ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה

ספקטרום אוז'ה של נחושת חנקיתית

ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה היא שיטה אנליטית נפוצה המשמשת לחקר פני השטח של חומר במסגרת מדע החומרים. הבסיס לשיטה הוא ניתוח של אפקט אוז'ה. באפקט אוז'ה נפלטים אלקטרונים עתירי אנרגיה מאטומים מעוררים. אפקט אוז'ה התגלה בשנות ה-20 באופן בלתי תלוי על ידי ליזה מייטנר ופייר ויקטור אוז'ה. למרות שמייטנר גילתה את האפקט לפני אוז'ה ודיווחה עליו בירחון Zeitschrift für Physik ב-1922, אוז'ה הוא זה שזכה להכרה מהקהילה המדעית על גידול האפקט. עד לשנות ה-50 הספקטרוסקופאים התייחסו למעברי אוז'ה כאל הפרעות רקע שאינן מלמדות על ממצא מהותי, אך חקרו אותן על מנת להסביר אנומליות בספקטרוסקופיית קרני X. אולם, החל מ-1953 ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה הפכה לשיטת האפיון המעשית והיעילה ביותר על מנת לחקור את ההרכבים הכימיים והמרחביים של פני השטח בחומר. לשיטה יש יישומים גם במטלוריגה, כימיה של גזים ותעשיית המיקרואלקטרוניקה.

מעברי אלקטרונים ואפקט אוז'ה

אפקט אוז'ה הוא התהליך המצוי בליבה של השיטה, ונגרם כתוצאה ממעברי אלקטרונים באטום מעורר. כאשר האטום מעורר על ידי מנגנון חיצוני, כגון פוטון או קרן אלקטרונים בעלי אנרגיה ממוצעת של 2keV עד 50keV, אלקטרון מהקליפה הפנימית יכול לעזוב אותה ולהותיר אחריו "חור". כיוון שמדובר במצב לא יציב, החור בקליפה הפנימית יכול להתמלא על ידי אלקטרון מקליפה יותר חיצונית, כאשר האלקטרון היורד ברמת האנרגיה שלו מאבד כמות אנרגיה השווה להפרש בין אנרגיות האורביטלים. ניתן לצמד את אנרגיית המעבר לאלקטרון נוסף מקליפה חיצונית שייפלט מהאטום אם כמות האנרגיה הנקלטת גדולה מאנרגיית הקשר של האטום. לאלקטרון הנפלט תהיה אנרגיה קינטית בשיעור

$E_{kin}=E_{Core\ State}-E_{B}-E_{C}'$

כאשר , EB, EC' הן אנרגיות האלקטרונים בקליפה הפנימית, החיצונית הראשונה והחיצונית השנייה בהתאמה. הסימן ' מציין את ההבדלים הקלים באנרגיית הקשר של אלקטרוני הקליפה החיצונית בגלל האופי היוני של האטום; במקרים רבים מזניחים את ההפרש הזה על מנת לפשט את החישובים. כיוון שאנרגיות אורביטליות הן ייחודיות לאטום של יסוד מסוים, הניתוח של האלקטרונים הנפלטים יכול להניב מידע על ההרכב הכימי של פני השטח. באיור 1 מתוארות שתי דרכים שבהן מתרחש אפקט אוז'ה.

