برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۴,۸۳۸
  • بازدید این ماه ۱۴
  • بازدید امروز ۴
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۴۲۳
  • قبول شدگان ۳۰۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۵۷
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۶
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

طیف‌نگاری الکترون‌های اوژه (AES)

از آن جایی که برهمکنش الکترون با اتم های ماده زیاد است و عمق نفوذ الکترون در ماده اندک است، آنالیزهایی که مبتنی بر فرود الکترون بر سطح ماده است مانند طیف نگاری الکترونی اوژه (AES) برای مطالعهٔ سطح مواد، به کار برده می شود. الکترون های اوژه برای عنصرسنجی و تعیین ترکیب سطح ماده استفاده می شوند. طیف نگاری الکترونی اوژه بر اساس اثر اوژه است. اثر اوژه، به فرایند بدون تابشی گفته می شود که در آن اتم یا یونی که قبلا با از دست دادن یکی از الکترون های پوسته ی داخلی یونیزه شده است، جای خالی لایه  داخلی را با یک الکترون لایه خارجی پر می کند و همزمان یکی دیگر از الکترون های لایه خارجی را به بیرون از اتم می فرستد.
این الکترون ها پس از ارسال به تحلیلگر انرژی و تعیین انرژی جنبشی آنها، به آشکارساز هدایت می شوند تا تعداد الکترون های اوژه تولیدی با انرژی جنبشی مشخص شمارش شوند. در نهایت با توجه به این که سیگنال اوژه ضعیف است، مشتق شدت الکترون های اوژه بر حسب انرژی جنبشی الکترون اوژه رسم  می شود.

1- مقدمه:
طیف نگاری الکترونی اوژه( (Auger Electron Spectroscopy (AES)  بر اساس اثر اوژه است. در این اثر، الکترونی از لایه های درونی اتم با اعمال انرژی 2 تا 50 الکترون‌ولت، جدا می شود. با ترک الکترون از اتم، جای خالی الکترون در این لایه از اتم بر جای می ماند. الکترون‌های لایه‌های بالاتر که پرانرژی‌ترند می‌توانند به جای خالی الکترون بروند و انرژی آزاد کنند. انرژی آزاد شده می‌تواند یا به صورت فوتون تابش شود و یا به الکترون دیگری منتقل گردد و آن الکترون را به بیرون از اتم پرتاب کند. الکترونی که به این صورت از اتم خارج می‌شود، الکترون اوژه می نامند. بنابراین، با سقوط یک الکترون از لایه بالاتر به جای خالی الکترون در لایه پایین تر، الکترون دیگری گسیل می‌شود که الکترون اوژه نام دارد و در طیف نگاری الکترونی اوژه به کار برده می شود.
در طیف‌نگاری الکترون اوژه، فرایند تحریک الکترون‌ها به وسیله باریکه ای از الکترون‌های فرودی که از یک تفنگ الکترونی بیرون می‌آیند انجام می‌شود و شدت الکترون‌های اوژه بر حسب انرژی جنبشی آنها اندازه‌گیری می‌شود. مقدار انرژی جنبشی الکترون گسیل شده (الکترون اوژه)، به کمک انرژی یونش لایه‌ای که الکترون اوژه در آن لایه قرار دارد و انرژی انتقال الکترون، تعیین می شود. بنابراین انرژی الکترون اوژه با تغییر انرژی باریکه الکترون های فرودی، تغییر نمی کند. توزیع انرژی الکترون های اوژه نسبتا تیز است که انرژی آن ها به وسیله تحلیل گرها، آشکار‌سازی می‌شود. از آن جایی که انرژی های الکترون های اوژه به اندازه ای است که عمق فرار این الکترون‌ها را محدود می کند، این طیف نگاری یک آنالیز حساس به سطح است که با استفاده از آن می توان عمق 10 تا 30 آنگستروم را مطالعه کرد. الکترون های اوژ ای که از عمق 15 آنگسترومی سطح به تحلیل گر می-رسند، انرژی برابر با 1000 الکترون ولت دارند.
با کنده شدن الکترون از لایه داخلی و پرتاب آن به بیرون از اتم، اتم یونیزه می شود . از بازآرایی الکترونی اتم یونیزه، الکترون دوم که انرژی آن معین است آزاد می شود و انرژی آن یکی از مشخصه های اتم یونیزه است. بازآرایی نتیجه رقابت میان نیروی دافعه ناشی از برهم کنش الکترون - الکترون و نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته است که در نهایت نیروی دافعه بر جاذبه غلبه می کند.
اصول فرایند اوژه در شکل 1 نشان داده شده است. الکترون فرودی اولیه که انرژی 2 تا 5 کیلوالکترون ولت دارد، با یونیزه کردن لایه K یا 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 از اتم، اتم را با انرژی نامعلومی ترک می‌کنند. بنابراین ساختار الکترونی اتم یونیزه شده بازآرایی می‌شود که در این بازآرایی یک الکترون از لایه با انرژی بالاتر این حفره را پر می‌کند. این گذار با آزاد شدن انرژی همراه است که می‌تواند به صورت تابش فوتون اشعه ایکس باشد یا این که به صورت انرژی جنبشی به یکی از الکترون‌ها منتقل شود. این الکترون ثانویه، می‌تواند در همان لایه 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 خروجی، به اختلاف انرژی لایه های اتم بستگی دارد، با اندازه‌گیری انرژی الکترون اوژه می توان نوع اتم را مشخص کرد. چنان چه حفرة اولیه در لایه K ایجاد شده باشد، یک الکترون از تراز L1 این حفره، جای خالی را پر ‌می کند و الکترون لایه L2,3 به صورت الکترون اوژه از سطح خارج می شود. انرژی الکترون اوژه به صورت زیر مشخص می‌شود:
filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc

