(Fr.: spectroscopie d’électrons Auger; Du.: Augerelektronenspektroskopie; Eng.: Auger electron spectroscopy), afgekort: AES, vorm van elektronenspectroscopie waarbij elektronen worden onderzocht die door de onderzochte materie worden uitgezonden ten gevolge van het augereffect, d.w.z. een vorm van stralingsloze relaxatie van een binnenschilion waarbij een elektron het oorspronkelijke gat in de binnenschil vult en een ander het ion verlaat.
In 1923 ontdekte P. Auger dat bij röntgenbestraling van gassen secundaire elektronen werden uitgezonden; aan zijn interpretatie van wat hij toen het samengesteld foto-elektrisch effect noemde, wordt tot op heden nog niet getwijfeld. Het augereffect heeft sinds die tijd in de belangstelling gestaan van zowel fysische experimentatoren als theoretici. Sinds 1953 werd een extra dimensie aan de bruikbaarheid van dit effect toegevoegd. Lander stelde voor de augerelektronen te gebruiken om elementen te identificeren in het oppervlak van vaste stoffen. Dit bleek later van groot belang voor de oppervlaktefysica en -chemie. Toch duurde het nog tot 1968 voordat Harris erin slaagde augerspectra van oppervlakteatomen te maken. Zijn bijdrage lag voornamelijk in de modificatie van de in die tijd in de belangstelling staande lage-energie-elektronendiffractie (LEED)-techniek zodanig, dat hij in dezelfde apparatuur AES kon bedrijven. Verfijningen in de elektronspectroscopische analyse van augerelektronen werden in 1969 door Palmberg en medewerkers voorgesteld. De door hen ontwikkelde analysatoren worden thans in een grote variëteit van commerciële apparatuur toegepast.
Het augerproces treedt als een van de vele processen op ten gevolge van een bombardement van materie (vaste stoffen of zeer verdunde gassen bij werkdrukken kleiner dan 10−4 torr (≈ 13,3 mPa = 13,3 × 10−3 Nm−2) met elektronen, fotonen of ionen met een typische energie van 1...5 keV. In de praktijk wordt AES voornamelijk bedreven door excitatie door middel van elektronen of fotonen.
Als gevolg van dit bombardement worden elektronen uit binnenschillen van de atomen uit de materie verwijderd. De zo ontstane binnenschilionen hebben een levensduur in de orde van 10−15 s. Relaxatie van deze ionen kan op verschillende wijzen gebeuren. Bekend is het fluorescentieproces waarbij een elektron uit een meer naar buiten gelegen schil het gat in de binnenschil opvult en de vrijkomende energie in de vorm van een lichtquantum uitzendt.
De relaxatie kan echter ook stralingsloos geschieden (afb. 1): het gat in de A-schil (A = K, L, M...) wordt opgevuld door een elektron uit de hoger gelegen B-schil, en gelijktijdig verlaat het elektron uit een eveneens hoger gelegen C-schil het ion. De begintoestand is enkel, de eindtoestand dubbel geïoniseerd. Het verwijderde elektron is het augerelektron, volgens conventie het ABC-augerelektron genoemd (augerovergangen met hoge waarschijnlijkheid zijn die van het KLL-, LMM-, MNN-type). De kinetische energie van het augerelektron wordt in eerste benadering gegeven door:
EABC = IA − IBC
waarin IA de ionisatie-energie voor een elektron uit de A-schil is en IBC de ionisatie-energie voor de beschouwde schillen van het dubbel geïoniseerde systeem. De gegeven formule wordt in de praktijk benaderd door EABC uit te drukken in IA, IB en IC. De gemeten kinetische energie van het augerelektron is gelijk aan
EABC − φSP, waarin φSP de uittreearbeid van de spectrometer is. Hierbij wordt verondersteld dat de spectrometer en het monster op dezelfde elektrostatische potentiaal staan (zie ook afb. 1). De kinetische energie van het augerelektron bevat principieel twee soorten informatie:
1. de waarde van EABC geeft aan van welk element het augerelektron afkomstig is; deze zijn inmiddels in tabellen opgenomen;
2. veranderingen in de ladingtoestand op het atoom (bijv. oxidatie) geven aanleiding tot veranderingen van de ionisatie-energieën en derhalve tot verschuivingen in de ‘elementaire’ waarde van de EABC ; de gemeten verschuivingen (chemical shifts) worden dan ook gebruikt om een indruk te krijgen van de valentietoestand van het element.