אופיים של מעברי המצבים המותרים לאלקטרונים במהלך אירוע אוז'ה תלויים במספר גורמים, ביניהם אנרגיית העירור ההתחלתית ושיעורי האינטרקציה היחסיים, אך בדרך כלל נשלטים על ידי מספר מעברים אופייניים. בגלל האינטרקציה של הספין עם התנע הזוויתי האורביטלי (צימוד ספין-מסלול) ופיתול רמת האנרגיה המצומד למספר קליפות באטום, ישנם מגוון נתיבי מעבר היכולים למלא את החור בקליפה הפנימית. רמות האנרגיה מסומנות באמצעות שימוש בשיטות שונות כגון צימוד j-j עבור יסודות כבדים ( ), שיטת ראסל-סונדרס ליסודות קלים ( ), ושילוב של שתי השיטות ליסודות הביניים. שיטת הצימוד j-j, הקשורה מבחינה היסטורית לסימון קרני X, משמשת כמעט תמיד על מנת לסמן את מעברי אוז'ה. באופן זה, במעבר האות K מייצגת את החור בקליפה הפנימית, L1 את המצב ההתחלתי של האלקטרונים הלא מעוררים, ואילו L2,3 מייצג את המצב האנרגטי ההתחלתי של האלקטרונים הנפלטים. באיור 1 (b) מתואר המעבר הזה בצמוד לסימון הספקטרוסקופי המתאים. רמת האנרגיה של החור בקליפה הפנימית תקבע בדרך כלל אילו סוגי מעבר יועדפו. עבור רמות אנרגיה בדידות, כלומר K, המעברים יכולים להיות בין רמות L, כך שבספקטרום אוז'ה יתקלו אותו KLL חזקים. גם מעברי אנרגיה גבוהים יכולים להתרחש, אך ההסתברות לכך נמוכה יותר. עבור קליפות רב-שלביות, המעברים אפשריים מאורביטלים בעלי אנרגיה גבוהה יותר (כאשר המספרים הקוונטיים n ו-l שונים) או מרמות אנרגיה באותה קליפה (n שווה אך המספר הקוונטי l שונה). התוצאות הן מעבר מסוג LMM ו-KLL ביחד עם מעברי קוסטר קרוניג מהירים כגון LLM.

ראוי לציין שבעוד שמעברי קוסטר קרוניג הם מהירים, הם גם פחות אנרגיים וקשה יותר לאתר אותם בספקטרום אוז'ה. ככל שהמספר האטומי Z עולה, כך עולה מספר מעברי אוז'ה האפשריים. עם זאת, אינטרקציות האלקטרון-אלקטרון החזקות ביותר הן בין רמות קרובות, כך שבספקטרום אוז'ה מתקבלים קווים אופייניים. אותות KLL ו-LMM הם המעברים המזוהים ביותר במהלך אנליזה של פני השטח. בנוסף, אלקטרוני הקשר הוולנטיים יכולים גם כן למלא את החור או להיפלט במהלך מעבר מסוג KVV.

מספר מודלים פנומולוגיים ואנליטיים פותחו על מנת לתאר את האנרגטיות של מעברי אוז'ה. באחד המודלים הידועים, שהוצע על ידי ג'נקינס וצ'ונג, האנרגיה של מעבר אוז'ה ABC היא

$E_{ABC}=E_{A}(Z)-0.5[E_{B}(Z)+E_{B}(Z+1)]-0.5[E_{C}(Z)+E_{C}(Z+1)]$

Ei(Z) הן אנרגיות הקשר של הרמה ith ביסוד בעל מספר אטומי Z ואילו Ei(Z + 1) הן האנרגיות של אותן רמות ביסוד הבא שבטבלה המחזורית. ישנו מודל קשיח יותר, שיעיל מבחינה מעשית, המשלב את השפעותיהן של הפרעות שונות כגון מיסוך ולפיו אנרגיית אוז'ה היא

$E_{ABC}=E_{A}-E_{B}-E_{C}-F(BC:x)+R_{xin}+R_{x}ex$

כאשר F(BC:x) היא האנרגיה של האינטרקציה בין החורים ברמות B –C במצב האטומי הסופי x, ו-R' מייצגים את מעברי האנרגיה הפנים והחוץ-אטומיים תוך לקיחה בחשבון של מיסוך אלקטרוני. ניתן לחשב את האנרגיות של אלקטרוני אוז'ה באמצעות התבססות על ערכים מדודים של מגוון Ei, ולהשוות אותם לשיאים בספקטרום אלקטרוני שניוני על מנת לזהות את היסודות הכימיים. שיטה זו שימשה על מנת לכייל כמה מאגרי מידע המשמשים במחקרים ספקטרוסקופיים מודרניים.