ЭЛЕКТРОННАЯ ОЖЕСПЕКТРОСКОПИЯ

метод анализа химического состояния и химического состава, в основе которого лежит измерение энергий и интенсивностей токов электронов, возникающих при взаимодействии с атомами, молекулами и поверхностью твердого тела в результате оже-эффекта.

В основе лежит оже-эффект, который открыл французский физик Пьер-Виктор Оже (Pierre Victor Auger) в 1920-х годах. Электроны, испытавшие ряд переходов в атоме, имеют энергию, характерную для данного сорта атома, что обеспечивает элементную селективность метода. Интенсивность пучка эмитированных электронов также несет количественную информацию. Малая толщина анализируемого слоя (1 – 2 нм) является следствием того, что электроны с энергией 5 – 2000 эВ, используемые для анализа, сильно рассеиваются в твердом теле.

Принцип оже-процесса схематически представлен на рис.1. Первичный электрон, обычно имеющий энергию в диапазоне 2-10 кэВ, выбивает электрон с глубокого уровня, после чего оба электрона покидают атом. На рис. 1а показано образование электронной вакансии на К-уровне. Эта вакансия заполняется электроном с более высокого уровня, скажем, с L₁-уровня. Ионизированный атом оказывается в сильно возбужденном состоянии и быстро релаксирует в более низкое по энергии состояние в результате одного из двух возможных процессов:

• оже-эмиссии (безызлучательного перехода),
• рентгеновской флуоресценции (излучательного перехода),

показанных на рисунках 1а и 1б, соответственно. Рентгеновская флуоресценция и оже-эмиссия - это конкурирующие процессы.Для низкоэнергетических переходов (E<500 эВ), и, в особенности, для легких элементов рентгеновская флюоресценция незначительна, и оже-эмиссия преобладает. Только при энергиях порядка 2000 эВ выход рентгеновской флуоресценции становится сравнимым с интенсивностью оже-эмиссии.

В ходе оже-процесса атом находится в возбужденном ионизированном состоянии: в начальном состоянии атом содержит одну электронную вакансию, а в финальном - две электронные вакансии. В сумме в процессе участвуют три электрона, что означает, что оже-переход может иметь место во всех элементах периодической таблицы, за исключением H и He, у которых меньше, чем три электрона на атом.

Номенклатура для записи оже-переходов использует запись, принятую в рентгеновской спектроскопии, и указывает уровни, вовлеченные в процесс. Например, переход, показанный на рис. 1а, обозначается как KL₁L_2,3. Если оже-процесс происходит в твердом теле. и в нем участвуют валентные электроны, то обозначения уровней в атоме заменяются символом V (валентная зона). В качестве примера на рис. 1в показан L_2,3VV оже-переход.

Оже-переход характеризуется в основном энергетическим положением исходной электронной вакансии и положением двух вакансий в финальном состоянии. Вследствие этого кинетическая энергия E_KL1L2,3 испущенного электрона в примере, показанном на рис. 1а, может быть оценена из энергии связи уровней, вовлеченных в процесс, в виде

E_KL1L2,3 = E_K - E_L1 - E_L2,3 - ?,

где ? = E_vacuum-E_Fermi - работа выхода материала.

Следует отметить, что выражение дает грубую оценку, так как в нем не учитывается то, что испускание электрона происходит из иона, а не из нейтрального атома. Ионизация атомов приводит к смещению электронных уровней вниз, что, естественно, влияет на энергию испускаемых оже-электронов.

Высокая поверхностная чувствительность, возможность получения количественной информации и простота использования привели к тому, что метод оже-спектроскопии широко используется уже на протяжении 40 лет в исследовательских лабораториях, а также в химической промышленности, металлургии и микроэлектронике.

• Зотов Андрей Вадимович, д.ф.-м.н.
• Саранин Александр Александрович, д.ф.-м.н.

1. Бриггс Д., Сих М. П. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. - М.: Мир, 1987 - 598 с.
2. Введение в физику поверхности: Пер. с англ. / Оура Кендзиро, Лифшиц В.Г., Саранин А.А., Зотов А.В., Катаяма М. - М. Наука, 2006. - 490 с.