Uit het voorgaande blijkt dat de geëmitteerde elektronen ongestoord gemeten moeten kunnen worden. Dit legt beperkingen op ten aanzien van de meetopstelling. Er is een vacuüm met een druk lager dan 10−4 torr nodig om een grote fractie van de elektronen onverstrooid te kunnen meten. Bij elektronenexcitatie vindt de analyse plaats door fasegevoelige detectie. Een schematische opstelling van de door Palmberg e.a. ontworpen cilindrische spiegelanalysator is weergegeven in afb. 2. Het monster A wordt gebombardeerd met primaire elektronen (energie 1...5 keV) De secundaire elektronen, die het oppervlak in alle richtingen verlaten, passeren gedeeltelijk de ingangsspleet B van een coaxiaal cilindersysteem waarvan de binnenste cilinder C op aardpotentiaal en de buitenste cilinder D op een negatieve spanning wordt gehouden. De afgebogen elektronen worden gefocusseerd op een uitgangsspleet E en komen in de detector F terecht. Door de spanning op de buitenste cilinder te variëren wordt steeds en andere fractie van de elektronen naar hun snelheid gesorteerd en naar de detector gestuurd. Een systeem via een lock-in-versterker en X, Y-recorder of oscilloscoop maakt het spectrum van het aantal elektronen N(E) of de afgeleide daarvan, als functie van de kinetische energie zichtbaar.
Het totale spectrum van secundaire elektronen uit de vaste stof is schematisch weergegeven in afb. 3. Lijn A correspondeert met elektronen die elastisch gereflecteerd zijn en die met de primaire energie Ep in de elektronenspectrometer terugkomen. Lijnen B zijn plasmaverlieslijnen, d.w.z. komen overeen met elektronen met energie Ep − n(Epl) waarbij Epl de aanslagwaarde voor collectieve longitudinale excitaties van het elektrongas in de vaste stof is; C is een achtergrond van elektronen die in het kader van deze beschouwing niet interessant zijn. Door cascadeprocessen neemt het aantal elektronen van dit type met afnemende kinetische energie toe (D). De abrupte daling bij zeer kleine kinetische energie heeft als oorzaak dat de vaste stof een uittreearbeid heeft. In afb. 3 nauwelijks waarneembaar is een aantal lijnen E; deze kunnen de augerlijnen zijn. Dit is te onderscheiden door Ep te variëren; blijven daarbij de lijnen op hun plaats in het spectrum, dan heeft men met augerlijnen te maken (zie de vergelijking). Lopen de lijnen mee met Ep , dan heeft men met andere processen te maken.
Een typische wijze van presentatie van augerspectra samenhangend met de wijze waarop de spectra worden verkregen (lock-in-techniek) is die zoals weergegeven in afb. 4, waarin de afgeleide van het aantal elektronen, N(E) naar de energie E, dN(E)/dE, is uitgezet tegen E.
Een specifieke eigenschap van elektronen met kinetische energie van ca. 50...1500 eV is hun relatief korte vrije-weglengte in de vaste stof. De consequentie hiervan is, dat de informatie aanwezig in de augerlijnen afkomstig is van een oppervlaktelaag ter dichte van de orde van 1 nm.
Toepassingen.
De korte vrije-weglengte van de elektronen in de vaste stof maakt dat AES een techniek is die uitsluitend informatie geeft over de bovenste atoomlagen van de vaste stof. Informatie afkomstig van lagen dieper dan ca. 3 nm (ca. 10 atoomlagen vanaf het blootgestelde oppervlak) blijft verborgen in de achtergrond (C, D van afb. 3). Deze techniek is dan ook bij uitstek geschikt voor de studie van adsorptieproblemen, afscheiding aan oppervlakten en grensvlakken (bijv. korrelgrenzen) dus materiaalonderzoek, studie van de heterogene (vaste) katalysator en onderdelen in elektronische apparatuur, waarbij de elektronenemissie een belangrijke rol speelt. Het hoeft nauwelijks betoog dat het vacuüm waarbij deze vorm van analyse wordt bedreven, aan hoge eisen moet voldoen omdat toevallige adsorptie van restgassen de gewenste informatie verstoort. Dit is dan ook de reden dat deze techniek in de meeste gevallen in ultrahoog-vacuüm bedreven wordt (drukken lager dan 10−10 torr).