선이나 Electron beam 또는 다른 형태의 에너지에 의해 형성된 core hole이다. K 껍질에 구멍이 생기면 그보다 높은 에너지 상태인 L1 껍질의 전자가 이를 채우게 되며 이 때에 내놓게 되는 에너지가 빛으로 바뀌지 않고 또 하나의 전자(L3 껍질)를 원자 계로부터 이탈시키는 데에 쓰이면 이 과정을 Auger 과정이라고 부른다. 마지막 전자 즉 원자 계를 떠나 자유 전자로 되는 전자를 Auger 전자라고 부른다.
이 Auger 전자의 운동 에너지(Auger 에너지)는 K, L1, L3 껍질들의 에너지를 각각 E (K), E (L1), E (L3)라고 하면 E (KL1L3) = E (K) - E (L1) - E (L3) 로 주어진다. 물론 이 식은 근사식이지만 Auger 전자의 운동 에너지가 핵심부 구멍을 만드는 원인인 X선이나 Electron beam의 에너지와는 무관하며 전적으로 원자 내의 각 껍질의 에너지에만 의존함을 잘 보여준다. Auger 전자의 운동 에너지는 그 원자에 고유한 값이며 이 성질이 곧 원소를 분석하는 데에 이용된다. 그림에서 Auger 전자를 하나 방출하는 과정에 참여하는 궤도함수들은 K, L1, L3이므로 이 Auger 과정을 KL1L3 전이, Auger 전자를 KL1L3-Auger 전자라고 부른다. Auger 전자 분광법에서는 스펙트럼을 짧은 시간 안에 얻으므로 시료 표면에 있는 원소의 농도를 얼른 알아내는 데에 대단히 편리하다.
2) AES의 구조
(1) Electron Gun
Auger 전자 분광법에서 이용하는 Electron beam은 전자총에 의하여 발생된다. 많은 경우에 전자총은 열전자를 방출하는 source(보통 텅스텐 필라멘트 또는 LaB6 결정), Electron beam을 집속하는 그리드, Electron beam의 방향을 조정하거나 Electron beam을 주사할 수 있는 편향 판(deflection plate) 등으로 이루어져 있다. 상업적으로 생산되는 전자총은 그 Electron beam의 에너지가 3∼5 keV이고 방출 전류(emission current)가 200 mA에 이르며 Electron beam의 크기도 0.1 x 0.1 mm2 로 쉽게 집속하는 성능을 가진다. small spot electron gun은 10 keV의 에너지에서 0.1 mm 정도의 크기를 가지기 때문에 미시적인 표면 구간의 분석에 이용된다. field emission source 또는 high brightness thermal emitter와 magnetic focusing을 이용하면 Electron beam의 크기가 수만 pm(10-12m)까지 작아져 진정한 의미의 미세 분석이 가능해진다.
(2) Energy Analyzer
Cylindrical mirror analyzer
Concentric Hemispherical Analyzer
Constant Analyzer Energy mode - CAE
Constant Retard Ratio - CRR
3) Auger Spectrum
여러 자료에서 볼 수 있는 Auger 스펙트럼은 XPS의 광전자 스펙트럼과 비교할 때 매우 달라 보인다. 가장 뚜렷한 차이는 Auger 봉우리들이 양의 봉우리와 음의 봉우리로 구성되어 있다는 것이다. Auger 전자 분광법에서 주로 쓰이는 excitation source가 Electron beam인 것에 기인한다. Electron beam이 시료 표면에 충돌하면 보는 바와 같이 표면으로부터 운동 에너지가 낮은 이차 전자(secondary electron)들이 넓은 에너지 구간에 분포되어 다량으로 방출되며 Auger 전자들은 이차 전자들의 바탕 위로 약간씩 나타나는 조그만 봉우리를 형성하게 된다. 전자의 계수율을 운동 에너지에 대하여 나타내면 Auger 봉우리를 보기가 좀 어렵게 된다. 이차 전자들의 운동 에너지에 따른 분포는 비교적 구조가 없이 단조롭게 변하므로, 전자의 계수율을 운동 에너지에 대하여 한 번 미분하면 흔히 볼 수 있는 평평한 바탕에 양의 봉우리와 음의 봉우리가 두드러지게 나타나는 미분 스펙트럼이 얻어진다. 관습상 음의 봉우리의 에너지를 Auger 에너지로 취한다.
4) 분석 종류
정량 분석
미분 스펙트럼에서 얻는 Auger 봉우리의 봉우리간 높이(peak-to-peak height)를 쓰는 방법이 있는데 이 방법은 정량 분석에서 가장 흔히 쓰이는 방법이다. 이에는 원소의 Auger 봉우리의 봉우리간 높이를 측정하여 순수한 표준 원소 시료의 값과 비교함으로써 그 원소의 농도를 결정하는 것과, Auger 신호를 순수한 은의 신호와 비교하고 은에 대한 이 원소의 상대 감도를 써서 그 농도를 계산하는 두 가지 방법이 있다. 봉우리간 높이 방법은 금속과 금속 합금 등의 정량 분석에서 성공적으로 이용되지만 이 방법의 정확도는 보통 ±20 % 정도이다.
정성 분석
에너지별 전자 신호 강도를 측정하여 원소별 Auger 특성 피크를 확인하여 원소의 종류를 알 수 있음
Auger image Mapping
이차원 표면에 존재하는 특정원소의 분포 상황을 보여주는 것으로 electron analyzer의 에너지 범위 분석하고자 하는 원소의 Auger특성 에너지 값을 포함하도록 설정한 후 전자빔을 분석 면에 주사시켜 위치별로 감지된 Auger 특성피크의 신호 경도에 따른 명암차이로 나타내는 것
Depth profiling
시료 표면에 에너지가 큰 불활성기체로부터 발생시킨 양이온(Ar+)을 충돌시킴으로써 표면을 분당 수~수십Å씩 깍아 내면서 수 천 Å까지의 깊이에 따른 조성변화와 화학적 상태 변화를 분석하는 방법. 이온 식각은 Ion gun에 의하며, 보통 computer에 의해 자동적으로 이온식각과 스펙트럼 측정을 순차적으로 진행시키면서 결과를 얻음.
Example 1
Example 2
Reference
1. http://www.cea.com/cai/augtheo/spectro.htm
2. http://spintronics.inha.ac.kr
3. Physical Metallurgy Principles - Reed-Hill