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1、Auger电子能谱电子能谱(AES)Auger Electron spectroscopy 现代材料分析方法(6-AES) AES Auger效应v19251925年年Pierre Pierre AugerAuger在在WelsonWelson云云室室内内观观察察到到AugerAuger电子径迹，并正确地解释了这种电子的来源。电子径迹，并正确地解释了这种电子的来源。v尽尽管管当当时时人人们们已已经经认认识识到到它它可可以以成成为为一一种种成成分分分分析析的的手手段段，但但直直到到六六十十年年代代中中期期，随随着着金金属属的的超超高高真真空空系系统统和和高高效效的的微微弱弱信信号号电电子子检检测
2、测系系统统的的发发展展，才才出现了可以用于表面分析的实用出现了可以用于表面分析的实用AugerAuger电子能谱仪。电子能谱仪。现代材料分析方法(6-AES)v随随着着科科学学技技术术的的不不断断发发展展，使使AugerAuger电电子子能能谱谱仪仪的的性性能能不不断断改改进进，并并出出现现了了扫扫描描AugerAuger电电子子显显微微术术(SAM), (SAM), 成为微区分析的有力工具。成为微区分析的有力工具。v电电子子计计算算机机的的引引入入，使使AugerAuger电电子子能能谱谱仪仪的的功功能能更更趋趋完完善善。目目前前， AugerAuger电电子子能能谱谱已已成成为为许许多多科
3、科学学领领域域和和工工业业应应用用中中的的最最重重要要的的表表面面分分析析手手段段之之一。一。 AES Auger效应现代材料分析方法(6-AES)vAuger过程过程 EnergysourceEjectedcoreelectronOuterelectronfillscorelevelholeTransferofexcessenergyAugerelectronemitted AES Auger效应现代材料分析方法(6-AES)(a)(a)KLKL1 1L L3 3AugerAuger跃迁跃迁 (b) (b)K K 1 1辐射跃迁辐射跃迁 nAuger过程过程原子在原子在X射线、载能电子、离子
4、或中性粒子的照射下，内射线、载能电子、离子或中性粒子的照射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴。此时原层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴。此时原子处于不稳定的激发态。子处于不稳定的激发态。辐射跃迁辐射跃迁(X射线射线)退激发退激发俄歇跃迁俄歇跃迁(俄歇电子俄歇电子) AES Auger效应 一个能量较高态的电子填充一个能量较高态的电子填充该空位，同时发出特征该空位，同时发出特征X X射线，射线，即即辐射跃迁辐射跃迁。 一个较高能量的电子跃迁到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，这射，这是一无辐射跃迁过程，
5、这一过程被称为一过程被称为AugerAuger效应效应, ,被发射被发射的电子称为的电子称为AugerAuger电子电子。 现代材料分析方法(6-AES)v在实用的在实用的AugerAuger电子能谱仪中，初态空位电子能谱仪中，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。击样品表面而实现的。v用于表面分析的用于表面分析的AugerAuger电子的能量一般在电子的能量一般在0-2000eV0-2000eV之间。之间。 AES Auger效应现代材料分析方法(6-AES)AugerAuger电子的发射牵涉到三个电子的能级：电子的发射牵涉到三个电子
6、的能级： 空位、空位、 跃迁电子、发射电子所在的能级。跃迁电子、发射电子所在的能级。 如如初初态态空空位位在在K K能能级级，L L1 1能能级级上上的的一一个个电电子子向向下下跃跃迁迁填填充充K K空位，同时激发空位，同时激发L L3 3上的上的一个电子发射出去便记为一个电子发射出去便记为KLKL1 1L L3 3。一般地说，任意一种一般地说，任意一种AugerAuger过过程均可用程均可用W Wi iX Xp pY Yq q来表示。来表示。W Wi i, ,X Xp p和和Y Yq q代表所对应的电子轨道。代表所对应的电子轨道。 ML3L2L1K AES Auger效应现代材料分析方法(6
7、-AES)俄歇电子发射过程示意图光电子光电子 俄歇电子俄歇电子 俄歇电子俄歇电子 俄歇电子俄歇电子 KL1L1 LM1M1 L2,3VV现代材料分析方法(6-AES)N7N6N5N4N3N2N1 4f7/24f5/24d5/24d3/24p3/24p1/24s1/2M5M4M3M2M1L3L2L1K 3d5/23d3/23p3/23p1/23s1/22p3/22p1/22s1/21s1/2电子能级、电子能级、X射线能级和电子数射线能级和电子数现代材料分析方法(6-AES)KLL系列 KL1L12s0p6 (1S) KL1L2,32s1p5(1P, 3P) KL2,3L2,32s22p4(1D,
