Auger-Elektronen-Spektroskopie

Die Auger-Elektronen-Spektroskopie [oʒe-] (AES, nach Pierre Auger) ist eine spektroskopische Methode, die auf dem Auger-Effekt beruht, d. h. auf Analyse von aus einem Festkörper emittierten Elektronen.

Auger-Effekt

Schematische Darstellung des Auger-Effekts (KLM-Auger-Prozess)

Der Auger-Effekt, benannt nach Pierre Auger,^[1][2][3] ist ein strahlungsloser Übergang eines Elektrons in der Elektronenhülle eines Atoms. Er ist ein Alternativprozess zur Röntgenemission bei Auffüllung eines Lochs in einer stärker gebundenen Elektronenschale. Diesen Effekt hatte bereits Lise Meitner 1922 in einer weniger beachteten Arbeit^[4] beschrieben. Da beide den Effekt unabhängig voneinander beschrieben haben, wird der Effekt in einigen neueren Publikationen auch als Auger-Meitner-Effekt bezeichnet.

Erhält ein relativ fest gebundenes Elektron aus einer der inneren Schalen durch ein Photon oder Elektron ausreichend Energie, wird es aus der Atomhülle herausgelöst (Ionisation). Der frei gewordene Platz wird aufgrund seiner niedrigen energetischen Lage durch ein Elektron aus einem höheren Energieniveau wieder belegt. Die dabei frei werdende Energie muss aber nicht in jedem Fall durch Emission eines Photons abgeführt werden (z. B. als charakteristische Röntgenstrahlung), sondern kann auch auf ein anderes Elektron übertragen werden, welches das Atom als Auger-Elektron verlässt.

Die Energie des emittierten Auger-Elektrons ist von den Energieniveaus des beteiligten Atoms abhängig. Sie ergibt sich aus dem Energieniveau des ursprünglichen unbesetzten Zustands, dem Ausgangsniveau des Elektrons, das den Zustand füllt, sowie dem Ausgangsniveau des Augerelektrons. Die möglichen Übergänge sind deswegen nach den beteiligten Elektronen benannt. Wird beispielsweise ein Elektron in der K-Schale herausgelöst, der freiwerdende Platz durch ein Elektron der L-Schale gefüllt und ein Elektron der M-Schale ausgestrahlt (siehe Abbildung), wird dieses Elektron als KLM-Auger-Elektron bezeichnet.

Den Auger-Effekt selbst kann man sich anschaulich so vorstellen, dass zwar ein Röntgenphoton emittiert, aber im selben Atom sofort wieder absorbiert wird, was dann zur Emission des Auger-Elektrons führt. Dies ist aber nur eine Modellvorstellung, da der Auger-Effekt ein strahlungsfreier Prozess ist, und somit die Auswahlregeln bei den Übergängen nicht berücksichtigt werden müssen.

Die Zahl der emittierten Auger-Elektronen hängt auch von der Ordnungszahl Z des untersuchten Elements ab. Am meisten werden Auger-Elektronen von sehr leichten Elementen emittiert, mit zunehmender Ordnungszahl wird dagegen hauptsächlich Röntgenstrahlung emittiert, so dass die chemische Analyse mit Auger-Elektronen-Spektroskopie auf leichtere Elemente beschränkt ist.

Einen Spezialfall des Auger-Prozesses stellt der sogenannte Coster-Kronig-Übergang dar, beispielsweise L₁L₂M. Dabei wird das erzeugte Loch aus einer höheren Unterschale der gleichen Schale aufgefüllt. Wenn das dabei emittierte Auger-Elektron zudem aus der selben Schale kommt, dann spricht man vom Super-Coster-Kronig-Übergang, beispielsweise L₁L₂L₃. Der Coster-Kronig-Prozess wurde nach den beiden Physikern Dirk Coster und Ralph Kronig benannt.^[5]

