材料表面分析技术

俄歇电子产额与原子序数的关系
俄歇分析的选择
Z＜15的轻元素的K系俄 歇电子以及所有元素的L 系和M系俄歇电子产额都 很高。由此可见，俄歇电 子能谱对轻元素的检测特 别敏感和有效。
俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系
对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析； 14<Z<42的元素，采用LMM俄歇电子较合适； Z>42时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。
初期的俄歇谱仪只能做定点的成分分析。 70年代中，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄 歇微探针(SAM)，可实现样品成分的点、线、面分析和深度剖面分 析。 由于配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头（特征X射线）， 使这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能。
筒镜分析器（CMA）：
9.1 俄歇电子能谱法
俄歇电子能谱（Auger Electron Spectrometry，简称AES） 是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应， 通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表 面化学成分和结构的信息的方法。
P. Auger 在1923 年发现了Auger效应.
9.1.1俄歇电子能谱分析的基本原理
1. 俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程
一定能量的电子束轰击固体样品表面，将样品内 原子的内层电子击出，使原子处于高能的激发态。 外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以两种方 式释放能量：发射特征X射线；或引起另一外层 电子电离，使其以特征能量射出固体样品表面， 此即俄歇电子。
第九章 材料表面分析技术
俄歇电子能谱分析（AES） X射线光电子能谱分析(XPS) 原子探针显微分析
什么是电子能谱分析法？
电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、 紫外光）或电子束去照射样品，使样品中 电子受到激发而发射出来（这些自由电子 带有样品表面信息），然后测量这些电子 的产额（强度）对其能量的分布，从中获 得有关信息的一类分析方法。 X射线光电子能谱（XPS） 紫外光电子能谱（UPS） 俄歇电子能谱(AES)
9.1.2 俄歇电子能谱仪
主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子探测 器、（样品）分析室、溅射离子枪和信号处理与记录 系统等。 样品和电子枪装置需置于10-7~10-8Pa的超高真空分析 室中。
激发俄歇电子用的电子枪也可以 同轴地放置在筒镜分析器内。样品 台也采用能同时装6～12个样品的 旋转式样品台，可依次将样品送至 分析位置。 俄歇谱仪还可装有离子溅射装置 ，以清洗样品表面，也可对样品进 行离子刻蚀（逐层离子剥离），以 测得样品沿深度（纵向）的成分和 含量变化，即得到三维的成分分布 俄歇谱仪示意图
原 子 序 数
俄歇电子能量图
•主要俄歇峰的能量用空心圆圈表示 •实心圆圈代表每个元素的强峰
为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且空间分辨率 高？
大多数元素在50~1000eV能量范围内都有产额较高的俄 歇电子，它们的有效激发体积（空间分辨率）取决于入 射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射深度。 能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇 电子，发射深度仅限于表面以下大约2nm以内，约相当 于表面几个原子层，且发射（逸出）深度与俄歇电子的 能量以及样品材料有关。 在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射电子束的侧向 扩展几乎尚未开始，故其空间分辨率直接由入射电子束 的直径决定。
俄歇电子跃迁过程
俄歇电子跃迁过程能级图
俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。上图 所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。 如 KLL跃迁：K层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2， KL2L3，…等K系俄歇电子。
2. 俄歇电子能谱分析的依据 俄歇电子的激发方式虽然有多种（如X射线、电子束 等），但通常主要采用一次电子激发。因为电子便于产 生高束流，容易聚焦和偏转。 分析依据：俄歇电子的能量具有特征值，其能量特征主 要由原子的种类确定，只依赖于原子的能级结构和俄歇 电子发射前它所处的能级位置, 和入射电子的能量无关。 测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析；根据俄歇电 子信号的强度，可以确定元素含量，进行定量分析。
俄歇电子产额:
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度，直接关 系到元素的定量分析。俄歇电子与特征X射线是两个互相 关联和竞争的发射过程。对同一K层空穴，退激发过程中 荧光X射线与俄歇电子的相对发射几率，即荧光产额(PX) 和俄歇电子产额(PA )满足
PX + PA =1 由图可知，对于K层空穴Z<19， 发射俄歇电子的几率在90％以上； 随Z的增加，X射线荧光产额增 加，而俄歇电子产额下降。 Z<33时，俄歇发射占优势。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
它是由同轴的两个圆筒形电极构成的静电发射系统。如图。内圆筒开 两个环状狭缝（入口光阑和出口光阑），样品放于中心轴位置，样品 和内筒接地，外筒加负电压 -V。 样品上S点发射的电子以42.3°的发射角由入口光阑进入内外筒之间， 外筒的负电位使具有一定能量的电子偏转方向，通过出口光阑聚焦在 中心轴上，聚焦点F(电子检测器)离S点的距离为L = 6.19r1。连续改 变外筒的偏转负电压，即可得电子能谱曲线:
N(E) ～E或
dN ( E ) dE
～E
能够被聚焦和检测的电子，其能量须满足如下关系：
E / V 1.31ln(r1 / r2 )
激发源：
俄歇电子能谱仪的激发源为电子束，因并非每次碰撞都 能产生原子内层电子的电离，故定义电离截面。 电离截面Qw：某一入射粒子穿越样品时能发生电离碰撞 的几率。可理解为能量为Ep的一次电子把原子中w能级上 结合能为BEw的电子电离出去的难易程度，它是Ep和BEw 的函数，越大，产生俄歇电子的几率也越大。 由计算和实验得知：1) Ep必须大于BEw， Qw才不为零。 即入射电子束的能量要大于样品原子中被电离电子的结 合能才可能产生电离。2)当Ep / BEw约为3时， Qw才有最 大值，此时俄歇电子产额最高，故一般选择激发源电子 束的能量为结合能的3倍左右。