สเปกโตรสโคปีอิเล็กตรอนออเจอร์
สเปกโตรสโคปีอิเล็กตรอนออเจอร์
ผู้ค้นหาโครงสร้างนาโนและฟิล์มบาง
สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนแบบออเกอร์เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์อย่างมากในการอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวของวัสดุ ในปัจจุบันยังมีสาขาที่ยังไม่เป็นที่รู้จักอีกมากมายในสาขานี้ และข้อมูลที่ได้รับก็น่าสนใจอย่างยิ่ง ขณะเดียวกันก็เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่งต่อการพัฒนาวัสดุ คาดว่าจะมีการประยุกต์ใช้งานในสาขาอื่นๆ ที่กว้างขึ้นในอนาคต
เมื่อฉายลำแสงอิเล็กตรอนที่มีจุดโฟกัสแคบลงบนพื้นผิววัสดุ อิเล็กตรอนจะถูกพุ่งออกมาจากพื้นผิวด้านบนสุดของตัวอย่าง อิเล็กตรอนที่ถูกพุ่งออกมานี้เรียกว่าอิเล็กตรอนออเกอร์ (Auger electrons) ซึ่งเป็นอิเล็กตรอนที่มีพลังงานเฉพาะตัวกับธาตุต้นกำเนิด และด้วยการวัดพลังงานของอิเล็กตรอนออเกอร์ ทำให้สามารถระบุได้ว่าธาตุใดมีอยู่ อยู่ในสถานะทางเคมีแบบใด ในพื้นที่เล็กๆ บนผิวด้านบนของของแข็ง การตรวจสอบความเข้มของการแผ่รังสีทำให้สามารถระบุได้ว่าธาตุแต่ละชนิดมีอยู่มากน้อยเพียงใด
Auger Electron ดีดออกจากอะตอม
มาอธิบายกันว่า Auger electron คืออะไร ซึ่งถือเป็นกุญแจสำคัญในการวิเคราะห์โครงสร้างของพื้นผิววัสดุ
รูปที่ 1 แผนภาพหลักการสร้างอิเล็กตรอนของสว่าน
ดังแสดงในรูปที่ 1 อะตอมมีอิเล็กตรอนอยู่รอบนิวเคลียส จำนวนอิเล็กตรอนที่แน่นอนจะเติมลงในตำแหน่งในแต่ละระดับ ซึ่งเรียกว่าระดับ K ระดับ L และอื่นๆ นอกจากนี้ พลังงานของอิเล็กตรอนจะสูงขึ้นในระดับที่อยู่ไกลจากนิวเคลียส โดยเพิ่มขึ้นตามลำดับของระดับ K, L และ M
นอกจากนี้ พลังงานของอิเล็กตรอนในแต่ละระดับ K, L, M และอื่นๆ ยังเป็นค่าเฉพาะสำหรับแต่ละองค์ประกอบ
ตอนนี้ เมื่ออิเล็กตรอนความเร็วสูงบินจากภายนอกสู่อะตอม อิเล็กตรอนอาจชนกับอิเล็กตรอนในระดับ K และผลักอิเล็กตรอนออกไปนอกอะตอม (รูปที่ 1(a)) ซึ่งหมายความว่าระดับ K ตอนนี้ขาดอิเล็กตรอนไปหนึ่งตัว ดังนั้นอิเล็กตรอนตัวหนึ่งจากระดับ L จะเคลื่อนที่เพื่อเติมช่องว่าง เนื่องจากอะตอมจะทำหน้าที่ให้อยู่ในสภาวะที่เสถียรซึ่งมีพลังงานต่ำที่สุดเสมอ หากอิเล็กตรอนในระดับ L ซึ่งมีพลังงานสูง ลดลงถึงระดับ K ซึ่งมีพลังงานต่ำกว่า แสดงว่ามีพลังงานเหลืออยู่เพิ่มเติม พลังงานพิเศษนี้สามารถปล่อยออกมาจากอะตอมได้สองวิธีดังนี้
(1)สร้างเอกซเรย์และปล่อยพลังงาน (รูปที่ 1(b))
(2)อิเล็กตรอนในระดับ L ได้รับพลังงานและถูกขับออกมา (รูปที่ 1(c))
กรณี (2) เรียกว่าการเปลี่ยนแปลงของ KLL Auger และอิเล็กตรอนที่พุ่งออกมาเรียกว่า Auger อิเล็กตรอน ซึ่งตั้งชื่อตาม พี. ออเกอร์ ผู้ค้นพบปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรก
พลังงานของอิเล็กตรอนออเกอร์นี้จะเท่ากับผลต่างระหว่างพลังงานของอิเล็กตรอนในระดับ L และพลังงานของอิเล็กตรอนในระดับ K ลบด้วยพลังงานที่จำเป็นในการกระโดดออกนอกอะตอม ค่านี้แตกต่างกันไปในแต่ละอะตอม และอยู่ที่ประมาณ 10 eV ถึง 3000 eV ระยะทางที่อิเล็กตรอนที่มีพลังงานระดับนี้สามารถเคลื่อนที่ในของแข็งได้โดยไม่สูญเสียพลังงานไม่เกินหลายนาโนเมตร (นาโนเมตร: หนึ่งในล้านมิลลิเมตร) หากอิเล็กตรอนออเกอร์ถูกปล่อยออกมาจากตำแหน่งที่อยู่ใต้พื้นผิวของของแข็ง มันจะสูญเสียพลังงานขณะเคลื่อนที่ผ่านของแข็ง และไม่สามารถหลุดออกจากพื้นผิวได้ ดังนั้น อิเล็กตรอนออเกอร์จึงถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวด้านบนสุดเท่านั้น นี่คือเหตุผลที่ Auger Electron Spectroscopy จึงเป็นเครื่องมือสำหรับการวิเคราะห์พื้นผิว
ข้อมูลประเภทใดได้มาจากเครื่องมือประเภทใด
ตอนนี้เราจะอธิบายกลไกของเครื่องมือ
ลำแสงอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดอิเล็กตรอนจะทะลุผ่านเลนส์และถูกจัดเรียงตัว จากนั้นจึงฉายรังสีไปยังพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบ
โดยการสแกนลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสไว้บนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบโดยใช้ขดลวดเบี่ยงเบน ผู้ใช้สามารถเลือกพื้นที่ที่สนใจหรือสังเกตภาพของสว่านได้
รูปที่ 2 ภาพตัดขวางของแผนภาพหลักและ JAMP-9500F
สว่านสเปกตรัม
อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบจะถูกวิเคราะห์โดยเครื่องมือที่แยกพลังงานที่เรียกว่า HSA (เครื่องวิเคราะห์เซกเตอร์ครึ่งซีก) หลังจากกำหนดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับ HSA แล้ว เฉพาะอิเล็กตรอนที่มีพลังงานตรงกับแรงดันไฟฟ้าเท่านั้นที่จะสามารถผ่าน HSA และตรวจพบได้
ดังนั้นหากเราตรวจสอบปริมาณอิเล็กตรอนที่ตรวจพบขณะสแกนแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับ HSA เราจะสามารถตรวจจับอิเล็กตรอนของสว่านซึ่งผสมกับอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับได้ โดยการตรวจสอบพลังงานสูงสุด เราสามารถระบุองค์ประกอบที่มีอยู่บนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบได้ เนื่องจากพื้นหลังจากอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนที่กระเจิงกลับกันมีขนาดใหญ่ และยอดของสว่านมีขนาดเล็ก เพื่อให้สังเกตยอดของ Auger ได้ง่ายขึ้น สเปกตรัมของอิเล็กตรอนที่ตรวจพบจึงมีความแตกต่างและแสดงผล แกนนอนเป็นพลังงานของอิเล็กตรอนของสว่านในขณะที่แกนตั้งแสดงปริมาณของอิเล็กตรอนของสว่าน รูปที่ 3 แสดงสเปกตรัมของสว่าน
รูปที่ 3 ระบบสเปกตรัมของสว่าน Sn · Ag · Cu · Bi (บัดกรีแบบไม่มี Pb)
รวมถึงฟังก์ชันกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด
เมื่อลำแสงอิเล็กตรอนกระทบกับวัสดุ อิเล็กตรอนที่เรียกว่าอิเล็กตรอนทุติยภูมิก็จะถูกปล่อยออกมาเช่นกัน โดยการตรวจจับอิเล็กตรอนเหล่านี้ เราสามารถสังเกตรูปแบบของชิ้นงานทดสอบ เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดทั่วไป
นอกจากนี้ อิเล็กตรอนที่กระจัดกระจายและเอ็กซ์เรย์ลักษณะเฉพาะ ซึ่งให้ข้อมูลที่สำคัญเกี่ยวกับตัวอย่าง จะถูกปล่อยออกมา
ด้วยเหตุผลนี้ เครื่องตรวจจับทุกประเภทจึงถูกรวมเข้าไว้ด้วยกัน
ภาพสว่าน
โดยการสแกนลำอิเล็กตรอนทั่วพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบและวัดอิเล็กตรอนของสว่านที่แต่ละจุดบนชิ้นงานทดสอบ จากนั้นแสดงโดยเทียบปริมาณกับสี ได้ภาพ Auger เช่น รูปที่ 4
ตัวอย่างของรูปที่ 3 และรูปที่ 4 เป็นข้อมูลของชิ้นงานบัดกรีไร้สารตะกั่ว (ชุดดีบุก-เงิน-ทองแดง-บิสมัท)
ด้านซ้ายบนของรูปที่ 4 แสดงภาพอิเลคตรอนทุติยภูมิของชิ้นงานทดสอบ (แสดงถึงรูปแบบของชิ้นงานทดสอบ) ด้านซ้ายล่างแสดงภาพ Auger ที่ทำด้วยเงิน และด้านขวาล่างแสดงภาพ Auger ของทองแดง ด้านบนขวาแสดงภาพคอมโพสิตที่มีภาพ Auger สองภาพระบายสี (สีเงินเป็นสีเขียว ทองแดงเป็นสีแดง) และซ้อนทับกันบนภาพอิเล็กตรอนทุติยภูมิ คุณสามารถเห็นการกระจายของเงินและทองแดงบนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบได้อย่างรวดเร็ว
รูปที่ 4 ภาพสว่าน เงิน ระบบทองแดง Sn · Ag · Cu · Bi (บัดกรีแบบไม่มี Pb)
การกำหนดการกระจายองค์ประกอบในโปรไฟล์เชิงลึก
เมื่อวิเคราะห์พื้นผิว ไม่ควรปนเปื้อนพื้นผิว ดังนั้น ห้องวิเคราะห์ตัวอย่างจะถูกเก็บไว้ที่สุญญากาศสูงพิเศษ ถึงกระนั้น การปนเปื้อนที่ติดอยู่กับพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบตั้งแต่ต้นก็เป็นเรื่องยากที่จะขจัดออก ดังนั้นแหล่งกำเนิดไอออนจึงถูกใช้เพื่อฉายรังสีไอออนลงบนพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบเพื่อขับสิ่งปนเปื้อนออก การใช้แหล่งกำเนิดไอออนทำให้ไม่เพียงทำความสะอาดพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบเท่านั้น แต่ยังสามารถตัดพื้นผิวของชิ้นงานทดสอบออกด้วย ดังนั้น โดยการทำซ้ำขั้นตอนการวัดสเปกตรัมของสว่านและการตัดวัสดุออกไป สามารถรับการกระจายองค์ประกอบในทิศทางความลึกได้
รูปที่ 5 เป็นข้อมูลของชิ้นงานลูกบัดกรี ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ข้อมูลนี้แสดงการแจกแจงองค์ประกอบในทิศทางเชิงลึก แกนนอนสอดคล้องกับทิศทางความลึก และแกนแนวตั้งแสดงถึงความเข้มของอิเล็กตรอนของสว่านของแต่ละองค์ประกอบ
จากผลลัพธ์นี้ เราพบว่ามีการตรวจพบออกซิเจนและดีบุกบนผิวชิ้นงานทดสอบ เราจึงรู้ว่าพื้นผิวถูกปกคลุมด้วยดีบุกออกไซด์ ความหนาของชั้นดีบุกออกไซด์ส่งผลต่อคุณสมบัติการยึดติดของลูกบัดกรีตลอดจนลักษณะเฉพาะ เช่น การนำไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีการศึกษาวิจัยเพื่อพิจารณาว่าความแตกต่างในสภาวะการผลิตและสภาพแวดล้อมในการจัดเก็บส่งผลต่อความหนาของชั้นออกซิไดซ์อย่างไร
