برهم كنش الكترون با سطح

فرض كنيد باریکه الكترون گسيلي از چشمه الكتروني، مطابق شکل1، به سطح نمونه برخورد نمايد. در اين برخورد، متناسب با مقدار انرژی باریکه و نوع نمونه برخوردي، ممکن است که ذره ها و یاپرتو های مختلفي مشاهده شوند که هر یک به نوعي مشخص کننده خواص مختلف سطح بوده و در نتيجه با استفاده از آشكارسازهاي مختلف، مي توان هر يك از آنها را برای تفسیر مشخصات مختلف  اتم های سطح نمونه مورد استفاده قرار داد .
مطابق شکل1 متداول ترين ذرات و یا پرتوهای گسیلی حاصل از برخورد باريكه الكتروني به سطح  نمونه را الکترون های ثانویه، الکترون های پس پراکندگی، الکترون های اوژه و پرتو x تشکیل می دهند که در ادامه به بررسی آنها می پردازیم.

                             
شکل 1، برهم کنش بین الکترون های پرانرژی با نمونه جامد1- پرتوالكتروني 2- محدوده فرار الكترون هاي اوژه3- محدوده فرار الكترون هاي ثانويه 4- محدوده خروج پرتو ايكس 5- محدوده خروج الكترون هاي پس پراكندگي  


1- الکترون ها ی ثانویه
این الکترون ها براساس برخورد غیرالاستیک بین الکترون های فرودی اولیه با الکترون های باند رسانا و گاهی با الکترون های باند ظرفیت بدست می آیند. الکترون های جدا شده که الکترون های ثانویه نامیده می شوند، بین 5 تا10 الکترون ولت انرژی دارند. با توجه به انرژی کم آنها، این الکترون ها به آسانی با ایجاد یک ولتاژ مثبت 300-100ولتی، در قسمت جلویی آشکارساز از نوع PMT جمع آوری می شوند. بواسطه آنکه به طور معمول، بیش از 50 درصد از این الکترون ها جمع آوری می شوند، یک تصویر سه بعدی از نمونه با عمق میدان بالا ایجاد می شود. 


 2- الکترون های پس پراکندگی Backscattered Electrons

این الکترون ها بر اساس برخورد الاستیک الکترون های فرودی با هسته اتم های سطح نمونه گسیل می شوند و هر ماده ای که اتم های آن تعداد پروتون بیشتری دارد موجب افزایش این نوع الکترونهای برگشتی می شود.
از آنجا که برخوردها الاستیک است، هیچ تغییری در انرژي الکترون های پراکنده شده رخ نخواهد داد. زاویه پراکندگی نیز می تواند از صفر تا 180 درجه باشد. از آنجایی که این الکترون ها انرژی بالایی دارند به آسانی الکترون های ثانویه قابل جمع کردن نیستند. متداول ترین آشکارساز برای این منظور، آشکارساز Surface barrier نام دارد که روی نمونه و زیر عدسی شیئی قرار داده می شود و الکترون هایی که به آن برخورد مي كند، شناسایی می شوند. این آشکارسازها از مواد نیمه رسانا ساخته می شوند. یک ماده نیمرسانا یک باند ظرفیت پر و یک باند رسانا خالی دارد که وقتی الکترون های پس پراکندگی به این آشکارساز برخورد می کنند، الکترون ها از باند ظرفیت به باند رسانا حرکت می کنند و الکترون ها دراین باند آزادانه حرکت کرده و یا به باند ظرفیت بر می گردند. اندازه گیری این جریان می تواند تعداد الکترون های پس پراکنده را نشان دهد.


