مطيافية إلكترون أوجيه

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 35 صور
الموسوعة الحرة
يستخدم أحد علماء هانفورد مطياف إلكترون أوجيه لتحديد التركيب العنصري للأسطح.

مطيافية إلكترون أوجيه ( AES ؛ تُنطق [ oʒe ] بالفرنسية) هي تقنية تحليلية شائعة تُستخدم تحديدًا في دراسة الأسطح ، وبشكل أعم، في مجال علم المواد . وهي شكل من أشكال مطيافية الإلكترونات يعتمد على تأثير أوجيه ، استنادًا إلى تحليل الإلكترونات عالية الطاقة المنبعثة من ذرة مثارة بعد سلسلة من أحداث الاسترخاء الداخلي. اكتشفت ليز مايتنر تأثير أوجيه عام 1922، ثم أعاد بيير أوجيه اكتشافه لاحقًا . على الرغم من أن الاكتشاف كان من نصيب مايتنر ونُشر لأول مرة في مجلة Zeitschrift für Physik عام 1922، إلا أن الفضل في الاكتشاف يُنسب إلى أوجيه في معظم الأوساط العلمية. [ 1 ] حتى أوائل الخمسينيات من القرن العشرين، كان علماء المطيافية يعتبرون انتقالات أوجيه مجرد تأثيرات مزعجة، لا تحتوي على معلومات جوهرية مهمة عن المادة، ولكنهم درسوها لتفسير الشذوذات في بيانات مطيافية الأشعة السينية . منذ عام 1953، أصبحت تقنية التحليل الطيفي لانبعاث الإلكترونات (AES) أسلوبًا عمليًا ومباشرًا لتوصيف البيئات الكيميائية والتركيبية للأسطح، وقد وجدت تطبيقات في علم المعادن ، وكيمياء الطور الغازي، وفي جميع أنحاء صناعة الإلكترونيات الدقيقة . [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]

انتقالات الإلكترون وتأثير أوجيه

تأثير أوجيه هو عملية إلكترونية أساسية في مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES)، وينتج عن انتقالات الإلكترونات بين مستويات الطاقة المختلفة وداخلها في ذرة مثارة. عند فحص ذرة بواسطة آلية خارجية، مثل فوتون أو حزمة من الإلكترونات بطاقات تتراوح بين عدة إلكترون فولت و 50 كيلو إلكترون فولت، يمكن إزالة إلكترون من مستوى الطاقة الداخلي، تاركًا وراءه فجوة. ولأن هذه حالة غير مستقرة، يمكن ملء هذه الفجوة بإلكترون من الغلاف الخارجي، حيث يفقد الإلكترون المنتقل إلى مستوى الطاقة الأدنى مقدارًا من الطاقة يساوي الفرق بين طاقات المدارات. يمكن ربط طاقة الانتقال بإلكترون ثانٍ من الغلاف الخارجي، والذي سينبعث من الذرة إذا كانت الطاقة المنقولة أكبر من طاقة ربط المدار. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] يمتلك الإلكترون المنبعث طاقة حركية مقدارها:  

هـالأقارب=هـالحالة الأساسية-هـب-هـج′{\displaystyle E_{\text{kin}}=E_{\text{Core State}}-E_{B}-E_{C}'}

أينهـالحالة الأساسية{\displaystyle E_{\text{Core State}}}،هـب{\displaystyle E_{B}}،هـج′{\displaystyle E_{C}'}تمثل هذه القيم على التوالي طاقات ربط الإلكترونات في مستوى النواة، والغلاف الخارجي الأول، والغلاف الخارجي الثاني (مقاسة من مستوى الفراغ)، وتُعتبر موجبة. تشير الفاصلة العليا (√) إلى تعديل طفيف في طاقة ربط إلكترونات الغلاف الخارجي نتيجة لتأين الذرة؛ ومع ذلك، غالبًا ما يُتجاهل هذا التعديل في الطاقة لتسهيل الحسابات. [ 3 ] [ 8 ] بما أن طاقات المدارات فريدة لكل ذرة من عنصر معين، فإن تحليل الإلكترونات المنبعثة يمكن أن يوفر معلومات حول التركيب الكيميائي للسطح. يوضح الشكل 1 رسمين تخطيطيين لعملية أوجيه.

الشكل 1. منظران لعملية أوجيه. (أ) يوضح بالتسلسل الخطوات المتضمنة في إزالة إثارة أوجيه. يُحدث إلكترون ساقط فجوة في مستوى 1s. يملأ إلكترون من مستوى 2s فجوة 1s، وتُنقل طاقة الانتقال إلى إلكترون 2p الذي ينبعث. وبالتالي، تحتوي الحالة الذرية النهائية على فجوتين، إحداهما في مدار 2s والأخرى في مدار 2p. (ب) يوضح العملية نفسها باستخدام ترميز الأشعة السينية .كل1ل2،3{\displaystyle KL_{1}L_{2,3}}.

تعتمد أنواع الانتقالات بين الحالات المتاحة للإلكترونات أثناء حدث أوجيه على عدة عوامل، بدءًا من طاقة الإثارة الأولية وصولًا إلى معدلات التفاعل النسبية، إلا أنها غالبًا ما تهيمن عليها بضعة انتقالات مميزة. ونظرًا للتفاعل بين عزم الدوران المغزلي وزخم الدوران المداري للإلكترون (اقتران الدوران المداري) وما يصاحبه من انقسام في مستويات الطاقة لمختلف الأغلفة في الذرة، توجد مسارات انتقال متنوعة لملء الفجوة الإلكترونية. تُصنَّف مستويات الطاقة باستخدام عدد من المخططات المختلفة، مثل طريقة اقتران jj للعناصر الثقيلة ( Z ≥ 75)، وطريقة راسل-سوندرز LS للعناصر الأخف ( Z < 20)، ومزيج من كليهما للعناصر المتوسطة. [ 3 ] [ 9 ] [ 10 ] تُستخدم طريقة اقتران jj ، المرتبطة تاريخيًا بتدوين الأشعة السينية ، دائمًا تقريبًا للدلالة على انتقالات أوجيه. وبالتالي، بالنسبة لـكل1ل2،3{\displaystyle KL_{1}L_{2,3}}انتقال،ك{\displaystyle K}يمثل ثقب المستوى الأساسي،ل1{\displaystyle L_{1}}الحالة الأولية للإلكترون المسترخي، ول2،3{\displaystyle L_{2,3}}حالة الطاقة الابتدائية للإلكترون المنبعث. يوضح الشكل 1(ب) هذا الانتقال مع الترميز الطيفي المقابل. غالبًا ما يحدد مستوى طاقة ثقب النواة أنواع الانتقالات المفضلة. بالنسبة لمستويات الطاقة المفردة، مثل K ، يمكن أن تحدث الانتقالات من مستويات L، مما يؤدي إلى ظهور قمم قوية من نوع KLL في طيف أوجيه. يمكن أن تحدث انتقالات إلى مستويات أعلى أيضًا، ولكنها أقل احتمالًا. بالنسبة للأغلفة متعددة المستويات، تتوفر انتقالات من مدارات ذات طاقة أعلى ( أعداد كمية n وℓ مختلفة ) أو مستويات طاقة داخل الغلاف نفسه (نفس n ، عدد كمي ℓ مختلف ). [ 2 ] والنتيجة هي انتقالات من النوع LMM وKLL بالإضافة إلى انتقالات كوستر-كرونيغ الأسرع مثل LLM. [ 2 ] [ 3 ] في حين أن انتقالات كوستر-كرونيغ أسرع، إلا أنها أقل طاقة، وبالتالي يصعب تحديد موقعها على طيف أوجيه. مع زيادة العدد الذري Z، يزداد أيضًا عدد انتقالات أوجيه المحتملة. تكون أقوى تفاعلات الإلكترون-إلكترون بين المستويات المتقاربة، مما يُنتج قممًا مميزة في طيف أوجيه. تُعد قمم KLL وLMM من أكثر الانتقالات شيوعًا التي يتم تحديدها أثناء تحليل السطح. [ 3 ] أخيرًا، يمكن لإلكترونات نطاق التكافؤ أيضًا أن تملأ ثقوب النواة أو أن تنبعث أثناء انتقالات من نوع KVV.

طُوِّرت عدة نماذج، ظاهراتية وتحليلية، لوصف طاقة انتقالات أوجيه. أحد أكثر هذه النماذج سهولةً، والذي طرحه جينكينز وتشونغ، يُقدِّر طاقة انتقال أوجيه ABC على النحو التالي:

هـأبج=هـأ(Z)-0.5[هـب(Z)+هـب(Z+1)]-0.5[هـج(Z)+هـج(Z+1)]{\displaystyle E_{ABC}=E_{A}(Z)-0.5[E_{B}(Z)+E_{B}(Z+1)]-0.5[E_{C}(Z)+E_{C}(Z+1)]}

هـأنا(Z){\displaystyle E_{i}(Z)}هي طاقات الربط لـأنا{\displaystyle i}المستوى th في عنصر ذي عدد ذري ​​Z وهـأنا(Z+1){\displaystyle E_{i}(Z+1)}تمثل هذه القيم طاقات المستويات نفسها في العنصر التالي في الجدول الدوري. ورغم فائدتها عمليًا، فإن نموذجًا أكثر دقة يأخذ في الحسبان تأثيرات مثل الحجب واحتمالات الاسترخاء بين مستويات الطاقة، يعطي طاقة أوجيه على النحو التالي:

هـأبج=هـأ-هـب-هـج-F(بج:x)+Rxأنان+Rxهـx{\displaystyle E_{ABC}=E_{A}-E_{B}-E_{C}-F(BC:x)+R_{xin}+R_{xex}}

أينF(بج:x){\displaystyle F(BC:x)}تمثل طاقة التفاعل بين ثقوب المستويين B و C في الحالة الذرية النهائية x، بينما تمثل R طاقات الانتقال داخل الذرة وخارجها مع مراعاة الحجب الإلكتروني. [ 3 ] يمكن حساب طاقات إلكترونات أوجيه بناءً على القيم المقاسة لمختلفهـأنا{\displaystyle E_{i}}وتُقارن هذه النتائج بالقمم في طيف الإلكترونات الثانوية لتحديد الأنواع الكيميائية. وقد استُخدمت هذه التقنية في تجميع العديد من قواعد البيانات المرجعية المستخدمة في التحليل في أجهزة مطيافية الإلكترونات أوجيه الحالية.