Auger-Elektronen-Spektroskopie

Die Auger-Elektronen-Spektroskopie ist aufgrund der geringen Reichweite von Elektronen im relevanten Energiebereich (ca. 50 eV bis 3 keV) eine sehr oberflächenspezifische Methode. Die erfasste Materialschicht umfasst typischerweise nur die obersten zehn Atomlagen. Das Verfahren kann daher sehr effizient zur örtlich hochauflösenden (0,01 µm bis 100 µm) Detektierung von Verunreinigungen benutzt werden. Soll dagegen wirklich das reine Material erfasst werden und nicht unabsichtlich aufgebrachte Verunreinigungen, die bei der Probenpräparation entstanden sind, so müssen diese zum Beispiel durch Sputtern mit Argon entfernt werden.

Mit einem Auger-Elektronen-Spektroskop können auch Bilder von der Art eines Rasterelektronenmikroskops (REM) erzeugt werden. Hierfür ist ein Sekundärelektronendetektor nötig, der die Sekundärelektronen in ein REM-Bild umwandelt. So lässt sich eine vergleichbare Auflösung wie bei einem „gewöhnlichen“ REM erzielen. Neben dieser Funktion kann man zur Bilderstellung auch noch den AES-Detektor nutzen. So lassen sich Bilder aufnehmen, die eine Materialinformation tragen. Dieses Verfahren nennt sich Raster-Auger-Elektronenmikroskopie (engl. scanning Auger microscopy, SAM).

Die Nachweisgrenze mit diesem Verfahren liegt bei ca. 0,01–0,1 at%. Erst ab diesem Wert lässt sich der AES-Peak auswerten.

Auch bei der Photoelektronenspektroskopie treten Auger-Elektronen auf. Die durch den Auger-Effekt verursachten Peaks unterscheiden sich dadurch von den „Photopeaks“, dass ihre Energie nicht von der des eingestrahlten Ultraviolett- oder Röntgenlichts abhängt.

Augerneutralisation

Ein Spezialfall des allgemeinen Augerprozesses ist in der Niederenergieionenstreuung von Bedeutung. Hierbei findet der Augerübergang nicht innerhalb eines Atoms statt. Stattdessen wird ein unbesetztes atomares Niveau des Projektils durch ein Elektron aus dem Leitungsband der Probe besetzt und ein weiteres Elektron aus dem Leitungsband emittiert. ^[6]

Siehe auch

• Auger-Rekombination
• Oberflächenchemie

Weblinks

• Seite von THERMO Electron France mit Tabellen für Bindungsenergien usw.
• Projekt des Forschungszentrum Jülich, das die biologische Wirksamkeit inkorporierter Radionuklide, die bei ihrem Zerfall Auger-Elektronen emittieren, untersucht.

Fußnoten und Einzelnachweise

1. ↑ Pierre Auger: Sur les rayons β secondaires produits dans un gaz par des rayons. In: Comptes Rendus. 180, 1925, S. 65 (Volltext auf Gallica).
2. ↑ Pierre Auger: Sur L’effet Photoélectrique Composé. In: Journal de Physique et Le Radium. Nr. 6, 1925, S. 205-208 ((PDF, französisch)).
3. ↑ Pierre Auger: L'effet photoélectrique. Dissertation, Universität Paris, 1926
4. ↑ Lise Meitner: Über die β-Strahl-Spektra und ihren Zusammenhang mit der γ-Strahlung. In: Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei. Nr. 11, 1922, ISSN 0939-7922, S. 35–54, doi:10.1007/BF01328399.
5. ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Wilhelm Raith, Mit Beitragen Von H. Kleinpoppen, M. Fink, N. Risch: Bestandteile der Materie: Atome, Moleküle, Atomkerne, Elementarteilchen. Walter de Gruyter, 2003, ISBN 9783110168006, S. 135–136.
6. ↑ H. H. Brongersma, M. Draxler, M. de Ridder, P. Bauer: Surface composition analysis by low-energy ion scattering. In: Surface Science Reports. 62, Nr. 3, 2007, S. 63–109, doi:10.1016/j.surfrep.2006.12.002.