1- مقدمه
طیف‎نگاری الکترونی اوژه (Auger Electron Spectroscopy (AES)) بر اساس اثر اوژه است. در این اثر، الکترونی از لایه‎های درونی اتم با اعمال انرژی 2 تا 50 الکترون‌ولت، جدا می‎شود. با ترک الکترون از اتم، جای خالی الکترون در این لایه از اتم بر جای می‎ماند. 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 یا به الکترون دیگری منتقل شود و آن الکترون را به بیرون از اتم پرتاب کند. الکترونی که به این صورت از اتم خارج می‌شود، الکترون اوژه می‎نامند. بنابراین، با سقوط یک الکترون از لایه بالاتر به جای خالی الکترون در لایه پایین‎تر، الکترون دیگری گسیل می‌شود که الکترون اوژه نام دارد و در طیف‎نگاری الکترونی اوژه به کار برده می‎شود.
در طیف‌نگاری الکترون اوژه، فرایند تحریک الکترون‌ها به وسیله باریکه‎ای از الکترون‌های فرودی که از یک تفنگ الکترونی بیرون می‌آیند، انجام می‌شود و شدت الکترون‌های اوژه برحسب 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 می‎شود. بنابراین انرژی الکترون اوژه با تغییر انرژی باریکه الکترون‌های فرودی، تغییر نمی‌کند. توزیع انرژی الکترون‎های اوژه نسبتاً تیز است که انرژی آن‌ها به وسیله تحلیلگرها، آشکار‌سازی می‌شود. از آن جایی که انرژی‎های الکترون‎های اوژه به اندازه‎ای است که عمق فرار این الکترون‌ها را محدود می‎کند، این طیف‎نگاری یک آنالیز حساس به سطح است که با استفاده از آن می‌توان عمق 10 تا 30 آنگستروم را مطالعه کرد. الکترون‎های اوژه‌ای که از عمق 15 آنگسترومی سطح به تحلیلگر می‎رسند، انرژی برابر با 1000 الکترون ولت دارند.
با کنده شدن الکترون از لایه داخلی و پرتاب آن به بیرون از اتم، اتم یونیزه می‎شود . از بازآرایی الکترونی اتم یونیزه، الکترون دوم که انرژی آن معین است، آزاد می‎شود و انرژی آن یکی از مشخصه‎های 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 می‎کند.
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 می‎کند. 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 لایه‌های اتم بستگی دارد، با اندازه‌گیری انرژی الکترون اوژه می‎توان 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 ‌می‎کند و الکترون لایه L_2,3 به صورت الکترون اوژه از سطح خارج می‌شود. انرژی الکترون اوژه به صورت زیر مشخص می‌شود:

که در آن E_kin انرژی الکترون اوژه، E_k انرژی لایه k، E_L1 انرژی لایهL₁ و E_L2,3 انرژی لایه L_2,3 است.

شکل 1- طرح‌واره 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 الکترون‌های لایه خارجی (2p) به بیرون از اتم که همان الکترون اوژه است.

برای هر اتمی، تعدادی گذار‌های اوژه اتفاق می‎افتد که گذاری با بیشترین احتمال بیشترین شدت را دارد. بنابراین در طیف‎نگاری 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 به وجود آمده باشد. در شکل 2 انرژی‌های اصلی اوژه برحسب عدد اتمی مشخص شده‌ است.

شکل 2- انرژی‎های اصلی الکترون اوژه بر حسب عدد اتمی برای گذارهای مختلف KLL، LMM و MNN. گذار KLL نشان می‎دهد که حفره 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 طرح‎واره طیف‎نگاری الکترون اوژه را نشان می‎دهد 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 آن‎ها به کار برده می‎شود. تفنگ الکترونی معمولاً به صورت هم‌محور با CMA نصب می‌شود که میدان قوی بین دو استوانه 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.

شکل 3- طرح‎واره یک سیستم طیف‎نگار الکترون اوژه با تحلیلگر CMA.

2- اجزای تشکیل‎دهنده طیف‎نگار الکترون اوژه
در این بخش، قسمت‎های مختلف دستگاه طیف‎نگار الکترون اوژه توضیح داده می‎شود که شامل منبع تولید الکترون، تحلیلگر انرژی و آشکارساز است.

1-2- منابع تولید الکترون
برای تولید الکترون از تفنگ الکترونی استفاده می‌شود که از منبع تولید الکترون و لنزهای الکترومغناطیسی تشکیل شده است (شکل 4). تولید الکترون می‌تواند بر اساس پدیده ترمویونیک باشد که با عبور جریان، فیلامان آن قدر گرم می شود که الکترون انرژی کافی برای غلبه بر تابع کار فلز را پیدا می‎کند و گسیل الکترون از فلز رخ می‎دهد. برای این منظور معمولاً از فلز تنگستن استفاده می‌شود 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 معمولاً تنگستن تک کریستال به صورت سوزنی با قطر حدود 50 نانومتر در میدان الکتریکی قرار می‎گیرد که بر اساس تابع کار فلز و میدان الکتریکی اعمال شده الکترون‎ها از فلز به بیرون تونل می‎زنند. از لنزهای الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن، شکل دادن پرتو الکترونی گسیل شده استفاده می‎شود.

 
شکل 4- طرح‎واره 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 تونل‎زنی.