الإعداد التجريبي والقياس الكمي

الأجهزة

الشكل 2. إعداد تجريبي لتحليل طيف أوجيه الإلكتروني باستخدام محلل المرآة الأسطوانية (CMA). يتم تركيز حزمة إلكترونية على العينة، وتنحرف الإلكترونات المنبعثة حول مدفع الإلكترونات وتمر عبر فتحة باتجاه الجزء الخلفي من محلل المرآة الأسطوانية. ثم تُوجّه هذه الإلكترونات إلى مضاعف إلكتروني لتحليلها. يسمح تغيير الجهد عند مصدر المسح برسم بيانات أوجيه في وضع المشتقات. يمكن دمج مدفع أيوني اختياري لإجراء تجارب تحديد العمق.

تنشأ حساسية السطح في مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES) من حقيقة أن طاقات الإلكترونات المنبعثة تتراوح عادةً بين 50  إلكترون فولت و3 كيلو إلكترون فولت، وعند هذه القيم، يكون متوسط ​​المسار الحر  للإلكترونات قصيرًا في المواد الصلبة. ولذلك، يقتصر عمق هروب الإلكترونات على بضعة نانومترات من سطح الهدف، مما يمنح مطيافية أوجيه الإلكترونية حساسية فائقة تجاه الأنواع السطحية. [ 7 ] نظرًا لانخفاض طاقة إلكترونات أوجيه، تُشغَّل معظم أجهزة مطيافية أوجيه الإلكترونية في ظروف فراغ فائق العلو (UHV). تمنع هذه الإجراءات تشتت الإلكترونات عن ذرات الغاز المتبقية، بالإضافة إلى تكوّن طبقة رقيقة من "الغاز (المادة الممتزة)" على سطح العينة، مما يُضعف الأداء التحليلي. [ 6 ] [ 7 ] يوضح الشكل 2 مخططًا نموذجيًا لجهاز مطيافية أوجيه الإلكترونية. في هذا التكوين، تسقط الإلكترونات المركزة على العينة، وتنحرف الإلكترونات المنبعثة إلى محلل مرآة أسطواني (CMA). في وحدة الكشف، تُضاعف إلكترونات أوجيه، وتُرسل الإشارة إلى إلكترونيات معالجة البيانات. تُرسم إلكترونات أوجيه المُجمّعة كدالة للطاقة مقابل طيف الخلفية الواسع للإلكترونات الثانوية. تُعرف وحدة الكشف وإلكترونيات معالجة البيانات مجتمعةً باسم محلل طاقة الإلكترون. [ 11 ]

نظراً لأن شدة قمم أوجيه قد تكون صغيرة مقارنة بمستوى ضوضاء الخلفية، فغالباً ما يتم تشغيل مطياف أوجيه الإلكتروني في وضع مشتق يعمل على إبراز القمم عن طريق تعديل تيار تجميع الإلكترونات عبر جهد متردد صغير مطبق.ΔV=كالخطيئة⁡(ωت){\displaystyle \Delta V=k\sin(\omega t)}يصبح تيار التجميعأنا(V+كالخطيئة⁡(ωت)){\displaystyle I(V+k\sin(\omega t))}. توسيع تايلور يعطي:

أنا(V+كالخطيئة⁡(ωت))≈أنا0+أنا′(V+كالخطيئة⁡(ωت))+يا(أنا"){\displaystyle I(V+k\sin(\omega t))\approx I_{0}+I'(V+k\sin(\omega t))+O(I'')}

باستخدام الإعداد الموضح في الشكل 2، فإن اكتشاف الإشارة عند التردد ω سيعطي قيمة لـأنا′{\displaystyle I'}أودشمالدهـ{\displaystyle {\frac {dN}{dE}}}[ 6 ] [ 7 ] يُبرز الرسم البياني في وضع المشتقة أيضًا البنية الدقيقة لأوجيه، والتي تظهر على شكل قمم ثانوية صغيرة تُحيط بقمة أوجيه الرئيسية. تنشأ هذه القمم الثانوية، التي يجب عدم الخلط بينها وبين الأقمار الصناعية عالية الطاقة (والتي سيتم مناقشتها لاحقًا)، من وجود العنصر نفسه في حالات كيميائية متعددة ومختلفة على السطح (مثل طبقات المادة الممتزة) أو من انتقالات الاسترخاء التي تشمل إلكترونات نطاق التكافؤ للركيزة. يوضح الشكل 3 طيفًا مشتقًا من غشاء نتريد النحاس يُظهر بوضوح قمم أوجيه. القمة الظاهرة في وضع المشتقة ليست قمة أوجيه الحقيقية، بل هي نقطة أقصى ميل لـ N(E) ، ولكن عادةً ما يتم تجاهل هذه النقطة. [ 7 ]

الشكل 3. طيف أوجيه لغشاء نتريد النحاس في وضع المشتقات، مرسوم كدالة للطاقة. تظهر قمم مختلفة للنحاس والنيتروجين مع تسليط الضوء على انتقال KLL للنيتروجين.