8、 3P, 1S)现代材料分析方法(6-AES)vAugerAuger电电子子能能谱谱手手册册中中给给出出了了各各种种原原子子不不同同系系列列的的AugerAuger峰位置。峰位置。v每每种种元元素素的的各各种种AugerAuger电电 子子 的的 能能量量是是识识别别该该元元素素的重要依据。的重要依据。 AES Auger效应现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子的能量和产额 Auger Auger电子几率电子几率 现代材料分析方法(6-AES)电子能谱现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子能谱的测量v微分谱微分谱 Fe经轻微氧化的经轻微氧化的dEN(E)/dE谱和
9、谱和dN(E)/dE谱谱现代材料分析方法(6-AES)电子逃逸深度电子逃逸深度v平均自由程和平均逸出深度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平均自由程和平均逸出深度是两个类似的概念。念。 平均自由程平均自由程是指在理论上，电子经受非弹性是指在理论上，电子经受非弹性散射的平均距离。散射的平均距离。 平均逸出深度平均逸出深度指的是在实际测量中，电子经指的是在实际测量中，电子经受非弹性散射的平均深度：受非弹性散射的平均深度：具有确定能量具有确定能量EcEc的的电子能够通过而不损失能量的最大距离。电子能够通过而不损失能量的最大距离。 逃逸深度逃逸深度与入射粒子无关，是出射电
10、子能与入射粒子无关，是出射电子能量的函数。量的函数。现代材料分析方法(6-AES)电子逃逸深度电子逃逸深度现代材料分析方法(6-AES)电子逃逸深度电子逃逸深度现代材料分析方法(6-AES)电子逃逸深度电子逃逸深度俄歇电子的俄歇电子的逃逸深度与逃逸深度与背散射电子背散射电子和和X射线发射线发射深度的对射深度的对比比现代材料分析方法(6-AES)v从从19671967年年L.A.HarrisL.A.Harris采用微分方法和锁定放大采用微分方法和锁定放大技术，建立第一台实用的技术，建立第一台实用的AugerAuger电子谱仪以来，电子谱仪以来，AugerAuger电子谱仪无论是在结构配置上，还是
11、在性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。能上都有了长足的改进。vAugerAuger电子谱仪目前主要由电子谱仪目前主要由AugerAuger电子激发系统电子激发系统电子枪，电子枪，AugerAuger电子能量分析系统电子能量分析系统电子电子能量分析器，超高真空系统，数据采集和记录能量分析器，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。系统及样品清洗、剖离系统组成。AES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)电子枪电子枪: 电子枪是用于激发电子枪是用于激发AugerAuger电子的装置。电子的装置。AugerAuger电子的电子的能量一般在能量一般在0
12、02000eV2000eV之间，所以电子枪的加速电压一般之间，所以电子枪的加速电压一般在在5 keV5 keV以上。以上。为为了了能能采采集集AugerAuger电电子子像像，扫扫描描AugerAuger电电子子谱谱仪仪(SAM)(SAM)的的电子枪加速电压一般为电子枪加速电压一般为101015 keV15 keV。电电子子枪枪的的电电子子束束斑斑直直径径，决决定定着着SAMSAM的的空空间间分分辨辨率率。目目前前，商商品品仪仪器器中中，最最小小的的电电子子束束斑斑直直径径为为15 15 nmnm，最最大大加速电压为加速电压为20 keV20 keV。AES AES装置 现代材料分析方法(6-
13、AES)v电子能量分析器电子能量分析器 电电子子能能量量分分析析器器是是分分析析电电子子能能量量的的装装置置，是是Auger电电子子谱谱仪仪的的重重要要组组成成部部分分。在在表表面面分分析析技技术术中中使使用用的的电电子子能能量量分分析析器器都都是是静静电电型型的的，可可分分为为“色色散散型型”和和“（带带通通）减减速速场场型型”两两大大类类。对对于于前前者者，电电子子在在能能量量分分析析器器中中偏偏转转成成像像，而而后后者者是是建建立立在在拒拒斥斥场场减减速速的的基基本本原原理理之之上上的的。在在实实际际的的应应用用中中，有有三三种种能能量量分分析析器器最最为为常常用用，即即：筒筒镜镜型型能