که در آن Ekin انرژی الکترون اوژه، Ek انرژی لایه k، EL1 انرژی لایهL1 و EL2,3 انرژی لایه L2,3 است.



filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1 - طرح واره مکانیزم یونیزه شدن اتم، بازآرایی اتم و تولید الکترون اوژه. (الف) برخورد الکترون پر انرژی به اتم و تحریک الکترون لایه داخلی اتم (1s). (ب) یونیزه شدن اتم با پرتاب شدن الکترون لایه داخلی (1s) به خارج اتم. (ج) پر شدن جای خالی لایه¬ داخلی (1s) با یک الکترون از لایه خارجی (2s) و پرتاب همزمان یکی دیگر از الکترون های لایه خارجی (2p) به بیرون از اتم که همان الکترون اوژه است.


برای هر اتمی، تعدادی گذار‌های اوژه اتفاق می افتد که گذاری با بیشترین احتمال بیشترین شدت را دارد. بنابراین در طیف نگاری الکترونی اوژه، هر اتم یک انرژی اوژه اصلی و انرژی‌های اوژه فرعی دارد که به شناسایی اتم کمک می‌کنند. در فرایند اوژه همواره دو حفره نهایی بر جای می‌ماند، وقتی اتم در یک جامد قرار داشته باشد، این دو حفره می‌توانند در نوار ظرفیت ایجاد شوند. در حالت کلی بیشترین شدت که در فرایند اوژه مشاهده می‌شود مربوط به وضعیتی است که دو حفره نهایی در ناحیه‌ای با بیشترین چگالی حالت در نوار ظرفیت بوجود آمده باشد. در شکل 2 انرژی‌های اصلی اوژه برحسب عدد اتمی مشخص شده‌ است.


filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2 - انرژی های اصلی الکترون اوژه بر حسب عدد اتمی برای گذارهای مختلف KLL، LMM و MNN. گذار KLL نشان می دهد که حفرة اولیه در لایه K ایجاد شده است، یک الکترون از تراز L این حفره یا جای خالی را پر ‌کرده است و الکترون لایه L به صورت الکترون اوژه از سطح خارج ‌شده است.

شکل 3 طرح واره ی طیف نگاری الکترون اوژه را نشان می دهد که شامل یک تفنگ الکترونی است که باریکه الکترونی با انرژی 2 تا 5 کیلوالکترون ولت تولید می‌کند. یک تحلیل‌گر آینه‌ای استوانه‌ای( Cylindrical Mirror Analyzer =CMA) برای تعیین انرژی الکترون‌های اوژه و تعداد آن-ها به کار برده می شود. تفنگ الکترونی معمولاً به صورت هم‌محور با CMA نصب می‌شود که میدان قوی بین دو استوانة هم‌محور در CMA، الکترون‌های اوژه را به سمت آشکار‌ساز هدایت می‌کند. به کمک یک تبدیل‌کننده تعداد الکترون‌ها در واحد انرژی یعنی dN/dE مشخص می‌شود.


filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3 - طرح واره یک سیستم طیف نگار الکترون اوژه با تحلیلگر CMA.



2- اجزای تشکیل دهنده طیف نگار الکترون اوژه
در این بخش، قسمتهای مختلف دستگاه طیف نگار الکترون اوژه توضیح داده می¬شود که شامل منبع تولید الکترون، تحلیلگر انرژی و آشکارساز است.