التحليل الكمي

يعتمد التحليل شبه الكمي للتركيب والعناصر في العينة باستخدام مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES) على قياس كمية إلكترونات أوجيه المنبعثة أثناء عملية التحليل. وتعتمد كمية الإلكترونات المنبعثة بدورها على عدة معايير حاسمة، مثل المقطع العرضي لتفاعل الإلكترونات وكمية التألق. [ 4 ] [ 6 ] ولأن تأثير أوجيه ليس الآلية الوحيدة المتاحة للاسترخاء الذري، فهناك تنافس بين عمليات الاضمحلال الإشعاعي وغير الإشعاعي لتحديد المسار الرئيسي لإزالة الإثارة. معدل الانتقال الكلي، ω، هو مجموع العمليات غير الإشعاعية (أوجيه) والإشعاعية (انبعاث الفوتونات). كمية إلكترونات أوجيه،ωأ{\displaystyle \omega _{A}}وبالتالي، يرتبط ذلك بنسبة الفلورة (الأشعة السينية)،ωX{\displaystyle \omega _{X}}، بحسب العلاقة،

ωأ=1-ωX=1-دبليوXدبليوX+دبليوأ{\displaystyle \omega _{A}=1-\omega _{X}=1-{\frac {W_{X}}{W_{X}+W_{A}}}}
الشكل 4. إنتاجية التألق وإلكترونات أوجيه كدالة للعدد الذري لفراغات الغلاف K. تكون انتقالات أوجيه (المنحنى الأحمر) أكثر احتمالًا للعناصر الأخف، بينما تصبح إنتاجية الأشعة السينية (المنحنى الأزرق المنقط) هي السائدة عند الأعداد الذرية الأعلى. يمكن الحصول على رسومات بيانية مماثلة لانتقالات الغلافين L وM. تم تجاهل انتقالات كوستر-كرونيغ (أي الانتقالات داخل الغلاف) في هذا التحليل.

أيندبليوX{\displaystyle W_{X}}احتمالية انتقال الأشعة السينية ودبليوأ{\displaystyle W_{A}}يمثل احتمال انتقال أوجيه. [ 6 ] وقد أسفرت محاولات ربط إنتاجية التألق وإنتاجية أوجيه بالعدد الذري عن رسومات بيانية مشابهة للشكل 4. ويظهر بوضوح انتقال من انبعاث الإلكترون إلى انبعاث الفوتون في هذا الرسم البياني مع ازدياد العدد الذري. بالنسبة للعناصر الأثقل، تصبح إنتاجية الأشعة السينية أكبر من إنتاجية أوجيه، مما يشير إلى صعوبة متزايدة في قياس قمم أوجيه عند قيم Z الكبيرة. في المقابل، تُعد مطيافية أوجيه الإلكترونية حساسة للعناصر الأخف، وعلى عكس تألق الأشعة السينية ، يمكن الكشف عن قمم أوجيه لعناصر خفيفة مثل الليثيوم ( Z = 3). يمثل الليثيوم الحد الأدنى لحساسية مطيافية أوجيه الإلكترونية لأن تأثير أوجيه هو حدث "ثلاثي الحالات" يتطلب ثلاثة إلكترونات على الأقل. لا يمكن الكشف عن الهيدروجين أو الهيليوم باستخدام هذه التقنية. بالنسبة للانتقالات القائمة على مستوى الطاقة K، تكون تأثيرات أوجيه هي السائدة عند Z < 15، بينما بالنسبة للانتقالات القائمة على مستويي الطاقة L وM، يمكن قياس بيانات مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES) عند Z ≤ 50. [ 6 ] تحدد حدود الإنتاجية فعليًا حدًا فاصلًا لحساسية مطيافية أوجيه الإلكترونية، ولكن يمكن استخدام تقنيات معقدة لتحديد العناصر الأثقل، مثل اليورانيوم والأمريكيوم ، باستخدام تأثير أوجيه. [ 1 ]

هناك كمية حاسمة أخرى تحدد كمية إلكترونات أوجيه المنبعثة من الكاشف، وهي المقطع العرضي لتأثير الإلكترونات. وقد استندت التقديرات المبكرة (بوحدة سم² ) للمقطع العرضي إلى عمل وورثينجتون وتوملين.

σأx(هـ)=1.3×1013بجهـص{\displaystyle \sigma _{ax}(E)=1.3\times 10^{13}b{\frac {C}{E_{p}}}}

حيث يعمل b كعامل قياس يتراوح بين 0.25 و 0.35، و C دالة لطاقة حزمة الإلكترونات الأولية،هـص{\displaystyle E_{p}}بينما هذه القيمة لـσأx{\displaystyle \sigma _{ax}}إذا تم حسابها لذرة معزولة، فيمكن إجراء تعديل بسيط لمراعاة تأثيرات المصفوفة:

σ(هـ)=σأx[1+رم(هـص،α)]{\displaystyle \sigma (E)=\sigma _{ax}[1+r_{m}(E_{p},\alpha )]}

حيث α هي الزاوية بين شعاع الإلكترونات الساقط والعمود المقام على السطح؛ ويمكن تحديد r m تجريبياً، وهو يشمل تفاعلات الإلكترونات مع المادة الأساسية، مثل التأين الناتج عن الإلكترونات المتناثرة عكسياً. وبالتالي، يمكن كتابة الناتج الكلي على النحو التالي:

