Auger electron emission by ion bombardment of light metals
Emission d'électrons Auger par bombardement ionique des métaux légers
Résumé
In 1925 Auger highlighted the particular mode of non-radiative de-excitation which his name is attached. Following a sufficiently energetic excitement, an atom can be leaved in an excited state with a hole on an internal energy E0 electronic level. After a relatively short time (in the order of 10-14s), a de-excitation occurs by transition of an electron from a higher energy level E1 on the deepest level. The energy released can cause emission of an X or gamma photon (energy hv = E0-E1), this is the most common mode of de-excitation of heavy atoms whose fluorescence yield is quite high. But it's also possible that a second electron placed on an energy level E2 acquire the energy released by the de-excitation and thus is ejected from the atom with ume kinetic energy equal to E0-E1-E2. This latter mode of de-excitation, said non radiative, is most likely for atoms of light elements whose fluorescence yield is low. The measurement of the energy of the ejected electron is used to identify the nature of the emitter atom and allows therefore a qualitative analysis. In common usage, we will use the name of "Auger effect" if the original hole is located on an internal level, leaving the term "autoionization" for a non radiative de-excitation in which the initial hole is on an external level. Different methods can be used to form the initial hole. Historically, irradiation argon with X-ray photons that Auger effect has been highlighted, but to reach the deepest levels of the heavy atoms must be used very hard X-rays, even gamma photons. Of course, during the X-ray irradiation, photoelectrons are emitted at the same time that the Auger electrons. The detailed study of the spectrum of electrons emitted is at the base of the superficial analysis process developed by Siegbahn et al. and known as ESCA. The electron beam also allows the formation of holes in the deeper levels, and therefore the emission of Auger electrons. Thus Harris proposed and tested an alternative method of surface analysis called "Auger Spectroscopy" and is the subject in recent years, a very fast developpernent in the design, in particular, to make the quantitative analysis. Finally, during the bombardment by ions of a relatively high energy Auger electrons are also produced, (a few keV), besides to X-rays, as a result of the creation of holes in a deep level of the target atoms . The effect was first demonstrated on the gas, then the light metals. More recently, a more refined technique allowed to observe the Auger electrons emitted by ion bombardment of the transition metals of the first series. The mechanism of the deep hole formation by ion bombardment has been studied theoretically by Joyes in the case of atoms inside the metal. During the collision, a molecular level, from two related atomic levels, has its energy to grow to reach the continuum of free states above the Fermi level. And an electron can move to an unoccupied conduction band and a hole can then remain on the carbon of a state after separation. The lifetime of the excited state with a hole in the 2p level of an aluminium atom in the metal was calculated and compared to the average exit time of a displaced particle. It follows from the calculation that the excitation time is long enough that the particle can eventually moved out of the metal, usually neutral (the speed of conduction electrons neighbours Fermi level is indeed much higher than the average rate of removal particles ejected) maintaining the inner bore. The Auger effect can then take place outside of the metal with formation a secondary ion. Of course, most of the Auger electrons are emitted when the particle is inside the metal. The mean free path of the electrons do not exceed a few atomic layers, the electrons are slowed down before they leave and participate in the secondary electron emission from the target, according to the theory widely accepted of Parilis and Kishinevskii The question that we tried to give an answer was, among other things, to seek proportion of Auger electrons from de-excitations occurring outside the metal that are the only ones to produce kinetic ions, while the Auger electron most likely to have the original de-excitations occurring inside the metal and in the immediate vicinity of the surface: the de-excitations do not result in ionization of particle movement. The study of the peak width must answer this question because the emitted electrons outside the metal will form a thin peak whose width can be calculated from the lifetime of the excited state (10-14s ). The width of this peak is equal to h/2piDt = DE = 10-20J, that is to say, it is about 1/10 electron-volts. The angular distribution of the electrons allows also to separate the contributions of internal and external de-excitations de-excitations, because the emitted electrons outside the metal must have an isotropic distribution, while those from the interior should follow a law near the law cosinus. On the other hand, only electrons from internal de-excitations can feel the influence of symmetries of the network during the Auger emission from a single crystal. So we built, by modifying an existing device already in the laboratory, an electronic analyser allowing us to study the secondary electron emission under ion bombardment in the largest angular range as possible (emission angle and azimuth angle) and energy up to a few hundred electron volts: on light metals, Auger electrons energy produced under ion bombardment varies in the area of 40 to 120 eV.
