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1、Auger电子能谱(AES) Auger Electron spectroscopy,Qing-Yu Zhang State Key Laboratory for Materials Modification by Laser, Ion and Electron Beams,AES Auger效应,1925年P.Auger已经在Welson云室内观察到Auger电子径迹，并正确地解释了这种电子的来源。 尽管当时人们已经认识到它可以成为一种成分分析的手段，但直到六十年代中期，随着金属的超高真空系统和高效的微弱信号电子检测系统的发展，才出现了可以用于表面分析的实用Auger电子能谱仪。,AES A
2、uger效应,随着科学技术的不断发展，使Auger电子能谱仪的性能不断改进，并出现了扫描Auger电子显微术(SAM), 成为微区分析的有力工具。 电子计算机的引入，使Auger电子能谱仪的功能更趋完善。目前， Auger电子能谱已成为许多科学领域和工业应用中的最重要的表面分析手段之一。,AES Auger效应,Auger过程,AES Auger效应,Auger过程,(a) KL1L3 Auger 跃迁 (b) K1 辐射跃迁,AES Auger效应,Auger过程,AES Auger效应,Auger效应,在原子内某一内层电子电离而形成空位(如K层)，则该电离原子的去激发可以有两种方式： 一个
3、能量较高态的电子填充该空位，同时发出特征X射线，即辐射跃迁。 一个较高能量的电子跃迁到空位，同时另一个电子被激发发射，这是一无辐射跃迁过程，这一过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger电子。,AES Auger效应,Auger跃迁,Auger跃迁的标记以空位、 跃迁电子、发射电子所在的能级为基础。如初态空位在K能级，L1能级上的一个电子向下跃迁填充K空位，同时激发L3上的一个电子发射出去便记为KL1L3。一般地说，任意一种Auger过程均可用WiXpYq来表示。 此处，Wi, Xp和Yq代表所对应的电子轨道。,AES Auger效应,电子能级、X射线能级和电子数,AES Auger
4、效应,电子能级、X射线能级和电子数,AES Auger效应,如果终态空位之一(跃迁电子) 与初态空位处于同一主壳层，即WiXpYq (pq)，则称为Coster-Kronig跃迁或C-K跃迁。 C-K跃迁是一种快过程，根据测不准关系Eth可知C-K过程中的E比较大，因此，表现在能谱上是一个比较宽的Auger峰。 若两个终态空位都与初态空位处于同一主壳层， 即WiXpYq 型跃迁(pi，qi)，称为超C-K跃迁。,AES Auger效应,在实用的Auger电子能谱仪中，初态空位的产生是通过具有一定能量的电子束轰击样品表面而实现的。 用于表面分析的Auger电子的能量一般在02000eV之间。,A
5、ES Auger效应,Perkin-Elmer公司的Auger电子能谱手册，其中给出了各种原子不同系列的Auger峰位置。每种元素的各种Auger电子的能量是识别该元素的重要依据。,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子能量的半经验方法,Auger过程和能量守恒定律可以想到对于WXY过程，Auger电子的能量应为：EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) A其中EW(Z), EX(Z), EY(Z)是各壳中电子的结合能，A 是脱出功。,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子能量的半经验方法,因为对于Auger过程，Y能级电子克服的是离化原子的该能级的结合能
6、EY(Z) = EY(Z)，的确切值介于1/23/4之间。即 EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) A,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子能量的半经验方法,EY(Z)也可以写成 EY(Z) EY(Z+1) EY(Z) 这样EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) EY(Z+1) EY(Z) A,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子能量的半经验方法,从量子力学的观点看，WXY和WYX过程是无法区分的，因此有 EWXY(Z) = EWYX(Z) 一种处理方法是取=1，做两个过程的平均，即 EWXY(Z) = EW (Z)0.5EX(Z+
7、1)+EX(Z)0.5EY(Z+1)+EY(Z) A 这一公式与实测的Auger电子的能量比较接近。如果Auger过程涉及价带电子，则在计算过程中要考虑价带宽度对Auger电子能量的影响。,AES Auger电子的能量和产额,电离截面,电离截面是决定在Wi能级上产生初态空位的电离原子数目的重要因素。Worthington-tomlin在玻恩近似的基础上给出了如下的电离截面公式其中W为电离截面，EW是W能级电子的电离能，U=Ep/EW，Ep是入射电子束的能量，aW是常数，KW为壳层的电子数。,AES Auger电子的能量和产额,电离截面,W=K： aW=0.35，W=L： aW =0.25，W=
8、M：aW =0.25， 式中EW的单位是eV，W 的单位是cm2。,Gryzinski给出了另一个比较常用的电离截面公式为：,尽管各电离公式的形式略有区别，但所表示的电离截面的变化趋势是一样的，即在U3处有一最大值。,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子几率,在电离原子的去激发过程中，只有辐射跃迁和无辐射跃迁两个方式。对应二者的几率Pa和Px有PaPx=1。E.H.S.Burhop给出了Px的半经验公式:其中Z为原子序数。A.H.Wapstra给出的n, A, B, C如下： n=1/4，A= -6.410-2，B=3.410-2，C-1.0310-6,AES Auger电子的能