2-1 منابع تولید الکترون
برای تولید الکترون از تفنگ الکترونی استفاده می شود که از منبع تولید الکترون و لنزهای الکترومغناطیسی تشکیل شده است (شکل 4). تولید الکترون می تواند بر اساس پدیده ترمویونیک باشد که با عبور جریان، فیلامان آن قدر گرم می شودکه الکترون انرژی کافی برای غلبه بر تابع کار فلز را پیدا می کند و گسیل الکترون از فلز رخ می دهد. برای این منظور معمولا از فلز تنگستن استفاده می شود که تابع کار آن 4.5 الکترون ولت است که دمای مورد نیاز برای گسیل الکترون از آن نیز 2300 کلوین است. ترکیب دیگری که برای گسیل الکترون به دمای کمتری (1800 کلوین) نیاز دارد که ناشی از تابع کار اندک آن (2.6 الکترون ولت) است، هگزا بوراید لانتانیم (LaB6) است. روش دیگر برای تولید الکترون استفاده از پدیده گسیل میدانی است که معمولا تنگستن تک کریستال به صورت سوزنی با قطر حدود 50 نانومتر در میدان الکتریکی قرار می گیرد که 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، شکل دادن پرتو الکترونی گسیل شده استفاده می شود.


filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6

شکل 4 - طرح واره تولید الکترون با استفاده از (1) فیلامان تنگستنی بر اساس پدیده ترمویونیک، (2) هگزا بوراید لانتانیم (LaB6) بر اساس پدیده ترمویونیک و (3) تفنگ گسیل میدانی بر اساس پدیده تونل زنی.


تحلیلگر انرژی
تحلیلگرهای انرژی، الکترون ها را بر اساس انرژی آنها با قدرت تفکیک مناسب (dE/E≅0.5-1%) جدا می کند. یعنی فقط الکترون ها با انرژی خاص را از خود عبور می دهد. از آن جایی که تفکیک انرژی در میدان الکتریکی انجام می شود؛ یک تحلیلگر خوب تحلیلگری است که کمترین حساسیت را به میدان های خارجی مانند میدان مغناطیسی زمین و یا سایر میدان های مغناطیسی موجود در آزمایشگاه داشته باشد. معمولا تحلیلگرهای انرژی مانند (CHA= Concentric Hemispherical Analyzer ) و (Cylindrical Mirror Analyzer =CMA) در AES استفاده می شود. شکل 5 تحلیلگر آینه‌ای استوانه‌ای، CMA را نشان میدهد که متشکل از دو استوانه هم مرکز است که تفنگ الکترونی درون تحلیلگر 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 ی روزنه های تعبیه شده روی استوانه داخلی بستگی دارد که اگر dE بسیار کوچک باشد تعداد الکترون کمتری از آن عبور می کند و در نتیجه سیگنال ضعیفی داریم و اگر dE بسیار بزرگ باشد قدرت تفکیک کاهش می یابد. با توجه به این که سیگنال الکترون اوژه ضعیف است، چنان چه زاویه محور استوانه با روزنه های تعبیه شده روی استوانه داخلی 42 درجه باشد، بیشترین تعداد الکترون به آشکارساز می رسد.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5 - تحلیلگر آینه‌ای استوانه‌ای، CMA.



2-3 آشکارساز
الکترون هایی که از تحلیلگر انرژی عبور می کنند در نهایت به آشکارساز برخورد می کنند. به علت تعداد کمِ الکترون ها، برای تقویت و افزایش تعدادِ آنها، از تقویت کننده ها (ضرب کننده ها) 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 هر یک از الکترون های تولید شده نیز به نوبه خود الکترون های بیشتری را تولید می کنند و به این ترتیب جریان قابل ملاحظه ای از الکترون ها ایجاد می شود. گاهی نیز برای شمارش الکترون ها صفحات فلوئورسان 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.