Y(ت)=شمالx×دلتات×σ(هـ،ت)[1-ωX]خبرة⁡(-تكوس⁡θλ)×أنا(ت)×تي×د(Ω)4π{\displaystyle Y(t)=N_{x}\times \delta t\times \sigma (E,t)[1-\omega _{X}]\exp \left(-t\cos {\frac {\theta }{\lambda }}\right)\times I(t)\times T\times {\frac {d(\Omega )}{4\pi }}}

هنا، يُمثل N <sub>x</sub> عدد ذرات x لكل وحدة حجم، وλ عمق هروب الإلكترون، وθ زاوية المحلل، و T نفاذية المحلل، و I(t) تدفق إثارة الإلكترون عند العمق t ، وdΩ الزاوية المجسمة، وδt سُمك الطبقة قيد الدراسة. تتضمن هذه الحدود، وخاصةً مردود أوجيه المرتبط باحتمالية الانتقال، التداخل الكمي بين دوال الموجة للحالتين الابتدائية والنهائية . يمكن إيجاد تعابير دقيقة لاحتمالية الانتقال، استنادًا إلى هاميلتونيان الاضطراب من الرتبة الأولى ، في مرجع طومسون وبيكر [ 4 ] . غالبًا ما تكون جميع هذه الحدود غير معروفة، لذا تُقارن معظم التحليلات المردودات المقاسة بمعايير خارجية ذات تركيب معروف. يمكن لنسب البيانات المُكتسبة إلى المعايير أن تُزيل الحدود المشتركة، وخاصةً خصائص الإعداد التجريبي ومعاملات المواد، ويمكن استخدامها لتحديد التركيب العنصري. [ 3 ] [ 6 ] [ 7 ] تعمل تقنيات المقارنة بشكل أفضل مع عينات المواد الثنائية المتجانسة أو طبقات السطح الموحدة، في حين أن تحديد العناصر يتم الحصول عليه بشكل أفضل من مقارنة العينات النقية.

الاستخدامات

توجد عدة مجاهر إلكترونية مصممة خصيصًا للاستخدام في مطيافية أوجيه؛ تُسمى هذه المجاهر مجاهر أوجيه الماسحة (SAMs)، وهي قادرة على إنتاج صور كيميائية عالية الدقة ومُفصّلة مكانيًا. [ 1 ] [ 3 ] [ 5 ] [ 7 ] [ 12 ] تُحصل صور SAM بتحريك حزمة إلكترونية مركزة على سطح العينة وقياس شدة ذروة أوجيه فوق خلفية الإلكترونات المتناثرة. تُربط خريطة الشدة بتدرج رمادي على شاشة، حيث تشير المناطق الأكثر بياضًا إلى تركيز أعلى للعناصر. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم التذرية أحيانًا مع مطيافية أوجيه لإجراء تجارب تحديد التركيب الكيميائي على أعماق مختلفة. تعمل التذرية على إزالة الطبقات الخارجية الرقيقة من السطح، مما يسمح باستخدام مطيافية أوجيه لتحديد التركيب الكيميائي الأساسي. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] تُعرض بيانات التركيب الكيميائي على شكل ارتفاع ذروة أوجيه مقابل زمن التذرية، أو تركيز الذرات مقابل العمق. لقد جعل التقطيع الدقيق للعمق باستخدام تقنية التذرية من تحليل الخصائص الكيميائية للمواد النانوية والأغشية الرقيقة أسلوبًا لا غنى عنه. كما يُستخدم مطياف أوجيه الإلكتروني (AES) على نطاق واسع كأداة تقييم داخل وخارج خطوط إنتاج أشباه الموصلات في صناعة الإلكترونيات الدقيقة، في حين أن تنوع عملية أوجيه وحساسيتها يجعلانها أداة تحليلية قياسية في مختبرات الأبحاث. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] نظريًا، يمكن أيضًا استخدام أطياف أوجيه للتمييز بين حالات البروتنة. فعندما تُبرتَن جزيئة أو تُنزع منها البروتونات، يتغير شكلها الهندسي وبنيتها الإلكترونية، وتعكس أطياف أوجيه الإلكتروني هذا التغير. وبشكل عام، كلما زادت بروتنة الجزيئة، زادت جهود التأين وانخفضت الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة من الغلاف الخارجي. [ 17 ]