C'est en 1925 qu'Auger a mis en évidence le mode particulier de désexcitation non radiative auquel son nom est attaché. A la suite d'une excitation suffisamment énergique, un atome peut être porté dans un état excité comportant un trou sur un niveau électronique interne d'énergie E0. Au bout d'un temps assez court (de 1'ordre de 10-14s), une désexcitation se produit par transition d'un électron d'un niveau d'énergie supérieure E1 sur le niveau profond. L'énergie ainsi libérée peut provoquer 1'émission d'un photon X ou gamma d'énergie hv =E0-E1; c'est là le mode le plus fréquent de désexcitation des atomes lourds dont le rendement de fluorescence est assez élevé. Mais il peut aussi se faire qu'un second électron placé sur un niveau d'énergie E2 acquière l'énergie libérée par la désexcitation et soit ainsi éjecté de l'atome avec une énergie cinétique égale à E0-E1-E2. Ce dernier mode de désexcitation, dit non radiatif, est le plus probable pour les atomes d'éléments légers dont le rendement de fluorescence est faible. La mesure de l'énergie de l'électron éjecté permet d'identifier la nature de l'atome émetteur et constitue donc une analyse qualitative. Selon l'usage courant, nous réserverons dans ce mémoire le nom d'effet Auger au cas où le trou initial se situe sur un niveau interne dénommant auto-ionisation la désexcitation non radiative dans laquelle le trou initial se trouve sur un niveau externe. Différentes méthodes peuvent etre utilisées pour former le trou initial. Historiquement, c'est par irradiation de l'argon avec des photons X que 1'effet Auger a été mis en évidence, mais pour atteindre les niveaux les plus profonds sur les atomes lourds, il faut utiliser des rayons X très durs, voire des photons gamma. Bien entendu, lors de l'irradiation X, des photoélectrons sont émis en même temps que les électrons Auger. L'étude fine du spectre des électrons ainsi émis est à la base du procédé d'analyse superficielle développé par Siegbahn et al. et connu sous le nom d'ESCA. Le bombardement électronique permet aussi la formation de trous dans les niveaux profonds et donc l'émission d'électrons Auger. C'est ainsi que Harris a proposé et expérimenté une autre méthode d'analyse superficielle appelée "Spectroscopie Auger" et qui est l'objet, depuis quelques années, d'un développement très rapide, dans le dessein, en particulier, de rendre l'analyse quantitative. Enfin, lors du bombardement par des ions d'une énergie assez élevée sont aussi émis, (quelques kiloélectron-volts), des électrons Auger à côté de rayons X, comme résultat de la création de trous sur un niveau profond des atomes de la cible. L'effet a d'abord été mis en évidence sur les gaz, puis sur les métaux légers. Plus récemment, une technique plus raffinée a permis d'observer les électrons Auger émis par bombardement ionique des métaux de transition de la première série. Le mécanisme de la formation du trou profond par bombardement ionique a été étudié théoriquement par Joyes dans le cas d'atomes à l'intérieur d'un métal. Lors de la collision, un niveau moléculaire, issu de deux niveaux atomiques liés, voit son énergie croître jusqu'à atteindre le continuum des états libres au-dessus du niveau de Fermi. Un électron peut ainsi passer sur un état non occupé de la bande de conduction et un trou peut alors subsister sur l'un des atomes après séparation. Le temps de vie de l'état excité comportant un trou sur le niveau 2p d'un atome d'aluminium dans le métal a été calculé et comparé au temps moyen de sortie d'une particule déplacée. Il ressort du calcul que le temps de désexcitation est suffisamment long pour que la particule déplacée puisse éventuellement sortir du métal, généralement neutre, (la vitesse des électrons de conduction voisins du niveau de Fermi est en effet très supérieure à la vitesse moyenne d'éloignement des particules éjectées) en conservant le trou interne. L'effet Auger peut alors avoir lieu à l'extérieur du métal avec formation d'un ion secondaire. Bien entendu, la majeure partie des électrons Auger sont émis alors que la particule est à l'intérieur du métal. Le libre parcours moyen de ces électrons n'excédant pas quelques couches atomiques, les électrons sont ralentis avant leur sortie et participent à l'émission électronique secondaire de la cible, selon la théorie largement admise de Parilis et Kishinevskii.\ La question à laquelle nous avons essayé de donner une réponse était, entre autres, de rechercher la proportion des électrons Auger issus de désexcitations ayant eu lieu à l'extérieur du métal et qui sont les seules à produire des ions secondaires cinétiques, alors que la majeure partie des électrons Auger ont vraisemblablement pour origine des désexcitations survenues à l'intérieur du métal et au voisinage immédiat de la surface : ces désexcitations ne conduisent pas une ionisation de particule en mouvement. L'étude de la largeur des pics doit permettre de répondre à cette question puisque les électrons émis à l'extérieur du métal formeront un pic fin dont la largeur peut être calculée à partir du temps de vie de l'état excité (10-14s). La largeur de ce pic est alors égale à DE=h/2piDt=10-20J, c'est-à-dire qu'elle est de l'ordre de 1/10 d'électron-Volt. La répartition angulaire des électrons doit aussi permettre de séparer les contributions des désexcitations internes et des désexcitations externes, car les électrons émis à l'extérieur du métal doivent présenter une distribution isotrope alors que ceux qui viennent de l'intérieur doivent suivre une loi proche de la loi en cosinus. D'autre part, seuls les électrons provenant de désexcitations internes peuvent ressentir l'influence des symétries du réseau lors de l'émission Auger à partir d'un monocristal. Nous avons donc construit, par modification d'un appareil existant déjà au laboratoire, un analyseur électronique nous permettant étudier l'émission électronique secondaire sous bombardement ionique dans le plus grand domaine angulaire possible (angle d'émission et angle azimutal) et pour des énergies allant jusqu'à quelques centaines d'électron-Volts : sur les métaux légers, l'énergie des électrons Auger recueillis sous bombardement ionique varie en effet dans le domaine de 40 à 120 eV.