2-2- تحلیلگر انرژی
تحلیلگرهای انرژی، الکترون‎ها را بر اساس انرژی آن‎ها با قدرت تفکیک مناسب (dE/E≅0.5-1%) جدا می‎کند. یعنی فقط الکترون‌ها با انرژی خاص را از خود عبور می‎دهد. از آن جایی که تفکیک انرژی در میدان الکتریکی انجام می‌شود؛ یک تحلیلگر خوب تحلیلگری است که کمترین حساسیت را به میدان‎های خارجی مانند میدان مغناطیسی زمین یا سایر میدان‎های مغناطیسی موجود در آزمایشگاه داشته باشد. معمولاً تحلیلگرهای انرژی مانند (CHA= Concentric Hemispherical Analyzer) و (Cylindrical Mirror Analyzer =CMA) در AES استفاده می‎شود. 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 الکترون‎ها بر حسب انرژی جنبشی آن‌ها شمارش می‎شود و شدت آن‌ها تعیین می‎شود. dE به اندازه روزنه‌های تعبیه شده روی استوانه داخلی بستگی دارد که اگر dE بسیار کوچک باشد، تعداد الکترون کمتری از آن عبور می‎کند و در نتیجه سیگنال ضعیفی داریم و اگر dE بسیار بزرگ باشد قدرت تفکیک کاهش می‌یابد. با توجه به این که سیگنال الکترون اوژه ضعیف است، چنان‌چه زاویه محور استوانه با روزنه‎های تعبیه شده روی استوانه داخلی 42 درجه باشد، بیشترین تعداد الکترون به آشکارساز می رسد.

شکل 5- تحلیلگر آینه‌ای استوانه‌ای، CMA.

3-2- آشکارساز
الکترون‌هایی که از تحلیلگر انرژی عبور می‌کنند، در نهایت به آشکارساز برخورد می‎کنند. به علت تعداد کمِ الکترون‎ها، برای تقویت و افزایش تعدادِ آن‎ها، از تقویت کننده‎ها (ضرب‎کننده‎ها) استفاده می‎شود. یک نوع از ضرب‎کننده‎ها، فوتوضرب‎کننده‎های (Photo Multiplier) معمولی است که به صورت صفحه‎های متوالی یا به صورت شیپوری ساخته می‎شود. هر الکترون پس از برخورد، چند الکترون تولید می‎کند و هر یک از الکترون‎های تولید شده نیز به نوبه خود الکترون‎های بیشتری را تولید می‎کنند و به این ترتیب جریان قابل ملاحظه‎ای از الکترون‌ها ایجاد می‌شود. گاهی نیز برای شمارش الکترون‎ها صفحات فلوئورسان استفاده می‎شود که برخورد الکترون‎ها را به تابش نور تبدیل می‎کند و یک دوربین در پشت این صفحات، تعداد الکترون‎ها را در هر انرژی ثبت  می‎کند.

3- نمونه
نمونه در نزدیکی ورودی تحلیلگر انرژی قرار می‎گیرد تا الکترون‎های خروجی از سطح در ابتدای ورود به تحلیلگر، در اثر اعمال میدان الکتریکی به میان استوانه‎ها هدایت شوند و پیش از رسیدن به آشکارساز، از نظر مقدار انرژی تفکیک شوند. از آن جایی که در این آنالیز سطح نمونه‌ها بررسی می‎شود بنابراین به خلأ بسیار بالا (Ultra High Vacuum UHV) نیاز است تا سطح با مولکول‌های آب و مولکول‌های دیگر پوشیده نشود.
نمونه‌ها می‎توانند جامد، مایع و گاز باشند که در تمامی آن‎ها مشکل باردار شدن نمونه بر اثر خروج الکترون وجود دارد که در اثر باردار شدن نمونه، پیک‎ها حرکت می‎کنند. می‎توان موقعیت پیک‎ها را با طلا که فلزی پایدار است و به راحتی در واکنش‎های شیمیایی شرکت نمی‎کند، کالیبره کرد زیرا جابه‎جایی پیک‎های طلا فقط می‎تواند به دلیل باردار شدن نمونه باشد. در بعضی موارد می‎توان با پرتاب الکترون، بار مثبت نمونه را جبران کرد یا در مواد جامد و رسانا با اتصال مناسب نمونه به زمین می‎توان بر مشکل باردار شدن نمونه فائق آمد. در عمل بیشتر نمونه‎ها جامدند که می‎توانند به صورت پودری یا غیرپودری باشند. در مورد نمونه‎های پودری، می‎توان آن‎ها را تحت فشار به صورت قرص درست کرد یا بر روی یک سطح آغشته به یک ماده چسبنده (مانند چسب کربن) ثابت نگه داشت. از آن جایی که اکسیدهای فلزی در خلأ بسیار بالا (Ultra High Vacuum UHV) اکسیژن سطحی خود را از دست می‎دهند، 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 می‎شود 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 می‎شود (شکل 6).

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 می‎دهد.

4- طیف الکترون اوژه
طیف اوژه بر حسب انرژی جنبشی نمایش داده می‎شود (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 می‎گیرند. همان‎طور که در شکل 7 ب نمایش داده شده است، برای وضوح بیشتر پیک‎ها، از طیف شدت الکترون‎های اوژه، مشتق گرفته می‎شود.

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

5- میکروسکوپی روبشی اوژه (Scanning Auger Microscopy (SAM
با استفاده از طیف‎نگاری الکترون اوژه می‌توان توزیع اتم‎ها در سطح را به صورت یک تصویر مشخص کرد. برای این منظور باریکه الکترون فرودی سطح نمونه را جاروب می‌کند و در هر نقطه خاص، نوع و غلظت عنصر مورد نظر 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 می‎دهد.

شکل 8- الگوی پیک اوژه برای (الف) سلنیم و (ب) ایندیوم و تصویر میکروسکوپ روبشی (SEM) نمونه Cu(In,Ga)SeS