9、量和产额,Auger电子几率,AES Auger电子的能量和产额,平均自由程和平均逸出深度,平均自由程和平均逸出深度是两个类似的概念。C.J.Powell给出两者的区别时指出：平均自由程是指在理论上，电子经受非弹性散射的平均距离。而平均逸出深度指的是在实际测量中，电子经受非弹性散射的平均深度。,AES Auger电子的能量和产额,平均自由程和平均逸出深度,设有N个电子，在固体中前进dz，有dN个经受了非弹性散射而损失了能量，则所以有N=Noexp(z/)，即为平均自由程。,AES Auger电子的能量和产额,平均自由程和平均逸出深度,D.R.Penn基于介电理论给出了一个平均自由程的计算公式：
10、其中a，b是取决于材料的常数。,AES Auger电子的能量和产额,平均自由程和平均逸出深度,M.P.Seah和W.A.Dench分析了大量的实验数据后发现: 对于纯元素 = 538E-20.41(aE)0.5 对于无机化合物 = 2170E-2+0.72(aE) 对于有机化合物 = 49E-2+0.11(aE)0.5 其中E以费密能级为零点，单位为eV。a是单原子层厚度，单位是nm。的单位是单层数，第三式的单位是mg/m2。,AES Auger电子的能量和产额,背散射因子,初级电子经过初次背散射后，对Auger电子产额仍能有贡献，使Auger产额增加到1+r倍，则r称为“背散射增强因子”。R
11、.Shimizu等用Monte Carlo方法对背散射增加效应进行了数值模拟后，给出了不同入射束能量和角度下，不同EW值时的1+rZ的48条曲线，并根据最小二乘原理总结如下结果：,AES Auger电子的能量和产额,背散射因子, = 0： r = (2.342.10Z0.14)U-0.35+(2.58Z0.14 2.98) = 30： r = (.462.777Z0.20)U-0.32+(1.15Z0.20 1.05) = 45： r = (1.211.39Z0.13)U-0.33+(1.94Z0.131.88),AES Auger电子的能量和产额,Auger电子产额,对于入射束为Ip，入射角
12、为的电子束所激发的EWXY Auger电流为= IpniWPWXYsec(1+r)cos 其中ni是原子密度，是发射的Auger 电子与样品法向夹角。,AES Auger电子的能量和产额,Auger电子产额,若考虑表面粗糙度对Auger的影响，应乘以R1。若计算进入能量分析器的Auger电流，则应乘上能量分析的传输率T。即IART IpniWPWXYsec(1+r)cos,AES AES装置,从1967年L.A.Harris采用微分方法和锁定放大技术，建立第一台实用的Auger电子谱仪以来，Auger电子谱仪无论是在结构配置上，还是在性能上都有了长足的改进。 Auger电子谱仪目前主要由Aug
13、er电子激发系统电子枪，Auger电子能量分析系统电子能量分析器，超高真空系统，数据采集和记录系统及样品清洗、剖离系统组成。,AES AES装置,电子枪,电子枪是用于激发Auger电子的装置。Auger电子的能量一般在02000eV之间，所以电子枪的加速电压一般在5 keV以上。 为了能采集Auger电子像，扫描Auger电子谱仪(SAM)的电子枪加速电压一般为1015 keV。 电子枪的电子束斑直径，决定着SAM的空间分辨率。目前，商品仪器中，最小的电子束斑直径为15 nm，最大加速电压为20 keV。,AES AES装置,电子能量分析器,电子能量分析器是分析电子能量的装置，是Auger电子
14、谱仪的重要组成部分。在表面分析技术中使用的电子能量分析器都是静电型的，可分为“色散型”和“（带通）减速场型”两大类。对于前者，电子在能量分析器中偏转成像，而后者是建立在拒斥场减速的基本原理之上的。在实际的应用中，有三种能量分析器最为常用，即：筒镜型能量分析器(CMA), 半球性能量分析器(SDA)和Staib能量分析器。,AES AES装置,电子能量分析器,CMA的原理结构,AES AES装置,电子能量分析器,SDA的原理结构,AES AES装置,电子能量分析器,AES AES装置,电子能量分析器,MAC2的原理结构,AES AES装置,真空系统,Auger电子谱仪都带有超高真空系统。系统的真
15、空度一般优于6.710-8Pa。真空系统一般由主真空室、离子泵、升华泵、涡轮分子泵和初级泵组成。初级泵一般是机械泵或冷凝泵。,AES AES装置,数据的采集和记录 目前，Auger电子谱仪的数据采集一般是以脉冲计数的形式，通过计算机采集不同能量下的Auger电子数的。用固定的数据分析处理远件进行分析、处理，并把结果输出到打印机和笔绘仪上。,AES AES装置,离子枪和预处理室 离子枪是进行样品表面剖离的装置，主要用于样品的清洗和样品表层成分的深度剖层分析。一般用Ar作为剖离离子，能量在15 keV。 样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。在预处理室内一般可完成清洗、断裂、镀膜、退火等一系列预处理工作，一般视用户的要求配置。,AES AES装置,其它 目前，一般都配有SAM功能，可以对样品表面进行二维AES成像。对于有的工作要求，还可在样品面上安装加热、冷却等功能，研究样品在特殊环境下的状态。还可根据用户的要求配置EDX等辅助功能。,AES Auger电子能谱的测量,在Auger电子能谱仪中，所采集的Auger电子谱中，不仅有Auger电子信号，同时也存在其它的二次电子。 用于分析的Auger电子的能量一般在02000eV，它所对应的平均自由程为0.53 nm，即15个原子层左右。因此，Auger电子的信号强度在整个电子信号中所占的比例是相当小的，即AES中有强大的背底。,