3- نمونه
نمونه در نزدیکی ورودی تحلیلگر انرژی قرار می گیرد تا الکترون های خروجی از سطح در ابتدای ورود به تحلیلگر در اثر اعمال میدان الکتریکی به میان استوانه ها هدایت شوند و پیش از رسیدن به آشکارساز از نظر مقدار انرژی تفکیک شوند. از آن جایی که در این آنالیز سطح نمونه ها بررسی می شود بنابراین به خلا بسیار بالا ( Ultra High Vacuum UHV) نیاز است تا سطح با مولکول های آب و مولکول های دیگر پوشیده نشود.
نمونه ها می توانند جامد، مایع و گاز باشند که در تمامی آن ها مشکل باردار شدن نمونه بر اثر خروج الکترون وجود دارد که در اثر باردار شدن نمونه، پیک ها حرکت می کنند. می توان موقعیت پیک ها را با طلا که فلزی پایدار است و به راحتی در واکنش های شیمیایی شرکت نمی کند، کالیبره کرد زیرا جابه جایی پیک های طلا فقط می تواند به دلیل باردار شدن نمونه باشد. در بعضی موارد می توان با پرتاب الکترون، بار مثبت نمونه را جبران کرد و یا در مواد جامد و رسانا با اتصال مناسب نمونه به زمین می توان بر مشکل باردار شدن نمونه فائق آمد. در عمل بیشتر نمونه ها جامد اند که می-توانند به صورت پودر یا غیر پودری باشند. در مورد نمونه های پودری، می توان آنها را تحت فشار به صورت قرص درست کرد و یا بر روی یک سطح آغشته به یک ماده چسبنده ( مانند چسب کربن ) ثابت نگه داشت. از آن جایی که اکسیدهای فلزی در خلا بسیار بالا (Ultra High Vacuum UHV) اکسیژن سطحی خود را از دست می دهند بایستی مدت زمان آزمایش آنها کوتاه باشد.
در دستگاه AES امکان بمباران سطح نمونه و لایه‌برداری به کمک تاباندن پرتویی از یون‌های گاز نجیب مانند آرگون وجود دارد. در این حالت هم زمان با لایه‌برداری از سطح، آنالیز اوژه در عمق نمونه انجام می شود و با ثبت فاصله قله تا قله پیک هر عنصر بر حسب زمان (یا محاسبه عمق نمونه با در دست داشتن سرعت و زمان کندوپاش) رفتار هر عنصر بر حسب عمق مشخص می شود (شکل 6).


filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257

شکل 6 - تحلیل عمقی اوژه. طیف شدت قله تا قله پیک اوژه بر حسب زمان کندوپاش که غلظت سیلیکون، کربن، نیتروژن و اکسیژن را در نمونه مورد بررسی، نشان می دهد.



4- طیف الکترون اوژه
طیف اوژه بر حسب انرژی جنبشی نمایش داده می شود (شکل 7). الکترون‌های ثانویه جدا شده، یک طیف زمینه نسبتاً بزرگ دارند و الکترون‌های اوژه به صورت قله‌های نه‌ چندان بزرگی روی این طیف زمینه قرار می گیرند. همان طور که در شکل 7 ب نمایش داده شده است برای وضوح بیشتر پیک ها، از طیف شدت الکترون های اوژه، مشتق گرفته می شود.


filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0

شکل 7 - مقایسه (الف) طیف مستقیم شدت الکترون های اوژه و (ب) مشتق طیف شدت الکترون های اوژه برای وضوح بیشتر پیک های اوژه برای عنصر مس.



5- میکروسکوپی روبشی اوژه (Scanning Auger Microscopy (SAM
با استفاده از طیف نگاری الکترون اوژه می‌توان توزیع اتم ها در سطح را به صورت یک تصویر مشخص کرد. برای این منظور باریکة الکترون فرودی سطح نمونه را جاروب می‌کند و در هر نقطه خاص، نوع و غلظت عنصر موردنظر را مشخص می‌کند. شکل 8 الف و ب تصاویر اوژه روبش شده و شکل 8 ج تصویر الکترون روبشی (SEM) نمونه Cu(In,Ga)SeS را نشان می دهد.



filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل 8- الگوی پیک اوژه برای (الف) سلنیم و (ب) ایندیوم و تصویر میکروسکوپ روبشی (SEM) نمونه Cu(In,Ga)SeS


منابـــع و مراجــــع

1. Watts, J. F., Wolstenholme, J. “An Introduction to Surface Analysis by XPS and AES”, 2nd Edition, New York, Wiley (2003).

2. Prutton, M. “Surface Physics”, 2nd Edition, New York, Oxford University Press (1985).

نظرات و سوالات

نظرات

2 0

صادق شهریاری - ‏۱۳۹۳/۰۲/۰۷

باسلام وعرض خسته تباشید خدمت سرکار خانم دکترشریفی و دکتربهزادی.

مقاله بسیار عالی وپرباری بود لطف کردید خسته نباشید واقعا استفاده کردم.ببخشید بنده درباره روش طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز(FTIR)راهنمایی میخواستم.ممنون میشم در این ارتباط کمکم کنید.باتشکر فرآوان.شهریاری

6 0

سپیده بیات

عالی بود واقعا ازتون ممنونم مطالب خیلی صریح بود وقابل فهم من هیچ وفت انقدر قشنگ AES نفهمیده بودم

0 -7

طیبه محمدزاده

مخم هنگ کرده شدیدا داغ داغ شد میرم روش اب بریزم

5 0

علیرضا

تشکر.