Untersuchung von Reaktionsprozessen auf Katalysatoroberflächen

Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES)


Die Grundlage der Auger-Elektronen Spektroskopie ist der Auger Prozess, der erstmalig 1925 von Pierre Auger beschrieben wurde und die strahlungslose Relaxation angeregter Atome in einer Nebelkammer erklärte [Auge23, Auge25].
Die AES wird überwiegend dazu eingesetzt, die atomare Zusammensetzung von Oberflächen zu bestimmen. Dabei wird die Probe mit Elektronen, deren kinetische Energie zwischen 1 und 10 keV beträgt, bestrahlt. Diese Elektronen erzeugen Ionen mit einer Lücke in einer inneren Schale (vgl. Abb. 1). Die so entstandenen Ionen relaxieren, indem die Lücke durch ein Elektron aus einer höher gelegenen Schale aufgefüllt wird. Die dabei freiwerdende Energie wird entweder in Form eines Röntgenphotons (X-ray fluorescence) oder durch die Emission eines zweiten Elektrons, dem Auger-Elektron, abgegeben. 
Dabei wird die kinetische Energie des Auger-Elektrons lediglich durch die elektronischen Niveaus, die an dem Auger Prozess beteiligt sind, bestimmt und nicht durch die Energie der eingestrahlten Elektronen. 

Abb.1 Schematische Darstellung der Auger-Elektronen Emission (links) und der     Röntgenemmission (rechts), nach dem Herauslösen eines K-Schalen-Elektrons

Aufgrund dieser Eigenschaft können für jedes Element Auger-Elektronen mit spezifischer kinetischer Energie detektiert werden, was eine Analyse der Oberflächenzusammensetzung ermöglicht.

Detektiert man die von der Oberfläche kommenden Elektronen energieaufgelöst, beobachtet man ein Spektrum, das schematisch in Abbildung .2 a) dargestellt ist. Die Auger-Elektronen werden dabei als kleine Peaks auf einem intensiven Untergrund beobachtet, der von den herausgeschlagenen Sekundärelektronen herrührt. Zusätzlich sind die elastisch gestreuten Elektronen zu erkennen, sowie Elektronen, die inelastisch unter Abgabe von Energie an Moleküle an der Oberfläche gestreut wurden (Verlust-Elektronen) oder einen Teil ihrer Energie durch kollektive Anregung des Elektronensees (Plasmonen) verloren haben. 
Um die Sichtbarkeit der Auger-Elektronen zu erhöhen, wird deshalb im Allgemeinen die differentielle Darstellungsweise gewählt, die in Abb. 2 b) veranschaulicht ist.


 
Abb.2 a) Energiespektrum von Elektronen, die von einer Oberfläche kommen,
die mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird. 
   b) Verdeutlichung der differentiellen Darstellungsweise [ Niem93].

 

Obwohl die eigentliche kinetische Energie der Auger-Elektronen dem Mittelwert des integralen Peaks (E0) entspricht, wird im Allgemeinen die Energie des Minimums der Ableitung (Ea) angegeben.
Die Energie eines bestimmten Auger-Übergangs, z. B. KLL (vgl. Abb. 1), ist in erster Näherung gegeben durch [Niem93]:

(1)

Dabei bezeichnet    die kinetische Energie des Auger-Elektrons, Ei die Bindungsenergie eines Elektrons in der i-Schale und   die Austrittsarbeit.  ist ein Korrekturterm, der Relaxationseffekte berücksichtigt, die beim Zerfallsprozess zu einem hoch angeregten, zweifach ionisierten Atom auftreten.

[Auge23] P. Auger, Comp. Rend. Acad. Sci. 180 (1923) 65.
[Auge25] P. Auger, J. Physique Radium 6 (1925) 205.
[Niem93] J. W. Niemantsverdriet, Spectroscopy in Catalysis, VCH-Verlag, Weinheim (1993).


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