14、能量量分分析析器器(CMA), 半半球球性性能能量量分分析析器器(SDA)和和Staib能能量量分分析器析器。 AES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)v电子能量分析器电子能量分析器筒镜型能量分析器筒镜型能量分析器(CMA)(CMA)的原理结构的原理结构 -VElectron GunSampleSelected Energy Auger ElectronsElectron MultiplierAES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)AES AES装置v电子能量分析器电子能量分析器半球性能量分析器半球性能量分析器(SDA)(SDA)的原理结构的原理结构 Electron Op
15、ticsFrom Excitation SourceElectron PathElectron Multiplier-V1-V2现代材料分析方法(6-AES)v真空系统真空系统 Auger电子谱仪都带有超高真空系统。系统电子谱仪都带有超高真空系统。系统的真空度一般优于的真空度一般优于6.7 10-8Pa。真空系统一般由。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。泵组成。初级泵一般是机械泵或冷凝泵。 AES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)v数据的采集和记录数据的采集和记录 目前，目前，Auge
16、r电子谱仪的数据采集一般是以脉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。分析、处理，并把结果输出到打印机和笔绘仪上。 AES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)AES AES装置v离子枪和预处理室离子枪和预处理室 离离子子枪枪是是进进行行样样品品表表面面剖剖离离的的装装置置，主主要要用用于于样样品品的的清清洗洗和和样样品品表表层层成成分分的的深深度度剖剖层层分分析析。一一般般用用ArAr作为剖
17、离离子，能量在作为剖离离子，能量在15 15 keVkeV。样样品品的的预预处处理理室室是是对对样样品品表表面面进进行行预预处处理理的的单单元元。在在预预处处理理室室内内一一般般可可完完成成清清洗洗、断断裂裂、镀镀膜膜、退退火等一系列预处理工作，一般视用户的要求配置。火等一系列预处理工作，一般视用户的要求配置。 现代材料分析方法(6-AES)v其它其它 目前，一般都配有目前，一般都配有SAM功能，可以对样品表面进行功能，可以对样品表面进行二维二维AES成像。对于有的工作要求，还可在样品面成像。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上安装加热、冷却等功能，研究
18、样品在特殊环境下的状态。还可根据用户的要求配置的状态。还可根据用户的要求配置EDX等辅助功能。等辅助功能。 AES AES装置 现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子能谱的测量v微分谱微分谱 在在实实际际的的测测量量过过程程中中，K大大小小的的选选择择是是非非常常重重要要的的。一一般般地地说说，K的的大大小小的的选选择择应应满满足足所所有有Auger电子峰都在电子峰都在I1K线性段。线性段。目目前前，由由于于电电子子计计算算机机的的发发展展和和应应用用，直直接接测测量量微微分分谱谱的的方方法法已已逐逐渐渐被被用用脉脉冲冲计计数数法法测测量量Auger电电子子的的直直接接谱谱所所代
19、代替替。Auger电电子子的的微微分分谱可通过对直接谱进行数值微分而得到。谱可通过对直接谱进行数值微分而得到。现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子能谱的测量v直接谱直接谱 微微分分谱谱的的优优点点在在于于显显著著提提高高了了信信背背比比，因因而而在在目目前前进进行行的的定定量量和和定定性性分分析析中中仍仍被被广广泛泛使使用用。然然而而，尽尽管管微微分分谱谱提提高高了了信信背背比比，却却降降低低了了信信噪噪比比，改改变变了了谱谱峰峰的的形形状状。最最为为重重要要的的是是信信号号经经微微分分后后，损损失失了了大大量量有有用用的的化化学学信信息息。因因而而，直直接接谱谱日日益益受受到
20、到广广大大科科学学工工作作者的重视。者的重视。现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子能谱的测量v直接谱直接谱 直直接接谱谱根根据据能能量量分分辨辨率率的的不不同同设设置置方方式式，也也有有两两种种形形式式，即即EN(E)E和和 N(E)E。直直接接谱谱的的信信噪噪比比优优于于微微分分谱谱，但但信信背背比比却却低低于于微微分分谱谱。在在实实际际的的工工作作中中，应应针针对对具具体体的的问问题题，结结合合微微分分谱和直接谱而进行分析。谱和直接谱而进行分析。 现代材料分析方法(6-AES)AES Auger电子能谱的测量v直接谱直接谱 Fe经轻微氧化的经轻微氧化的EN(E)E和和N(E