3-پرتو X                                                                              
می دانیم که هر گاه الكترون‌هايي با انرژي بالا به يك نمونه فلزي برخورد كنند، موجب توليد پرتو x مي‌شوند. انرژی پرتو x متناظر با اختلاف ترازهای انرژی الکترونی اتم برخوردی می باشد و از آنجا که این ترازها و اختلاف آنها برای هر ماده ای شناخته شده است با آشکارسازی پرتو های خروجی می توان بعضی از مشخصه های اتم‌هاي روی سطح را شناسایی کرد. از جمله اين مشخصه ها مي توان به تعيين میزان عناصر در نمونه و يا انجام آناليز كمّي اشاره نمود.                                                 
در ميكروسكوپ هاي الكتروني، تكنيكي كه بر اساس استفاده از پرتوهای خروجی پرتو ایکس براي شناسايي مواد شكل گرفته است، تكنيك Energy dispersive spectrometry (EDS)   خوانده    می شود و به طور معمول به عنوان یکی از تجهیزات جانبی روی میکروسکوپ الکترونی قراردارد.


4- الکترون های اوژه                                                                              هنگامی که الکترون به اتم های نمونه برخورد می کند، ممکن است که یک الکترون از یکی از ترازهای اتمی کنده شده و یک حفره به جای گذارد. در این حالت برای اینکه اتم به حالت پایدار برگردد.  مطابق شکل 2، یک الکترون از ترازهای بالاتر به سمت حفره حرکت می کند و در نتیجه آن یک مقدار انرژی آزاد می شود که بسته به اختلاف ترازهای انرژی ممکن است سه حالت رخ دهد:
    
                                       
شكل2: توليدالكترون هاي اوژه  Auger

اگر الکترون گسیلی از مدار خارجی باشد انرژی ساطع شده کم بوده و به صورت فوتون گسیل مي شود.  اگر تراز حفره داخل تر باشد انرژی آزاد شده بیشتر و در این حالت پرتو x گسیل می شود که قبلاً مورد بحث قرارگرفت. گاهی اوقات نیز این انرژی اضافی به یکی از الکترون های داخلی منتقل می شود و موجب گسیل آن می شود. به این الکترون های گسیلی، الکترون های اوژه گویند. آشکارسازی آنها، موسوم به آشکارساز AES ، اطلاعات مهمی از ماده از جمله نوع و غلظت آن را ارائه می دهد. آنالیز الکترون های اوژه با توجه به انرژی بسیار کم آنها تنها در شرایط خاص از جمله خلأ بسیار بالا، قابل انجام است.
برای درک بهتر، انرژی دو حالت گسیل پرتو x و الکترون های اوژه را برای عنصر تیتانیوم مورد توجه قرار می دهیم. انرژی پرتو x گسیلی بواسطه گذار الکترون از تراز ₄ Mبه تراز ₂ Lبرابر است با
                                                                           E_X=E_L2-E_M4=457.8 ev                                                                   
و متناظر آن برای الکترون های اوژه، انرژی آنها برابراست با:
                                                                         E_Auger=E_L2-E_M4=423 ev    

در شکل3، فرایند تولید پرتو ایکس و الکترون اوژه، به صورت مقایسه ای، نشان داده شده است.  


                    
                                        فرآيند توليد پرتو x                               فرآيند توليد الكترون هاي اوژه                   
 شكل3: نحوه شكل گيري پرتو ايكس و الكترون هاي اوژه 
 
گاهي، مطابق شكل4، انرژي الكترون ها و نوع مواد نمونه و همچنين ضخامت لايه به گونه اي مي باشد كه باريكه الكتروني از داخل نمونه نازک عبور می کند و در اين حالت ذره های بیشتری، مانند الكترون هاي پراكندگي عبوري الاستيك و الكترون هاي پراكندگي عبوري غير الاستيك، گسیل مي شوند.

                           
 شکل4 : برهم کنش بین الکترون های پرانرژی با نمونه جامد در آنالیز  STEMوTEM ، 1-الکترونهای فرودی، 2-الکترون های ثانویه، 3- الکترون های پس پراکندگی، 4-گرما، 5-الکترون های پراکندگی الاستیک، 6- الکترون های عبوری، 7- الکترون های پراکندگی غیرالاستیک، 8-نمونه نازک شده، 9-برم اشترلانگ، 10-پرتوx  

---

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی