ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה

ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה היא שיטה אנליטית בחקר פני השטח ובמדע החומרים. בשיטה זו בודקים את פני השטח ואת ההרכב הכימי של משטח באמצעות מדידת האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים ממנו כאשר הוא מופגז באלקטרונים בעלי מתח חשמלי של 2-50keV. לחלק מהאלקטרונים הנפלטים מהמשטח יש אנרגיות המתאימות ליסוד שפולט אותם, ובמקרים מסוימים מדובר אף באנרגיית הקשר של האטום. התהליך הפיזיקלי הגורם לפליטת האלקטרונים נקרא אפקט אוז'ה. האפקט התגלה באופן בלתי תלוי על ידי ליזה מייטנר ופייר אוז'ה בשנות ה-20. למרות שמייטנר גילתה את האפקט ב-1923 ואף דיווחה עליו בביטאון Zeitschrift für Physik שנתיים לפני שאוז'ה גילה את האפקט, הקהילה המדעית דוברת האנגלית מייחסת את גילוי האפקט לאוז'ה. אפקט אוז'ה מתרחש כיוון שהאלקטרונים הפוגעים במשטח יכולים לגרום לאלקטרון הנמצא ברמת היסוד להשתחרר. ה"חלל" שנוצר יכול להתמלא על ידי אלקטרון מקליפה יותר חיצונית של אותו אטום. במקרה זה האלקטרון יורד ברמת האנרגיה שלו ופולט את הפרש האנרגיות באמצעות פוטון. אנרגיית המעבר תלויה באורביטלים השונים של האטום. במספר מקרים האנרגיה אינה נפלטת באמצעות פוטון אלא מועברת לאלקטרון אחר (שלא נמצא בקליפה הפנימית). זה האחרון ייפלט אף הוא מהאטום. האנרגיה האופיינית של האלקטרון הנפלט נתונה ע"י:   E k i n = ( E c o r e s t a t e − E s 1 ) − E s 2 {\displaystyle \ E_{kin}=\left(E_{corestate}-E_{s1}\right)-E_{s2}} כאשר   E c o r e s t a t e {\displaystyle \ E_{corestate}} היא אנרגיית מצב היסוד,   E s 1 {\displaystyle \ E_{s1}} היא אנרגיית הקליפה הפנימית ו-   E s 2 {\displaystyle \ E_{s2}} היא אנרגיית הקליפה החיצונית. כיוון שאנרגיות האורביטלים הללו נקבעות לפי סוג היסוד, ניתן לקבוע את הרכב פני השטח של החומר. פליטה של אלקטרון אוז'ה סבירה יותר ביסודות קלים מאשר בכבדים, כיוון שביסודות הכבדים האלקטרונים קשורים בצורה יותר חזקה לגרעין האטום. לכן, השיטה רגישה יותר ליסודות קלים, ובניגוד לשימוש בקרני X, ניתן לגלות בבדיקה זו אף את היסוד ליתיום. מבחינה מעשית, ספקטרומטר אוז'ה יכול לגלות אלקטרונים החל מליתיום (3 = Z) ועד אורניום (92 = Z), ולעיתים אף מעבר לכך (במספר ניסויים הצליחו לזהות את היסוד הטרנס אורני אמריציום (95 = Z). כמו כן, המכשיר מסוגל להבחין בהסטה כימית (מושג מתחום התהודה המגנטית הגרעינית) – וכך ניתן יהיה להסיק על הסביבה הכימית של האטום. על מנת לבצע את הבדיקה בהצלחה יש להקפיד שתא הדגימה והספקטרוסקופ יהיו בתוך אזור ואקום, כיוון שנוכחות של גז תגרום לספיגת ופיזור אלקטרוני אוז'ה. השפעה נוספת היא יצירת שכבת גז דקה על משטח הדגימה, דבר שיגרום לקריאה שגויה של התוצאות. השיטה שימושית בחקר משטחים כיוון שטווח האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים הוא 50eV – 3keV, וברמות אלה הם לא מסוגלים לעבור יותר מכמה ננומטרים בתוך המשטח, כך שככל שהאנרגיה גדולה יותר, כך עבר יותר המשטח שממנו האלקטרונים יכולים להימלט. השיטה מופעלת במקרים רבים במקביל למיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) ולעקיפה אלקטרונית באנרגיה נמוכה. ישנם מספר סוגים של מיקרוסקופי אלקטרונים שתוכננו על מנת לבצע ספקטרוסקופיית אוז'ה; מיקרוסקופ כזה מכונה מיקרוסקופ אוז'ה סורק (SAM) ויכול לספק תצלומים מרחביים של פני השטח ברזולוציה גבוהה. אחת הבעיות המשמעותיות שנתקלים בהן כאשר מבצעים בדיקת SAM היא הקושי בטעינת חומרים שאינם מוליכים, דבר הגורם להגבלה של השיטה רק למתכות (במידה מסוימת). ניתן לפקח על הטעינה באמצעות שינוי מיקום הדגימה ביחס לקרן האלקטרונים, או באמצעות שימוש במכשיר היורה יוני ארגון. לעיתים עושים שימוש בטכניקת התזה (sputtering) במקביל לספקטרוסקופיית אוז'ה על מנת להסיר שכבה דקה של חומר כך שניתן יהיה לחקור את השכבה שמתחתיה. XPS