21、)E谱谱现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法 v定性分析定性分析定定性性分分析析是是进进行行AESAES分分析析的的首首要要内内容容，其其任任务务是是根根据据测测得得的的AugerAuger电电子子谱谱峰峰的的位位置置和和形形状状识识别别分分析析区区域域内内所存在的元素。所存在的元素。AESAES定定性性分分析析的的方方法法是是将将采采集集到到的的AugerAuger电电子子谱谱与与标标准准谱图进行对比，来识别分析区域内的未知元素。谱图进行对比，来识别分析区域内的未知元素。由由于于微微分分谱谱具具有有比比较较好好的的信信背背比比，利利于于元元素素的的识识别别，因此，在定性分析中
22、，一般用微分谱。因此，在定性分析中，一般用微分谱。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析 在在AugerAuger电电子子谱谱手手册册中中，有有“主主要要AugerAuger电电子子能能量量图图” ” 及及LiULiU的的各各元元素素标标准准谱谱图图，还还有有部部分分元元素素的的氧氧化化物物及及其其它它化化合合物物的的标标准准谱谱。气气体体元元素素及及部部分分固固体体元元素素的的标标准准谱谱是是以以化化合合物物或或注注入入到到某某一材料中给出的。一材料中给出的。谱谱中中标标有有元元素素的的AugerAuger峰峰位位，杂杂质质元元素素的的AugerAuger电电子峰用
23、元素符号标出。子峰用元素符号标出。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 在在标标准准谱谱中中，激激发发Auger电电子子的的电电子子束束能能量量是是固固定定的的，一一般般是是3 keV, 5 keV。因因此此，在在采采集集Auger电电子子谱谱时时，应应选选择择与与标标准准谱谱相相同同的的电电子子束束电电压压。微微分分谱谱中中Auger电电子子的的峰峰位位以以负负峰峰位位置为准。置为准。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 Al的标准的标准AES谱谱 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析
24、Al2O3的标准的标准AES谱谱 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 (1)首首先先选选择择最最强强的的峰峰，判判断断可可能能是是什什么么元元素素。由由于于峰峰位位接接近近或或重重叠叠，一一个个峰峰位位有有时时对对应应几几种种元元素素。然然后后，根根据据标标准准谱谱确确定定它它究究竟竟是是什什么么元元素素。考考虑虑到到可可能能存存在在化化学学位位移，能量相差几个电子伏是不重要的。移，能量相差几个电子伏是不重要的。(2)利用标准谱标明属于该元素的所有峰。利用标准谱标明属于该元素的所有峰。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 (
25、3)选选择择除除已已识识别别元元素素峰峰外外的的最最强强峰峰，重重复复上上述述过过程程。对对含含量量少少的的元元素素可可能能只只有有一一个个主主峰峰反反映映在在Auger电子谱上。电子谱上。(4)若若还还有有一一些些峰峰没没有有确确定定，可可考考虑虑它它们们是是否否是是某某一一能能量量下下背背散散出出来来的的一一次次电电子子的的能能量量损损失失峰峰。可可以以改改变变激激发发电电子子束束的的能能量量，观观察察该该峰峰是是否否移移动动，若随电子束能量而移动则不是若随电子束能量而移动则不是Auger电子峰。电子峰。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 对对于于元元
26、素素含含量量低低于于检检测测灵灵敏敏度度或或微微量量元元素素的的主主峰峰被被含含量量多多的的元元素素的的AugerAuger峰峰所所“淹淹没没”的情况，也可能检测不出来。的情况，也可能检测不出来。有有些些元元素素由由于于只只有有一一个个AugerAuger电电子子峰峰，又又与与某某一一元元素素的的次次峰峰重重叠叠，这这时时，就就需需要要根根据据实实际情况和谱峰形状及经验来识别。际情况和谱峰形状及经验来识别。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定性分析定性分析 TiN的的Auger电子谱电子谱 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定量分析定量分析 从从理理论
