مطيافية أوجيه الإلكترونية

التحليل الطيفي الإلكتروني لأوجير، هي تقنية تحليلية شائعة تستخدم على وجه التحديد في دراسة الأسطح، وبشكل أكثر عمومية في مجال علم المواد، حيث إنه شكل من أشكال التحليل الطيفي الإلكتروني الذي يعتمد على تأثير أوجيه بناءً على تحليل الإلكترونات النشطة المنبعثة من ذرة مثارة بعد سلسلة من أحداث الاسترخاء الداخلية.

مطيافية أوجيه

تم اكتشاف تأثير أوجيه بشكل مستقل من قبل كل منليز مايتنر وبيير أوجيه في عشرينيات القرن الماضي، ويُنسب إلى أوجيه هذا الاكتشاف في معظم المجتمع العلمي، حيث كانت انتقالات أوجيه تعتبر تأثيرات مزعجة من قبل خبراء التحليل الطيفي، حيث لا تحتوي على الكثير من المعلومات المادية ذات الصلة، ولكن تمت دراستها لشرح الحالات الشاذة في بيانات التحليل الطيفي للأشعة السينية.

ومع ذلك، منذ عام 1953، بقيت مطيافية أوجيه الإلكترونية تستخدم لتوصيف عملية ومباشرة لمعرفة البيئات السطحية الكيميائية والتركيبية ووجدت تطبيقات في علم المعادن وكيمياء الطور الغازي، وفي جميع أنحاء صناعة الإلكترونيات الدقيقة.

انتقالات الإلكترون وتأثير أوجيه

تأثير أوجيه هو عملية إلكترونية في قلب مطيافية أوجيه الإلكترونية ناتجة عن التحولات بين الدول وداخلها للإلكترونات في ذرة مثارة، حيث إنه عندما يتم سبر ذرة بواسطة آلية خارجية، مثل فوتون أو حزمة من الإلكترونات ذات طاقات تتراوح بين عدة  إلكترون فولت إلى 50 كيلو إلكترون فولت، يمكن إزالة إلكترون الحالة الأساسية تاركًا وراءه ثقبًا. نظرًا لأن هذه حالة غير مستقرة، يمكن ملء الثقب الأساسي بواسطة إلكترون غلاف خارجي، حيث يفقد الإلكترون الذي ينتقل إلى مستوى الطاقة الأدنى كمية من الطاقة تساوي الفرق في الطاقات المدارية، ويمكن أن تقترن طاقة الانتقال بإلكترون الغلاف الخارجي الثاني، والذي سينبعث من الذرة إذا كانت الطاقة المنقولة أكبر من طاقة الارتباط المدارية، حيث سيكون للإلكترون المنبعث طاقة حركية من: 

حيث ان ، ، هي على التوالي المستوى الأساسي  الغلاف الخارجي الأول، وطاقات الربط الإلكتروني للقشرة الخارجية الثانية، حيث تقاس من مستوى الفراغ، والتي تعتبر إيجابية، وتشير الفاصلة العليا (tic) إلى تعديل طفيف لطاقة الربط لإلكترونات الغلاف الخارجي بسبب الطبيعة المتأينة للذرة، ومع ذلك، غالبًا ما يتم تجاهل تعديل الطاقة هذا من أجل تسهيل العمليات الحسابية.

ونظرًا لأن الطاقات المدارية تنفرد بها ذرة عنصر معين، يمكن أن ينتج عن تحليل الإلكترونات المقذوفة معلومات حول التركيب الكيميائي للسطح.

العوامل التي يعتمد عليها انتقال الإلكترون في مطايفية أوجير

تعتمد أنواع التحولات من حالة إلى حالة المتاحة للإلكترونات خلال حدث أوجيه على عدة عوامل، تتراوح من طاقة الإثارة الأولية إلى معدلات التفاعل النسبية، ومع ذلك غالبًا ما يهيمن عليها عدد قليل من التحولات المميزة، حيث أنه بسبب التفاعل بين دوران الإلكترون والزخم الزاوي المداري، وما يصاحب ذلك من انقسام مستوى الطاقة لمختلف الأصداف في الذرة، هناك مجموعة متنوعة من المسارات الانتقالية لملء ثقب أساسي.  يتم تصنيف مستويات الطاقة باستخدام عدد من المخططات المختلفة مثل طريقة اقتران jj للعناصر الثقيلة ( Z ≥ 75)، وطريقة راسل سوندرز LS للعناصر الأخف وزنًا ( Z <20)، ومزيج من كلاهما للعناصر الوسيطة، إذ أن طريقة اقتران jj، والتي ترتبط تاريخيًا بتدوين الأشعة السينية، تُستخدم دائمًا للإشارة إلى انتقالات أوجيه. وهكذا لكل انتقال يمثل ثقب المستوى الأساسي إلى حالة الاسترخاء الأولية للإلكترون، وإلى حالة الطاقة الأولية للإلكترون المنبعث.

