegt beispielsweise ein Loch in der K-Schale vor, das durch ein Elektron der L-Schale gefüllt wird, wobei ein Elektron der M-Schale ausgestrahlt wird (siehe Abbildung), wird dieser Übergang als KLM-Auger-Prozess bezeichnet. Für eine genauere Beschreibung ist weiter zu berücksichtigen, dass die Energieniveaus sich etwas verschieben, wenn sich ihre Besetzung mit Elektronen verändert. Aus der kinetischen Energie des so emittierten Elektrons ist eindeutig zu entnehmen, zu welchem Element das Atom gehört. Jedoch ist die chemische Analyse mittels Augerelektronenspektroskopie praktisch auf leichtere Elemente beschränkt, weil mit steigender Ordnungszahl der Auger-Effekt stark zugunsten des Strahlungsübergangs zurückgeht.

Aufgrund des Energieerhaltungssatzes hat das Auger-Elektron genau dieselbe Energie, als ob es durch einen Photoeffekt herausgeschlagen wäre, verursacht durch ein Photon der charakteristischen Röntgenstrahlung, das im selben Atom beim Auffüllen des ursprünglichen Lochs erzeugt worden sei. Für den Ablauf des Prozesses ist dies aber eine unzulässige Vorstellung, denn beim Auger-Effekt wird kein Photon erzeugt. Vielmehr ist der Auger-Effekt wie ein elastischer Stoß zweier im Atom gebundener Elektronen, nach dem eines sich im vorher unbesetzten Lochzustand befindet und das andere im Zustand eines freien Teilchens. Auger-Effekt und Photonenerzeugung stehen in Konkurrenz zueinander, wobei in leichten Atomen der Auger-Effekt meist die deutlich höhere Übergangswahrscheinlichkeit besitzt und daher dem Strahlungsübergang zuvorkommt. Der Auger-Effekt kann auch die bei der Erzeugung eines Photons geltenden Auswahlregeln verletzen.

Einen Spezialfall des Auger-Prozesses stellt der extrem schnelle Coster-Kronig-Übergang dar, beispielsweise L1L2M. Dabei wird das ursprüngliche Loch L1 aus einer höheren Unterschale L2 der gleichen Hauptschale L aufgefüllt. Wenn das dabei emittierte Auger-Elektron auch noch aus derselben Schale kommt, dann spricht man vom Super-Coster-Kronig-Übergang, beispielsweise L1L2L3. Der Coster-Kronig-Prozess wurde nach den beiden Physikern Dirk Coster und Ralph Kronig benannt.[5]

Augerelektronenspektroskopie[Bearbeiten]

Die Augerelektronenspektroskopie ist aufgrund der geringen Reichweite von Elektronen im relevanten Energiebereich (ca. 50 eV bis 3 keV) eine sehr oberflächenspezifische Methode. Die erfasste Materialschicht umfasst typischerweise nur die obersten zehn Atomlagen. Das Verfahren kann daher sehr effizient zur örtlich hochauflösenden (0,01 µm bis 100 µm) Detektierung von Verunreinigungen benutzt werden. Soll dagegen wirklich das reine Material erfasst werden und nicht unabsichtlich aufgebrachte Verunreinigungen, die bei der Probenpräparation entstanden sind, so müssen diese zum Beispiel durch Sputtern mit Argon entfernt werden.

Mit einem Augerelektronenspektroskop können auch Bilder von der Art eines Rasterelektronenmikroskops (REM) erzeugt werden. Hierfür ist ein Sekundärelektronendetektor nötig, der die Sekundärelektronen in ein REM-Bild umwandelt. So lässt sich eine vergleichbare Auflösung wie bei einem „gewöhnlichen“ REM erzielen. Neben dieser Funktion kann man zur Bilderstellung auch noch den AES-Detektor nutzen. So lassen sich Bilder aufnehmen, die eine Materialinformation tragen. Dieses Verfahren nennt sich Raster-Augerelektronenmikroskopie (engl. scanning Auger microscopy, SAM).

Die Nachweisgrenze mit diesem Verfahren liegt bei ca. 0,01–0,1 at%. Erst ab diesem Wert lässt sich der AES-Peak auswerten.

Auch bei der Photoelektronenspektroskopie treten Auger-Elektronen auf. Die durch den Auger-Effekt verursachten Peaks unterscheiden sich dadurch von den „Photopeaks“, dass ihre Energie nicht von der des eingestrahlten Ultraviolett- oder Röntgenlichts abhängt.

Augerneutralisation[Bearbeiten]

Ein Spezialfall des allgemeinen Augerprozesses ist in der Niederenergieionenstreuung von Bedeutung. Hierbei findet der Augerübergang nicht innerhalb eines Atoms statt. Stattdessen wird ein unbesetztes atomares Niveau des Projektils durch ein Elektron aus dem Leitungsband der Probe besetzt und ein weiteres Elektron aus dem Leitungsband emittiert. [6]

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Fußnoten und Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Pierre Auger: Sur les rayons β secondaires produits dans un gaz par des rayons. In: Comptes Rendus. 180, 1925, S. 65 (Volltext auf Gallica).
  2.  Pierre Auger: Sur L’effet Photoélectrique Composé. In: Journal de Physique et Le Radium. Nr. 6, 1925, S. 205-208 (PDF, französisch).
  3. Pierre Auger: L'effet photoélectrique. Dissertation, Universität Paris, 1926
  4.  Lise Meitner: Über die β-Strahl-Spektra und ihren Zusammenhang mit der γ-Strahlung. In: Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei. Nr. 11, 1922, ISSN 0939-7922, S. 35–54, doi:10.1007/BF01328399.
  5.  Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Wilhelm Raith, Mit Beitragen Von H. Kleinpoppen, M. Fink, N. Risch: Bestandteile der Materie: Atome, Moleküle, Atomkerne, Elementarteilchen. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 9783110168006, S. 135–136.
  6.  H. H. Brongersma, M. Draxler, M. de Ridder, P. Bauer: Surface composition analysis by low-energy ion scattering. In: Surface Science Reports. 62, Nr. 3, 2007, S. 63–109, doi:10.1016/j.surfrep.2006.12.002.