27、论上上说说，如如果果知知道道Auger电电子子峰峰的的强强度度，根根据据一一定定的的理理论论和和计计算算方方法法，就就可可确确定定元元素素在在所所分分析析区区域域内内的含量。的含量。在在实实际际的的分分析析过过程程中中，定定量量分分析析将将遇遇到到各各种种各各样样的的困困难，使得难，使得Auger电子能谱的定量分析变得极为复杂。电子能谱的定量分析变得极为复杂。目目前前Auger电电子子能能谱谱一一般般的的分分析析精精度度为为30%左左右右。若若经经过过比比较较仔仔细细的的校校正正和和数数据据处处理理，定定量量分分析析精精度度可可提提高到高到5%左右。左右。 现代材料分析方法(6-AES)AES
28、 AES分析方法v定量分析定量分析 AESAES定量分析的主要困难定量分析的主要困难 试试样样的的复复杂杂性性，即即试试样样的的非非均均匀匀性性、表表面面成成分分的的未未知知性性、试试样样表表面面的的粗粗糙糙度度的的影影响响，多多晶晶样样品表面取向不同的影响。品表面取向不同的影响。仪器性能对分析结果的影响。仪器性能对分析结果的影响。基体效应对分析结果的影响。基体效应对分析结果的影响。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定量分析定量分析 设设所所分分析析区区域域内内i i元元素素的的原原子子密密度度为为n ni i，它它所所占占总总分分析析区区域域的的百百分分比比为为C Ci
29、 i，则则二二者者有有如如下关系：下关系： 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定量分析定量分析 若若i i元元素素所所发发射射的的AugerAuger电电子子强强度度为为I Ii,WXYi,WXY，则则根根据据AugerAuger电电子子产产额额的的公公式式，可可以以得得到到经经过过分分析析系系统统的最后的的最后的AugerAuger电子的强度为：电子的强度为：其中其中i i代表代表i i元素，元素，WXYWXY代表代表WXYWXY过程。过程。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定量分析定量分析 根根据据以以上上的的公公式式对对Auger电电流流进进行行
30、计计算算是是不不可可能能的的，但但我我们们可可以以根根据据这这一一公公式式，在在相相同同的的测测试试条条件下，找出件下，找出Ii与与ni或或Ci的关系，从而确定的关系，从而确定Ci和和ni。所所谓谓相相同同的的测测试试条条件件，即即保保证证初初级级电电子子束束的的能能量量Ep和和束束流流Ip，电电子子倍倍增增器器电电压压Vh，表表面面粗粗糙糙度度R相同。相同。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v定量分析定量分析 对对于于传传统统的的调调制制电电压压法法所所获获取取的的微微分分谱谱，还还应应保保证调制电压证调制电压Vm和锁定放大器的放大倍数和锁定放大器的放大倍数L相同。相同。
31、一一般般地地说说，Ip, Vh, Ep, Vm, L等等均均可可精精确确控控制制，只有只有R要靠实验者估计。要靠实验者估计。Ii,WXY IpVmL = d，d为刻度系数。为刻度系数。Ii,WXY与与Ep, Vh不成正比。不成正比。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v标样法标样法 标标样样法法是是以以所所分分析析区区域域内内所所有有元元素素的的纯纯元元素素为为标标准准样样品品，在在相相同同的的测测试试条条件件下下，测测出出试试样样中中i元元素素及及i标标样样的的强强度度Ii,WXY和和。所所取取Auger电电子峰一般为主峰，试样表面清洁可靠。这样有：子峰一般为主峰，试样表面
32、清洁可靠。这样有：若若已知，则已知，则ni，Ci可测。可测。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v相对灵敏度因子法相对灵敏度因子法 相相对对灵灵敏敏度度因因子子法法是是人人们们应应用用较较为为广广泛泛的的一一种种方方法法。它它是是事事先先已已知知各各标标准准样样品品与与Ag标标样样351eV峰的相对灵敏度因子峰的相对灵敏度因子则则现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v相对灵敏度因子法相对灵敏度因子法 Perkin-Elmer公公司司给给出出的的各各元元素素在在 Ep=3, 5, 10keV下下的的相相对对灵灵敏度因子。敏度因子。现代材料分析方法(6-AES)AE