يوضح الشكل، هذا الانتقال بالتدوين الطيفي المقابل، إذ أنه غالبًا ما يحدد مستوى الطاقة في الثقب الأساسي أنواع الانتقال التي سيتم تفضيلها، وبالنسبة لمستويات الطاقة الفردية، مثل K، يمكن أن تحدث انتقالات من مستويات L، مما يؤدي إلى ظهور قمم قوية من نوع KLL في طيف أوجيه.يمكن أن تحدث انتقالات المستوى الأعلى أيضًا، ولكنها أقل احتمالًا، فبالنسبة للقذائف متعددة المستويات تتوفر التحولات من مدارات طاقة أعلى في أرقام n ، ℓ كمية مختلفة أو مستويات طاقة داخل نفس الغلاف ونفس n، لكن رقم مختلف، والنتيجة هي انتقالات من النوع (LMM) و (KLL) مع انتقالات أسرع بين (Coster و Kronig) مثل ماجستير، بينما تكون انتقالات كوستر كرونيغ أسرع، فهي أيضًا أقل نشاطًا وبالتالي يصعب تحديد موقعها على طيف أوجيه.

مع زيادة العدد الذري Z، يزداد أيضًا عدد انتقالات أوجيه المحتملة. لحسن الحظ ، تكون أقوى تفاعلات الإلكترون والإلكترون بين المستويات القريبة من بعضها البعض، مما يؤدي إلى ظهور قمم مميزة في طيف أوجيه، حيث تعد قمم (KLL) و (LMM) من أكثر التحولات التي يتم تحديدها شيوعًا أثناء تحليل السطح، وأخيرًا، يمكن أيضًا أن تملأ إلكترونات نطاق التكافؤ الثقوب الأساسية أو تنبعث أثناء التحولات من نوع (KVV).

استخدامات مطيافية أوجير الإلكترونية

• هناك عدد من المجاهر الإلكترونية التي تم تصميمها خصيصًا للاستخدام في مطيافية أوجيه؛ هذه تسمى مجاهر أوجيه المسح (SAMs) ويمكن أن تنتج صورًا كيميائية عالية الدقة ومحللة مكانيًا، ويتم الحصول على صورة مطيافية أوجير الإلكترونية عن طريق تمرير حزمة إلكترونية مركزة عبر سطح العينة وقياس شدة ذروة أوجيه فوق خلفية الإلكترونات المبعثرة.

• تتعلق خريطة الكثافة بمقياس رمادي على شاشة مع مناطق أكثر بياضًا مقابلها تركيز عنصر أكبر، بالإضافة إلى ذلك، الاخرق الذي يستعمل أحيانًا مع مطياف أوجيه لتتم تجارب تحديد العمق، حيث يزيل الاخرق الطبقات الخارجية الرقيقة للسطح بحيث يمكن استخدام مطيافية أوجير الإلكترونية لتحديد التركيب الأساسي.

• تظهر ملامح العمق إما بارتفاع ذروة أوجيه مقابل وقت الرش أو التركيز الذري مقابل العمق، فلقد جعل الطحن الدقيق بعمق من خلال الاخرق عملية التنميط تقنية لا تقدر بثمن للتحليل الكيميائي للمواد ذات البنية النانوية والأغشية الرقيقة.

• حيث تُستعمل مطيافية أوجير الإلكترونية أيضًا على نطاق أكبر لتستخدم في تقييم داخل وخارج الخطوط الفابونية في عمل الإلكترونيات الدقيقة، في حين أن تنوع وحساسية عملية أوجيه تجعلها أداة تحليلية قياسية في مختبرات الأبحاث.

• ومن الناحية النظرية، يمكن أيضًا استخدام أطياف أوجيه للتمييز بين حالات البروتون، فعندما يتم البروتونات الجزيئية أو نزعها، تتغير الهندسة والبنية الإلكترونية، وتعكس أطياف أوجير الإلكترونية ذلك، وبشكل عام عندما يصبح الجزيء أكثر بروتونًا، تزداد إمكانات التأين وتقل الطاقة الحركية لإلكترونات الغلاف الخارجي المنبعثة.

عيوب مطيافية أوجير الإلكترونية

على الرغم من مزايا الدقة المكانية العالية والحساسية الكيميائية الدقيقة المنسوبة إلى مطيافية أوجير الإلكترونية، هناك العديد من العوامل التي يمكن أن تحد من قابلية تطبيق هذه التقنية، خاصة عند تقييم العينات الصلبة.أحد القيود الأكثر شيوعًا التي تواجه مطيافية أوجيه هي تأثيرات الشحن في العينات غير الموصلة، إذ ينتج عن الشحن عندما يختلف عدد الإلكترونات الثانوية التي تغادر العينة عن عدد الإلكترونات الساقطة، مما يؤدي إلى صافي شحنة كهربائية موجبة أو سالبة على السطح، حيث تؤدي كل من الشحنات السطحية الموجبة والسالبة إلى تغيير شديد في إنتاجية الإلكترونات المنبعثة من العينة، وبالتالي تشوه قمم أوجيه المقاسة.

لتعقيد الأمور، طرق التعادل المستخدمة في تقنيات تحليل السطح الأخرى، مثل مقياس الطيف الكتلي الأيوني الثانوي (SIMS)، لا ينطبق على مطيافية أوجير الإلكترونية، حيث تتضمن هذه الطرق عادةً قصفًا سطحيًا إما بالإلكترونات أو الأيونات، أي مسدس الفيضان.

لقد تم تطوير العديد من العمليات لمكافحة مشكلة الشحن، على الرغم من عدم وجود أي منها مثالي ولا يزال من الصعب تحديد كمية بيانات (AES)،  حيث تتضمن إحدى هذه التقنيات ترسيب وسادات موصلة بالقرب من منطقة التحليل لتقليل الشحن الإقليمي، ومع ذلك، فإن هذا النوع من النهج يحد من تطبيقات (SAM) وكذلك كمية مواد العينة المتاحة للتحقيق.