على الرغم من مزايا تقنية مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES) من حيث الدقة المكانية العالية والحساسية الكيميائية الدقيقة، إلا أن هناك عدة عوامل تحدّ من إمكانية تطبيقها، خاصةً عند تقييم العينات الصلبة. ومن أبرز هذه القيود تأثيرات الشحن في العينات غير الموصلة. [ 2 ] [ 3 ] يحدث الشحن عندما يختلف عدد الإلكترونات الثانوية الخارجة من العينة عن عدد الإلكترونات الساقطة عليها، مما يؤدي إلى تراكم شحنة كهربائية موجبة أو سالبة على السطح. وتؤثر الشحنات السطحية، سواء الموجبة أو السالبة، بشكل كبير على كمية الإلكترونات المنبعثة من العينة، وبالتالي تشوه قمم أوجيه المقاسة. ومما يزيد الأمر تعقيدًا، أن طرق معادلة الشحنات المستخدمة في تقنيات تحليل الأسطح الأخرى، مثل مطيافية الكتلة الأيونية الثانوية (SIMS)، غير قابلة للتطبيق على مطيافية أوجيه الإلكترونية، لأن هذه الطرق عادةً ما تتضمن قصف السطح بالإلكترونات أو الأيونات (أي قصف السطح ). وقد طُوّرت عدة عمليات لمعالجة مشكلة الشحن، إلا أن أياً منها ليس مثاليًا، ولا تزال تُصعّب عملية تحديد كمية بيانات مطيافية أوجيه الإلكترونية. [ 3 ] [ 6 ] تتضمن إحدى هذه التقنيات وضع وسادات موصلة بالقرب من منطقة التحليل لتقليل الشحن الموضعي. مع ذلك، يحد هذا النوع من الأساليب من تطبيقات مطيافية الانبعاث الذري الماسح (SAM) وكمية مادة العينة المتاحة للفحص. وتتضمن تقنية أخرى ذات صلة ترقيق أو "تجعيد" طبقة غير موصلة باستخدام أيونات الأرجون (Ar +) ، ثم تثبيت العينة على دعامة موصلة قبل إجراء مطيافية انبعاث الإلكترونات (AES). [ 18 ] [ 19 ] وقد أُثير جدل حول هذه الطريقة، حيث زُعم أن عملية الترقيق تترك شوائب عنصرية على السطح و/أو تُنشئ طبقات تالفة تُشوه الروابط وتُعزز الاختلاط الكيميائي في العينة. ونتيجة لذلك، تُعتبر بيانات التركيب الكيميائي المُستقاة من مطيافية انبعاث الإلكترونات (AES) موضع شك. ويشمل الإعداد الأكثر شيوعًا لتقليل تأثيرات الشحن استخدام حزمة إلكترونية بزاوية مائلة (~10°) وطاقة قصف مضبوطة بدقة (بين 1.5 كيلو إلكترون فولت و3 كيلو إلكترون فولت). يمكن للتحكم في كل من الزاوية والطاقة أن يُغير بشكل طفيف عدد الإلكترونات المنبعثة مقارنةً بالإلكترونات الساقطة، وبالتالي يقلل أو يُزيل شحن العينة تمامًا. [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]

بالإضافة إلى تأثيرات الشحن، قد تُحجب بيانات مطيافية أوجيه الإلكترونية (AES) بوجود فقدان طاقة مميز في العينة وأحداث تأين ذري من الرتب العليا. تخضع الإلكترونات المنبعثة من مادة صلبة عادةً لأحداث تشتت متعددة وتفقد الطاقة على شكل تذبذبات جماعية في كثافة الإلكترون تُسمى البلازمونات . [ 2 ] [ 7 ] إذا كانت طاقات فقدان البلازمونات قريبة من طاقة ذروة أوجيه، فقد تتضاءل عملية أوجيه الأقل شدة أمام ذروة البلازمونات. ولأن أطياف أوجيه عادةً ما تكون ضعيفة وممتدة على نطاق طاقة واسع (إلكترون فولت)، يصعب استخلاصها من الخلفية، وفي وجود فقدان البلازمونات، يصبح فصل الذروتين صعبًا للغاية. بالنسبة لهذه الأطياف، غالبًا ما يتطلب الأمر تحليلًا إضافيًا باستخدام تقنيات سطحية حساسة كيميائيًا مثل مطيافية الفوتونات الإلكترونية بالأشعة السينية (XPS) لفصل الذروتين. [ 2 ] في بعض الأحيان، قد يُظهر طيف أوجيه أيضًا ذروات "تابعة" عند طاقات إزاحة محددة جيدًا عن الذروة الأصلية. يُعزى أصل الأقمار الصناعية عادةً إلى أحداث تأين متعددة في الذرة أو إلى سلسلة من عمليات التأين التي تنبعث فيها سلسلة من الإلكترونات نتيجة استرخاء الثقوب الإلكترونية في مستويات الطاقة المتعددة. [ 2 ] [ 3 ] قد يؤدي وجود الأقمار الصناعية إلى تشويه قمة أوجيه الحقيقية و/أو معلومات انزياح القمة الطفيفة بسبب الروابط الكيميائية على السطح. وقد أُجريت العديد من الدراسات لزيادة تحديد كمية قمم الأقمار الصناعية. [ 20 ]