33、S AES分析方法v相对灵敏度因子法相对灵敏度因子法 若若Ep,Vh与测与测Si相同，刻度系数为相同，刻度系数为di则则在实际的分析工作中，若保证在实际的分析工作中，若保证Vh相同是困难的，一般相同是困难的，一般是取是取Vh在很大的能量范围内，保证电子倍增器的响应在很大的能量范围内，保证电子倍增器的响应是一致的。是一致的。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 以以上上的的实实验验分分析析方方法法均均建建立立在在一一定定的的假假设设条条件件下进行，这些假设的条件是下进行，这些假设的条件是:（1）（2）（3）（4）现代材料分析方法(6-AES)AES
34、AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 以上四项并不是经常能够满足的。以上四项并不是经常能够满足的。(1)，(2)不不满满足足所所引引入入的的误误差差称称为为“基基体体效效应应”；(3)项项不不满满足足是是由由化化学学环环境境不不同同所所造造成成的的峰峰形形变化，称为变化，称为“化学效应化学效应”；(4)项不满足引入的误差称为项不满足引入的误差称为“形貌效应形貌效应”。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 由由Auger电子产额公式有：电子产额公式有：简写为：简写为：现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效
35、应修正法 设二元合金设二元合金A,B的含量分别为的含量分别为CA，CB，则，则其中：其中：nA=CAn，nB=CBn；n是所测样品的平均原子密度。是所测样品的平均原子密度。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 定义定义FBA为基体效应因子，有为基体效应因子，有由由CA+CB=1有有现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 引入灵敏度因子有：引入灵敏度因子有：推广到多元合金有：推广到多元合金有：其中其中Fjj=1。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v基体效应修正法基体效应修正法 通通过过反反
36、复复迭迭代代，即即可可求求出出各各元元素素在在材材料料中中所所占占含量，其中含量，其中现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v校正曲线法校正曲线法校校正正曲曲线线法法的的思思想想是是对对于于某某一一二二元元合合金金，建建立立一一组组已已知知成成份份的的标标样样。在在相相同同的的实实验验条条件件下下，建建立立一一个个成成份份与与Auger电电子子谱谱峰峰强强度度的的关关系系曲曲线线，做做为为校校正正曲曲线线。然然后后对对所所测测未未知知成成份份的的Auger峰峰的的强强度度，做做插值而求出其含量。插值而求出其含量。由由于于试试样样与与标标样样成成份份相相近近，基基体体效效应应和和化
37、化学学效效应应的的影影响响可可大大大大减减少少，形形貌貌效效应应也也可可以以在在一一定定程程度度上上消消除，因而是一种准确度较高的定量分析方法。除，因而是一种准确度较高的定量分析方法。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v校正曲线法校正曲线法校校正正曲曲线线法法存存在在着着标标样样制制作作上上的的困困难难。一一般般只只试试用用于于互互溶溶合合金金，同同时时需需要要大大量量的的标标样样，标标样样的的处处理理也也极极为为复复杂杂，代代价价很很大大，因因而而，很很少少有有人使用。人使用。校校正正曲曲线线法法在在AugerAuger电电子子能能谱谱的的定定量量分分析析中中，具有一定的
38、研究价值。具有一定的研究价值。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) 扫扫描描Auger显显微微探探针针是是利利用用Auger电电子子能能谱谱研研究究表表面面二二维维元元素素分分布布的的一一项项技技术术。它它是是将将很很细细的的初初级级电电子子束束在在样样品品表表面面扫扫描描，同同时时选选取取能能量量分分析析器器的的通通过过能能量量为为某某一一元元素素Auger电电子子峰峰的的能能量量，使使该该元元素素的的Auger电电子子成成像像。这这样样，它它不不仅仅可可以以知知道道样样品品表表面面的的元元素素种种类类、含含量量，还还可以得知各
