Oberflächenanalyse mittels TEY (Total Electron Yield)

Abstract

Kurzfassung Photoabsorption von Roentgenquanten in der Probe fuehrt zur Emission von Elektronen von der Probenoberflaeche. Die emittierten Elektronen sind von ihrem Ursprung her Photo-, Auger- und Sekundaerelektronen. Durch einen Elektronendetektor (channeltron) wird die Anzahl der emittierten Elektronen pro Zeiteinheit erfasst. Man kann sich der Gleichungen der RFA (Roentgenfluoreszenzanalyse) bedienen, um den Elektronenfluss theoretisch zu beschreiben. Dabei wird die Ausbreitung der Fluoreszenzstrahlung durch eine Beschreibung der Elektronenbewegung in der Probe ersetzt. Die Ionisation der einzelnen Niveaus ist identisch zur RFA, aber in TEY sind auch die nicht strahlenden Prozesse der Atomrelaxation von Bedeutung. Die Messungen an binaeren oder auch Mehrstoffproben liefern quantitative Informationen ueber die Zusammensetzung. Dabei wird die Quantenenergie von knapp unterhalb bis knapp oberhalb der Absorptionskanten der Elemente in der Probe variiert. Im Falle der Anwesenheit der jeweiligen Elemente in der Probe beobachtet man einen sprunghaften Anstieg im TEY-Signal. Die Auswertung des Signals dient zur Bestimmung von Konzentrationen bei homogenen Proben. In dieser Arbeit wird die Messung des Elektronenflusses herangezogen um die Konzentration eines Elements in binaeren Proben zu bestimmen. Als Beispiel wurde das binaere System Ag-Cu gewaehlt. Der Elektronenfluss wird vor und nach der K-Kante von Cu bzw. von Ag gemessen und die Differenz der Werte des Elektronenflusses oberhalb und unterhalb der jeweiligen Kante gebildet. Diese als Jump bezeichnete Differenz dient als Mass fuer die Cu- bzw. Ag-Konzentration. Wenn die Quantenenergie unterhalb der K-Kante von Cu ist, kann das K-Niveau nicht angeregt werden und somit entstehen keine K-Strahlungen, die auch zur Sekundaeranregung Anlass geben. Wenn die Quantenenergie oberhalb der K-Kante von Cu ist, wird das K-Niveau angeregt und somit entstehen neben den charakteristischen K-Strahlungen von Cu auch die KLL Auger Elektronen und anschliessend LMM- und MNN-Auger Elektronen, die vorher nicht vorhanden waren. Auch hier variiert der Jump an der K-Kante von Cu mit der Konzentration von Cu. Analoges gilt fuer Ag. In dieser Arbeit wird der beschriebene Jump theoretisch berechnet und durch Vergleich des gemessenen Jumps mit dem berechneten kann man die Konzentration der Elemente Cu und Ag in der binaeren Probe bestimmen. Gegenstand dieser Arbeit war, das Total electron yield Verfahren in der quantitativen Analytik einzusetzen und ein universelles Rechenprogramm zu entwickeln, das die gesamte Austrittswahrscheinlichkeit von Elektronen aus homogenen Reinelement- und Mehrelementproben (Z = 10 bis Z = 50) mit ebenen Oberflaechen bei Beschuss mit monochromatischen Roentgenquanten zu berechnen gestattet und die Konzentrationen binaerer Legierungen bestehend aus den Elementen Z = 10 bis Z = 50 liefert. Zur Berechnung der Wirkungsquerschnitte fuer die Verwendung im Analytikprogramm werden die aus den Scofield-Dateien erarbeiteten Koeffizienten der Ausgleichsrechnung verwendet. Die Austrittswahrscheinlichkeit der Elektronen haengt vom chemischen Element, der kinetischen Energie und der Tiefe x, bezogen auf die Probenoberflaeche ab und wurde mit Hilfe eines Monte Carlo Programms berechnet.

Abstract Photo absorption of x-ray quanta in the sample causes an electron emission from the sample surface. The emitted electrons can be detected by an electron detector (channeltron) and are photo, Auger and secondary electrons. By using the equations of RFA the electron flux can be quantified. The propagation of the fluorescence radiation is replaced by a description of the electron transport in the sample. The ionization of the different levels is identical to RFA, but in TEY the non radiating processes of atomic relaxation are also important. Quantitative information on composition of binary or multi element samples can be obtained by the following procedure: The quantum energy has to be tuned from below to above the absorption edges of the elements in the sample. In the case of its presence in the sample a jumplike increase of the TEY signal is observed. The evaluation of the signal is used for the determination of concentrations of homogeneous binary samples. As example the system Ag-Cu was selected. The electron flux is measured in the vicinity of the K-edge of Cu and of Ag and the difference of values above and below the edge will be evaluated. This jump is a measure for the Cu and Ag concentration. If quantum energy is below the K-edge of Cu, the K-level cannot be excited and there are no K-radiations. If the quantum energy is above the K-edge of Cu, the K-level will be excited and thus, there are characteristic K-radiations of Cu and KLL-, LMM- and MNN-Auger electrons, which were before inexistent. The jump at the K-edge of Cu varies with concentration. The same is valid for Ag. In this work the theory of TEY is developed and the jumps are computed and by comparison of the measured jumps concentration of the elements Ag and Cu can be determined. The subject of this work was to use the total electron yield (TEY) procedure in quantitative surface analysis and to develop a computer program, to compute the escape probability of electrons from homogeneous pure element and alloy samples (Z = 10 to Z = 50) with plane and smooth surfaces. The program allows to evaluate concentrations of binary alloys consisting of elements Z = 10 to Z = 50. The escape probability of electrons depends on the chemical element, kinetic energy and the depth x (related to sample surface) and was computed with a Monte Carlo program and photoelectric absorption coefficients of shells and subshells are from Scofield's database.