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Augerspektroskopie


Augerelektronenspektroskopie

 

Was ist Augerelektronenspektroskopie?

 

Augerspektroskopie ist eine extrem oberflächensensitive Messmethode, mit der Informationen über die elementare Zusammensetzung einer Probenoberfläche gewonnen werden können. Dabei werden sog. Auger-Elektronen verwendet. Wird ein Atom durch Bestrahlung mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl oder Röntgenstrahlung angeregt, d.h. ein Elektron aus einer kernnahen Schale herausgelöst, so gibt es im Anschluss daran zwei mögliche Prozesse, die das Atom wieder in den energetisch bevorzugten Grundzustand bringen. Grundsätzlich "fällt" bei er Abregung ein Elektron aus einer höheren Schale in das zuvor erzeugte "Loch". Die dabei freiwerdende Energie kann entweder in Form eines Photons als charakteristische Röntgenstrahlung emittiert werden oder auf ein anderes Hüllenelektron übergehen, das dadurch aus dem Atom herausgelöst werden kann. Letzteres nennt man den Auger-Effekt, benannt nach Pierre Auger. Die Energie eines Augerelektrons ist abhängig vom Atom und dessen Bindunsgzustand im Festkörper, so dass aus dieser Information Rückschlüsse auf die Zusammensetzung der Probe gemacht werden können.

Wie funktioniert ein Augerspektroskop?

Das Herzstück eines jeden Augerspektroskops ist der Elektronenenergieanalysator, mit dem die Energie der aus der Probe austretenden Elektronen gemessen wird. Meist kommt hierbei ein sog. Halbkugelanalysator zum Einsatz. Dieser besteht aus zwei konzentrisch angebrachten Halbkugelschalen, die auf einem unterschiedlichen Potential liegen. Treten Elektronen tangential zwischen diese Halbkugelschalen, so können nur Elektronen mit einer bestimmten Energie den Analysator passieren. Diese sog. Passenergie kann durch Variation der Potentialdifferenz zwischen den Kugelschalen variiert werden, wodurch ein Elektronenenergiespektrum aufgenommen werden kann. Alternativ dazu kann der Analysator auch auf eine konstante Passenergie eingestellt werden und die Elektronen können vereinfacht ausgedrückt durch eine Gegenspannung zwischen Analysator und Probe abgebremst werden. Tatsächlich werden diese beiden Methoden meist zusammen eingesetzt.
Zur Anregung der Probe dient in der Regel ein Rasterelektronenmikroskop, das zugleich ein Bild der untersuchten Probenoberfläche liefert.

Was ist damit möglich?

Aus der Energieverteilung der Augerelektronen kann zunächst einmal rein qualitativ die elementare Zusammensetzung der Probe bestimmt werden. Weiterhin kann das Spektrum quantifiziert werden, wobei jedoch nicht absolute, sondern meist nur relative Häufigkeiten bestimmt werden können.

Bei hinreichend hoher Energieauflösng des Spektrums kann aus dem sog. "chemical shift" und bestimmten charakteristischen Merkmalen der Bindungszustand des jeweiligen Elements bestimmt werden.

Im Kombination mit einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop liegt die Ortsauflösung eines Auger-Mikroskops bei wenigen Nanometern (10-9 m). Der primäre Elektronenstrahl dringt zwar einige Mikrometer (10-6 m) in die Probenoberfläche ein, die herausgelösten Augerelektronen stammen jedoch nur von einer nanometerdicken Oberflächenschicht. Dies liegt an der mittleren freien Weglänge von niederenergetischen Elektronen (100-1000 eV), die im Bereich von wenigen zehntel Nanometern liegt. Tiefer in der Probe erzeugte Augerelektronen können daher nicht aus dem Material austreten und tragen nicht zum detektierten Signal bei.

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NANO-SAM am Lehrstuhl für Experimentalphysik II: das Gerät kombiniert ein hochauflösendes REM mit einer Auflösung von 2,3 nm mit einem Auger-Spektroskop. Der Halbkugelanalysator ist links im Bild zu erkennen, oben in der Mitte die Hochspannungszuführung zum REM. Der Basisdruck in der Ultrahochvakuum-Kammer beträgt 1*10-10 mbar.

Ansprechpartner:

Aladin Ullrich


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