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1、俄歇电子能谱,三种最基本的表面分析方法 名称 俄歇电子能谱 X射线光电子能谱 二次离子质谱 AES XPS SIMS 一次束 电子 X射线 离子 检测粒子 俄歇电子 光电子 二次离子 EABCEA-EB-EC Ekh-Eb m/e 特点 定量较好 带有化学位移信息 检测灵敏度高 分辨率高 表面损伤小 ppb 缺点 轻元素不能分析 分辨差 表面损伤 （X射线不易聚焦） 定量困难 共同点：元素种类分析（成分分析、痕量分析）、表面分析,俄歇电子能谱 (Auger Electron Spectroscopy 简称AES) 一、简介 二、基本原理 三、定性及定量分析方法 四、俄歇谱仪介绍 五、主要应用,
2、一般仪器原理示意图,一、简介 当电子束照射到样品表面时，将有带着该样品特征 的Auger电子从样品表面发射。从Auger电子可以得到 如下信息： 发射的Auger电子能量 确定元素种类 Auger电子数量 元素含量 电子束聚焦、偏转和扫描 元素面分布 离子束溅射刻蚀 元素深度分布 AES是一种重要的材料成分分析技术。其最大特点是： 信息来自表面 （3 - 30） 具有微区分析能力（横向与深度分辨率好） 定量分析较好,二、基础知识 1 . 俄歇效应 (1925年， 法国人 P. Auger) 用某种方法使原子内层电子(如K层)电离出去，内层出现空位。电离原子去激发可采用如下两种形式：, 辐射跃迁
3、: 一外层电子填充空位后，发射出特征X射线 (例L3上电子填充K能级上空位，发出X射线K1) 无辐射过程(即Auger过程)： 一外层电子填充空位，使 另一个电子脱离原子发射 出去 (例L1上电子填充K能级空位，同时L3上的电子发射出去， 称KL1L3俄歇跃迁)。,特点： 第二个电子在弛豫过程中释放的能量，须大于或 至少等于第三个电子的束缚能。 终态为二重电离状态。 H和He只有一个K壳层，最多只有2个电子，无法 产 生Auger跃迁。 C-K跃迁 (Coster-Kronig跃迁)： 终态空位之一与初态空位处于同一主壳层内 即 WiWpYq ( p i ) 超C-K跃迁： 两终态都与初态空位
4、处于同一主壳层内 即WiWpWq( p i，qi ) C-K跃迁速度快，t小，由测不准原理 (E)(t) h， E大，带来能量的分散，使谱线展宽。,2. 俄歇电子能量 EABC = EA(Z) - EB(Z) - EC(Z) EA、EB、EC分别为A、B、C能级上电子的结合能，是原子序数为Z的元素的函数，是该种元素原子所特有的，因此EABC也是该种元素特有的。 修正： EABC = EA(Z) - 1/2EB(Z) + EB(Z+1) - 1/2EC(Z) + EC(Z+1) 相邻原子序数 该能级的能量,特点： 一种原子可能产生几组不同能级组合的俄歇跃迁，因而可以有若干不同特征能量的俄歇电子。
5、 可能出现的俄歇跃迁数随原子序数增大(壳层数增多)而迅速增加。 俄歇电子的能量大多在50-2000eV (不随入射电子能量改变) 主峰,通过实验和计算得到He以后所有元素的各组基本俄歇跃迁的特征能量。,3俄歇电流 俄歇电流的大小，即俄歇峰所包含的电子数，表示所含元素原子的多少。 俄歇电子从固体表面的发射过程： 产生内层电离的原子电子碰撞电离截面 俄歇跃迁过程俄歇跃迁几率 俄歇电子从产生处输运到表面，从固体表面 逸出逸出深度,(1) 电子碰撞电离截面 QA 入射电子与原子相互作用时，内层能级A上产生空位的几率。 设 U = Ep / EA Ep: 入射电子能量 EA：内层能级束缚能 通过理论计算
6、及实验测定，得到如下公式： QA =EA-2(lnU/U) 2 可见： U必须 1 即Ep EA 曲线有最大值，当 U 2.7 时 (Ep为EA的2.7倍) 电离截面取决于束缚能 实验数值： 内层束缚能：1keV 入射电子能量：3-5keV U: 3-4,(2) 俄歇跃迁几率 PR：X射线辐射几率 PA：俄歇电子跃迁几率 PR PA 1 荧光几率与俄歇几率 (初态在K层) 对于Z15，采用K系列荧光几率很小 荧光产额与束缚能 荧光几率随束缚能的增大而增大，而束缚能随 壳层由内向外逐渐减小 依次采用K、L、M系列荧光几率可保持较小数 对于同一壳层上的束缚能随原子序数增加而增加 对轻元素分析特别灵
7、敏。 选取适合系列，退激发过程可认为仅有俄歇过程。,(3) 俄歇电子逸出深度 俄歇电子的逸出深度在小于或等于其在固体中的平均自由程时，才能得到有价值的俄歇信息。 N = N0e-z/ ：非弹性散射平均自由程逸出深度 z：垂直于表面，指向外部 平均逸出深度与俄歇电子能量（对纯元素与元素种类关系不大） 在高能段 E0.7 当俄歇电子能量为 0-2000eV， 逸出深度为330， 平均逸出深度 10。,(4) 背向散射电子激发的俄歇发射 当背向散射电子能量EA，亦能使原子激发， 产生俄歇过程。 激发俄歇电子的总电流： I = (1+r) Ip Ip：入射束流 r：背向散射二次发射系数 背向散射电子的