على الرغم من هذه العيوب الجوهرية أحيانًا، تُعدّ مطيافية إلكترون أوجيه تقنية تحليل سطحية شائعة الاستخدام، وقد طُبّقت بنجاح في العديد من المجالات المتنوعة، بدءًا من كيمياء الطور الغازي وصولًا إلى توصيف البنى النانوية. ويمكن استخدام فئة جديدة من محللات الطاقة الكهروستاتيكية عالية الدقة، وهي محللات المجال السطحي (FFA) [ 21 ] [ 22 ] ، في مطيافية الإلكترون عن بُعد للأسطح البعيدة أو الأسطح ذات الخشونة العالية أو حتى الأسطح ذات التجاويف العميقة. صُممت هذه الأجهزة خصيصًا للاستخدام في مجاهر المسح الإلكتروني المدمجة (SEM). لا تحتوي محللات المجال السطحي (FFA) من حيث المبدأ على مجالات طرفية محسوسة، والتي عادةً ما تُشوّه التركيز في معظم المحللات المعروفة، مثل محلل CMA الشهير.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 جرانت، جون تي؛ ديفيد بريجز (2003). تحليل الأسطح باستخدام مطيافية أوجيه ومطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية . تشيتشستر: منشورات آي إم. ISBN 1-901019-04-7.
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 توماس أ. كارلسون (1975). مطيافية الإلكترونات الضوئية ومطيافية أوجيه . نيويورك: مطبعة بلينوم . ISBN 0-306-33901-3.
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 بريغز، ديفيد؛ مارتن ب. سيه (1983). التحليل العملي للأسطح باستخدام مطيافية أوجيه ومطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية . تشيتشستر: جون وايلي وأولاده . ISBN 0-471-26279-X.
  4. 1 2 3 4 5 تومسون، مايكل؛ إم دي بيكر؛ أ. كريستي؛ جيه إف تايسون (1985). مطيافية إلكترون أوجيه . تشيتشستر: جون وايلي وأولاده. ISBN 0-471-04377-X.
  5. 1 2 3 4 5 ديفيس، إل إي، محرر (1980). التحليل السطحي الحديث: التطبيقات المعدنية لمطيافية إلكترون أوجيه (AES) ومطيافية الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS) . وارينديل: الجمعية المعدنية التابعة لمعهد التعدين والمعادن والهندسة (AIME). ISBN 0-89520-358-8.
  6. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 فيلدمان، ليونارد سي؛ جيمس دبليو ماير (1986). أساسيات تحليل الأسطح والأغشية الرقيقة . أبر سادل ريفر: برنتيس هول . ISBN 0-13-500570-1.
  7. 1 2 3 4 5 6 7 8 أورا، ك.؛ في جي ليفشيتس؛ إيه إيه سارانين؛ إيه في زوتوف؛ إم كاتاياما (2003). علم الأسطح: مقدمة . برلين: سبرينغر. ISBN 3-540-00545-5.
  8. ↑ مطيافية أوجيه ( مؤرشفة بتاريخ 10 يناير 2018 في أرشيف الإنترنت ) المختبر الفيزيائي الوطني: كاي ولابي، جداول الثوابت الفيزيائية والكيميائية
  9. ↑ كيتل، تشارلز (1996). مقدمة في فيزياء الحالة الصلبة ( الطبعة السابعة). نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN  81-265-1045-5.
  10. ↑ آش كروفت، نيل؛ ميرمين، ن. ديفيد (1976). فيزياء الحالة الصلبة . إيثاكا: تومسون ليرنينج. ISBN 0-03-049346-3.
  11. ↑ "مطيافية إلكترون أوجيه" . الإلكترونيات الفيزيائية . شركة الإلكترونيات الفيزيائية (PHI). 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 8 يناير 2020 .
  12. ↑ عطارد، غاري؛ بارنز، كولين (يناير 1998). الأسطح . سلسلة أكسفورد التمهيدية في الكيمياء. ص 47. ISBN  978-0-19-855686-2.
  13. ↑ تشاو، ليانغ-تشيون؛ شيه-هسوان يانغ (يونيو 2007). "نمو وتوصيف طيف إلكترونات أوجيه للهياكل النانوية لأكسيد الزنك على شكل حلقات". مجلة علوم الأسطح التطبيقية . 253 (17): 7162-7165 . Bibcode : 2007ApSS..253.7162C . doi : 10.1016/j.apsusc.2007.02.184 .
  14. ↑ سوهوان جانغ وآخرون (مايو 2007). "مقارنة بين أغشية أكسيد الإنديوم والقصدير المُرسبة بتقنية الحزمة الإلكترونية وتقنية الترسيب بالرش لتطبيقات كاشف ضوئي معدني-شبه موصل-معدني بطول موجي 1.55 ميكرومتر". مجلة الجمعية الكهروكيميائية . 154 (5): H336– H339. Bibcode : 2007JElS..154H.336J . doi : 10.1149/1.2667428 . 
  15. ↑ مينغجي شو وآخرون (مارس 2006). "السيليكا المحاكية للأنظمة الحيوية لهياكل ثلاثية الأبعاد غنية بالبوليامينات مُجمَّعة بالكتابة المباشرة بالحبر". المادة اللينة . 2 (3): 205-209 . Bibcode : 2006SMat....2..205X . doi : 10.1039/b517278k . PMID 32646146 .  
  16. ↑ غوندران، كارولين إف إتش؛ شارلين جونسون؛ كيسيك تشوي (سبتمبر 2006). "تحليل العمق الطيفي لإلكترون أوجيه من الأمام والخلف للتحقق من تفاعل بيني عند واجهة HfN/SiO2 " . مجلة علوم وتكنولوجيا الفراغ ب . 24 (5): 2457. Bibcode : 2006JVSTB..24.2457G . doi : 10.1116/1.2232380 .
  17. ↑ كريزيفوي، ن. ف.، وسيدرباوم، ل. س. (سبتمبر 2012). "استكشاف تأثيرات البروتنة وإزالة البروتون باستخدام مطيافية إلكترون أوجيه". مجلة الكيمياء الفيزيائية ، 3 (18): 2733-2737 . doi : 10.1021/jz301130t . PMID 26295900 . 
  18. ↑ يو، لينغ؛ ديلينغ جين (أبريل 2001). "التحليل المجهري باستخدام مطيافية الإلكترونات أوجيه ومطيافية المسح الضوئي للسيراميك الهيكلي عن طريق ترقيق وتغطية الجانب الخلفي" . تحليل السطح والواجهة . 31 (4): 338-342 . doi : 10.1002/sia.982 . S2CID 98258140 . 
  19. ↑ كازو، جاك (ديسمبر 1992). "آليات الشحن في مطيافية الإلكترون". مجلة مطيافية الإلكترون والظواهر ذات الصلة . 105 ( 2-3 ): 155-185 . doi : 10.1016/S0368-2048(99)00068-7 .
  20. ↑ وينت، إم آر؛ إم فوس؛ إيه إس خيفيتس (نوفمبر 2006). "بنية الأقمار الصناعية في أطياف أوجيه و( e ,2e ) للجرمانيوم". فيزياء وكيمياء الإشعاع . 75 (11): 1698-1703 . Bibcode : 2006RaPC...75.1698W . doi : 10.1016/j.radphyschem.2006.09.003 .
  21. ↑ إيلين، أ.م.؛ ن.ر. غوسينوف؛ م.أ. تولجينوفا (2022). "محللات الطاقة الكهروستاتيكية ذات المجال السطحي المخروطي لدراسة المواد النانوية". مجلة التحليل الطيفي الإلكتروني والظواهر ذات الصلة. 257.
  22. ↑ إيلين، أ.م. (2003). "فئة جديدة من محللات الطاقة الكهروستاتيكية ذات مجال وجه أسطواني". الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء، القسم أ. 500 (1-3): 62-67. Bibcode:2003NIMPA.500...62I. doi:10.1016/S0168-9002(03)00334-6.