รูปที่ 5 โปรไฟล์ความลึกขององค์ประกอบต่าง ๆ (ลูกประสาน)
การกำหนดสถานะทางเคมี
ลักษณะของลูกบัดกรีที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถได้รับอิทธิพลจากว่าชั้นออกซิไดซ์เป็น SnO2 หรือ SnO หรือไม่ การวัดสถานะทางเคมีของดีบุกจึงเป็นสิ่งสำคัญ JAMP-9500F ที่ติดตั้ง HSA สามารถวิเคราะห์สถานะทางเคมีขององค์ประกอบต่างๆ รูปที่ 6 แสดงสเปกตรัมมาตรฐานของ SnO2, SnO และโลหะ Sn
เมื่ออะตอมถูกผูกมัดกับอะตอมอื่น ตำแหน่งพีคจะเปลี่ยน และรูปร่างของสเปกตรัมจะเปลี่ยนไป กล่าวอีกนัยหนึ่ง รูปร่างของสเปกตรัมจะแตกต่างกันไปตามสถานะทางเคมีของธาตุ
รูปที่ 6 สเปกตรัมมาตรฐานโลหะ Sn, SnO, ของ SnO2
ด้วยการใช้สเปกตรัมมาตรฐานเพื่อแยกสเปกตรัมที่ได้จากรูปที่ 5 ทางคณิตศาสตร์ สามารถรับการกระจายโปรไฟล์เชิงลึกตามสถานะทางเคมีได้ ผลของการวิเคราะห์สถานะทางเคมีนี้แสดงในรูปที่ 7
ผลลัพธ์นี้แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวประกอบด้วย SnO2 (เตตระวาเลนท์) และ SnO ของดีบุกที่มีสารสองวาเลนต์นั้นมีอยู่ในส่วนต่อประสานกับดีบุกโลหะ
รูปที่ 7 โปรไฟล์ความลึกของสถานะทางเคมีต่างๆ (ลูกประสาน)
Auger Microprobe ท้าทายโลกนาโน
เนื่องจาก Auger Electron Spectroscopy มีระบบออปติกอิเล็กตรอนประสิทธิภาพสูง และสามารถรวมลำแสงอิเล็กตรอนให้มีขนาดเล็กและแม่นยำมากได้ จึงสามารถวิเคราะห์พื้นที่ที่เล็กมากได้ รวมถึงโครงสร้างที่มีขนาดประมาณ 10 นาโนเมตร (หนึ่งในแสนมิลลิเมตร)
เนื่องจากองค์ประกอบและสถานะทางเคมีในพื้นผิวด้านบนสุดและบริเวณไมโครของวัสดุมักกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของสารกึ่งตัวนำ เซรามิก และโลหะ ดังนั้น Auger Electron Spectroscopy จึงมีบทบาทสำคัญในการวิเคราะห์พื้นผิวและการวิเคราะห์พื้นที่เล็กมาก และคาดว่าจะมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นในอนาคต
"JAMP-9510F Field Emission Auger Microprobe" ของ JEOL เป็นเครื่องสเปกโตรมิเตอร์อิเล็กตรอนแบบ Auger ที่มีคุณสมบัติสูง พร้อมด้วยเครื่องวิเคราะห์แบบครึ่งทรงกลมสำหรับการวิเคราะห์สถานะพันธะเคมีที่พื้นที่ตั้งแต่ระดับนาโนไปจนถึงระดับไมโคร และใช้ปืนอิเล็กตรอนแบบปล่อยสนามสำหรับ EPMA เช่นกัน เนื่องจากสามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่และเสถียรได้ แท่นตัวอย่างแบบยูเซนทริกที่มีความแม่นยำสูงทำให้สามารถวิเคราะห์ฉนวนที่ไม่เคยทำได้มาก่อนได้ เมื่อใช้ร่วมกับปืนไอออนแบบลอยตัว จึงทำให้มีความคล่องตัวในการใช้งานกับตัวอย่างทุกประเภท เช่น โลหะและวัสดุฉนวน เพื่อให้ได้ข้อมูลองค์ประกอบและข้อมูลทางเคมี