8、作用，将使俄歇信息强度增加百 分之几，这一量值随U的增大而增大，随原子序数增加而增加。,(5) 俄歇电流表达式 IA = oIp ni QW PWXY T e-z/cos dz 当能量为Ep，束流为Ip的一次电子束垂直入射样 品 表面，假设能量分析器只接收出射方向为与表面法线 夹角从-/2到+/2(为一小量)的俄歇 电子(这样的电子处于立体角内) 俄歇电子辐射方向各向同性，能量分析器所接收的 俄歇电子占各方向总数的/4,近似等于能量分析器 的传输率T。 假设:在俄歇电子逸出深度范围内Ep和Ip保持不变。 所考虑i元素单位体积原子数ni在此区域内为常数。 物理意义：积分号内(Ip ni QW P
9、WXY T dz)是距表面z处， dz深度范围内，处于能量分析器接收角度范围内的俄歇 电子，再乘以e-z/cos就是能量无损地输运到表面的部 分，z/cos表示输运距离。,如一次电子并非垂直入射，入射方向与表面法线成角，则: IA = (sec)Ip ni QW PWXY T cos 若 B为背散射增强因子，R为表面粗糙因子 则: IA = B R(sec)Ip ni QW PWXY T cos 通常 R 1，光滑表面 R1,提高信背比（信号/本底 直接谱 N(E)E N(E)是单位时间单位能量间隔内的电子数。 微分谱：dN(E)/dEE，是直接谱的微分形式 微分谱将直接谱的每一个峰转化为一对
10、正、负峰。 负峰所对应的能量为阈值能；利用峰-峰高度确定信息强度。,(三) 定性分析：根据俄歇峰位置确定元素 1 微分谱的一般特点 负峰尖锐，正峰较小 2元素鉴定 指纹鉴定 (除氢、氦) 俄歇电子标准谱手册 (1) 找最强线，查手册确定元素 (2) 找出该元素所有谱线 (3) 重复上述两步 (4) 若有重叠，综合考虑 3. 改变初级束能量，排除初级电子能量损失峰 4. 考虑是否存在化学位移,(四) 定量分析：根据俄歇峰强度确定元素含量 单位体积原子数(原子密度) ni 单位体积 i 原子占总原子数的百分数(原子浓度) （或百分浓度） Ci = ni/nj i元素WXY俄歇峰强度表示为Ii,wx
11、y 由Iiwxy 求ni或CI 计算俄歇电流公式： Ii,wxy = BiR(sec)IpniQi,wxyPi,wxyi,wxycosTi,wxy 若由II,wxy求出ni，需先确定其它参数，这是非常困难的，通常采用标样法，将样品与标样对比。,前提： 在相同的测试环境与条件下： Ep ：一次电子束能量 Ip ：一次电子束束流 Ep ：倍增器高压 Em ：调制能量峰峰值 L ：锁相放大器放大倍数 其中 Ep和 Ep与 II,wxy不成正比 Ip、 Em 和L与II,wxy成正比 (IpEmL)称为刻度系数，测试时若不同可最后换算。 1纯元素标样法 以纯元素i制作标样 假定标样与样品的Bi、R、i
12、.WXY、TiWXY相同,则： 已知 测量得 求得ni, 求百分含量,可无需Ag标样，求出原子百分含量 若 则进一步简化,利用主峰强度及相对灵敏度因子通常用的定量分析公式,四、应用例举 1. 微区分析（电子束径：30nm）,2. 面元素分布分析（扫描俄歇象SAM）,3. 深度剖面分析,五、 俄歇电子能谱仪,1. 入射电子束源 束斑大小影响微区分析及扫描 AES的 横向分辨 束流大小影响信噪比 利用场发射阴极作为电子束源： 小束斑：几千-几百 高亮度 不用磁聚焦系统，结构简单 通常工作条件： 入射电子能量：1-5 keV 一次束流Ip ： 10-8 A 入射角范围：20- 45,2能量分析器 (
13、1) 能量分析器种类： a. 四栅球型能量分析器(拒斥场型) 样品、G1接地 形成无场空间 电子按原有方向前进 G2、G3接负电位-Vr 对电子形成拒斥场 G4接地 减小电场渗透和电位畸变， 提高分辨率 收集极接正高压 收集电子 收集电子能量 E0 e|Vr| 收集电流 Ic = N(E)dE 高通分析器:只有能量高于阻挡势的粒子才可能被接收 为得到N(E)：取一次微分 dN(E)/dE: 取两次微分 缺点：分辨率不高，检测灵敏度低,工作方式一： 信号电子倍增脉冲计数N(E) 外圆筒电位扫描N(E)-E 计算机处理(取微分等) 工作方式二： 当分析器外圆筒上叠加一交流电压 V = ksint,
14、 通过分析器的电子能量被调制 E = eV = eksint 输出电流的能量展开式：,若rb/ra固定：,3.主要参数 能量分辨率： 绝对分辨率: 谱峰的半宽度E (FWHM) 相对分辨率: R=(E/Eo)100% （ Eo:通过分析器后电子的能量峰值） 分辨本领：Eo/E 通常： E：5-10eV; Eo:1000-2000eV; R 0.5% 空间分辨率：由电子枪束斑 厚度分辨率：530 灵敏度 绝对灵敏度:最小可检测量 (以克表示) 相对灵敏度：最低检测浓度 从多组分样品中检测出某种元素的比例 (用百分浓度或ppm、ppb表示) 影响检测的灵敏度主要因素：仪器传输率T和信噪比,传输率T：(Transmission) 当入射电子束为单色，并有均匀的角分布时 T = /4 ：入射电子的有效立体角 入口立体角大，传输率高，灵敏度高