للمزيد من القراءة

  • مقدمة في تحليل الأسطح باستخدام مطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية (XPS) ومطيافية الإلكترون أوجيه (AES)، تأليف جيه إف واتس وجيه وولستنهولم، منشورات وايلي وأولاده، 2003، تشيتشستر، المملكة المتحدة، رقم ISBN 978-0-470-84713-8
  • جينكينز، ليزلي هـ؛ إم إف تشونغ (سبتمبر 1970). "طاقات إلكترونات أوجيه للإلكترونات في الغلاف الخارجي". علم الأسطح . 22 (2): 479-485 . Bibcode : 1970SurSc..22..479C . doi : 10.1016/0039-6028(70)90099-3 .
  • لاركينز، إف بي (أكتوبر 1977). "طاقات إلكترونات أوجيه شبه التجريبية للعناصر 10 ≤ Z ≤ 100". جداول البيانات الذرية والنووية . 20 (4): 311-387 . Bibcode : 1977ADNDT..20..311L . doi : 10.1016/0092-640X(77)90024-9 .
  • بورهوب، البيئة والصحة والسلامة (يوليو 1955). "Le تجسيد مضان". جورنال دي فيزيك إي لو راديوم (باللغة الفرنسية). 16 (7): 625-629 . دوى : 10.1051 / jphysrad:01955001607062500 .
  • وورثينغتون، سي آر؛ جي. توملين (مايو 1956). "شدة انبعاث الأشعة السينية المميزة". وقائع الجمعية الفيزيائية . السلسلة أ. 69 (5): 401-412 . رمز Bibcode : 1956PPSA...69..401W . doi : 10.1088/0370-1298/69/5/305 .
  • بابارازو، إي. (ديسمبر 2001). "تعليق على بحث يو وجين بعنوان: 'التحليل المجهري باستخدام مطيافية الإلكترونات أوجيه ومطيافية المسح الضوئي للسيراميك البنيوي عن طريق ترقيق وتغطية الجانب الخلفي'". تحليل الأسطح والواجهات . 31 (12): 1110-1111 . doi : 10.1002/sia.1144 . S2CID 98518377 . 
  • "مطيافية إلكترون أوجيه"، بقلم ج. وولستنهولم، منشورات مومينتوم برس، 2015، نيويورك، رقم ISBN 978-1-60650-681-3(نسخة مطبوعة)، 978-1-60650-682-0 (كتاب إلكتروني)
  • إيلين، أ.م. (2017). "مطيافية إلكترون أوجيه". في: توماس، سابو؛ توماس، راجو؛ زكريا، أجيش ك.؛ ميشرا، راغفيندرا كومار (محررون). أساليب المجهر في توصيف المواد النانوية . سلسلة تقنيات توصيف المواد النانوية / تحرير: سابو توماس، راجو توماس، أجيش ك. زكريا، راغفيندرا كومار ميشرا. أمستردام، أكسفورد، كامبريدج، ماساتشوستس: إلسيفير. ISBN 978-0-323-46147-4.