Auger Electron Spectroscopy(AES)라고 불리는 분석 장비에 대해 알아보겠습니다.
오제 전자 분광기로 불리는 AES는 Auger Effect를 활용한 분석 장비입니다.
그렇다면 Auger Electron은 무엇일까요?
AES(Auger Electron Spectroscopy); Auger Effect/Electron이란 무엇일까?
Auger Electron(오제 전자)는 외부에서 인가되는 electron beam(Incident Particle)이 원자의 inner shell 전자에 충돌하게 되면 inner shell에 위치하고 있던 core electron이 에너지를 얻어 방출이 되게 됩니다. 이때, inner shell에 vacancy가 생기게 되는데, 이 vacancy는 매우 불안정한 state이기 때문에 inner shell의 위에 있던 shell의 전자가 해당 empty spoty(=vacancy)를 채우게 됩니다. 그때, 더 높은 Shell에 있던 전자는 inner shell로 천이가 되면서 에너지를 방출하게 되는데 그 에너지를 인접한 껍질에 존재하던 electron이 방출되는데 사용이 되게 됩니다.
이때, 방출된 제3의 electron이 바로 Auger Electron, 이 현상이 바로 Auger Effect입니다.
Auger electron의 E = Vacancy를 메꾸는 electron이 방출한 E - Auger electron의 Binding E
위와 같은 간단한 수식으로 Auger electron이 가지고 있는 E를 계산 할 수도 있습니다.
따라서, Auger electron의 E는 인가된 electron beam의 에너지와는 관계 없이 원자 내의 Orbital E 차이에 Dependency를 가지고 있습니다. XPS의 경우에는 electron beam의 에너지에 따라 방출되는 광전자의 에너지가 달라지는 Dependency를 가지는데 그와는 다른 형태인 것이죠. 그래서 AES로는 화학 결합을 분석하는데는 어려움이 있습니다.
다시 위에 첨부한 Figure로 돌아와서 설명을 이어하겠습니다.
AES에서 일어나는 Auger Effect는 결국 제3의 전자가 에너지를 얻어 방출하는 형태라는 것을 알 수 있습니다.
어떤 껍질에서 천이가 일어나고, 어떤 껍질에서 전자가 방출되었느냐에 따라서 Auger Effect의 System을 명명할 수 있는데, figure의 경우에는 KL1L2라고 명명을 할 수 있습니다.
K는 최내각 innermost shell, L1의 vacancy를 채워 천이하려는 전자가 있던 껍질, L2는 그 에너지를 얻어 방출된 Auger electron이 있던 껍질로 나타낼 수 있습니다.
AES는 결국 시료 표면에서 발생한 Auger 전자를 측정하여 샘플의 화학적 성분을 분석하기 때문에, 전기 전도성이 없는 절연체의 경우에는 전자가 충분이 전도되지 않아 Auger 전자를 생성하는 데 필요한 에너지 전달이 제한되게 됩니다.
Auger 전자를 명명하는 방식은 위와 같이 설명을 할 수 있습니다.
아까 설명을 드렸듯이, 천이되는 전자, 방출되는 전자의 Shell에 따라서 명명법이 달라지게 됩니다.
AES의 특징
electron beam을 재료 표면에 입사시켜 방출되는 Auger electron의 에너지를 측정하여 재료 표면을 구성하고 있는 원소의 종류 및 양을 분석하는 표면분석장비가 AES입니다.
그렇기에, Auger electron은 bulk에서 발생할 경우 표면 밖으로 뚫고 나오지 못하기 때문에 표면에서만 관찰되며, 약 5nm까지의 표면 분석이 가능합니다.
그리고 Auger electron은 두 Shell 이상이 관여하고 3개의 electron이 관여하기 때문에 Li부터 분석이 가능합니다.
H(Hydrogen), H(Helium)과 같은 경우는 electron이 3개 미만이기 때문에 측정이 불가합니다.
AES Mechanism, 오제 분광기의 원리, 메카니즘
당연히 초고진공 시스템(UHV)를 수반합니다.
샘플 Chamber의 gas가 재료 표면에서 튀어나와 검출기로 가려는 Auger electron의 이동을 방해 할 수 있기 때문에 당연히 고진공을 필요로 합니다. (산란, 흡수 발생 가능)
그리고 표면에 입사되는 빛으로 Xray를 사용할 수도 있지만, 매우 국소적인 spot size를 가지고 detecting을 해야하기 때문에 electron beam을 사용합니다.
그래서 순서대로, electron beam이 샘플에 도달하여 Auger electron이 발생하여 sample 밖으로 방출되게 되면 이를 detector가 감지를 하여 분광기로 작동을 하게 됩니다.
실제로 결과를 위와 같이 나타낼 수 있습니다.