39、元素在表面的分布情况可以得知各元素在表面的分布情况。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) 目目前前，最最好好的的SAM的的初初级级电电子子束束直直径径为为15 nm，其空间分辨能力很高。其空间分辨能力很高。 在在实实际际的的分分析析过过程程中中，可可用用的的最最小小束束径径一一般般大大于于电电子子枪枪的的最最小小束束径径。因因为为：(1)束束径径越越细细，Ep越越大大，Ip越越小小，使使得得信信噪噪比比下下降降。(2)样样品品的的抗抗辐辐照照损损伤伤的的能能力力对对束束径径的的大大小小有有限限制制。(3)束束斑斑漂移对束径也有限制
40、。漂移对束径也有限制。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) Measure Auger signal at many points on the surface.Creates 3D elemental map of surface.Requires a highly focused electron beam.Spatial resolution is about 0.1 mGenerally use a concentric hemispherical analyzer (CHA) instead of CMA.When us
41、ed with an Ar+ sputter beam, composition depth profiling may be done.现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) SEM S的的SAM 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) 半导体器件测试模板的半导体器件测试模板的C, Si, O的的SAM和和SEM 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) Al-Si合金的合金的SEM, SAM及线扫描及线扫描 SAM
42、常常 配配有有线线扫扫描描功功能能，给给出出成成分分沿沿某某一一方方向上的变化。向上的变化。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM) Al-Si合金的线扫描合金的线扫描 AES分布分布现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 深深度度剖剖面面分分析析是是AES常常用用的的分分析析手手段段之之一一。它它是是利利用用具具有有一一定定能能量量的的离离子子束束对对样样品品表表面面进进行行剥剥离离，同同时时采采集集各各元元素素的的Auger电电子子能能谱谱，从从而获得元素含量与刻蚀时间而获得元素含量与刻蚀时间
43、(深度深度)的分布情况。的分布情况。离离子子枪枪引引出出的的一一般般是是具具有有500eV5keV的的Ar离离子子，束束径径则则根根据据离离子子枪枪的的种种类类不不同同而而有有较较大大的差异。的差异。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 Ti离子注入到离子注入到Fe中的中的AES深度剖面分布图深度剖面分布图 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 择优溅射：择优溅射： 由由于于各各种种元元素素的的溅溅射射率率不不同同，因因此此，在在多多组组元元材材料料分分析析中中，将将会会使使溅溅射射率率大大的的元元素素被被过
44、过多多地地溅溅射射，这这一一现现象象称称为为“择择优优溅溅射射”。择择优优溅溅射射将将改改变变材材料料表表面面的的成成分分，因因而而，在在深深度度分分析中要考虑择优溅射的影响。析中要考虑择优溅射的影响。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 设设由由A,B两两种种原原子子组组成成的的二二元元合合金金，溅溅射射率率分分别别为为YA,YB，体体浓浓度度分分别别为为CAb,CBb，表表面面浓浓度度分分别别为为CAs,CBs，且且只只考考虑虑最最表表层层的的原原子子被被溅射，则动态平衡下：溅射，则动态平衡下：现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法
45、v深度剖面分析深度剖面分析 CAb+CBb=1，CAs+CBs=1其中：其中：R=YB/YA。这就是溅射平衡时，。这就是溅射平衡时，A元素的表面浓度。元素的表面浓度。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 Cu-42%Ni的二元的二元合金中合金中Ni随溅射时随溅射时间的变化间的变化现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 原子混合、离子轰击增强扩散和偏析：原子混合、离子轰击增强扩散和偏析： 在在离离子子刻刻蚀蚀剖剖面面分分析析中中，由由于于刻刻蚀蚀离离子子具具有有一一定定的的能能量量，因因此此，将将导导致致表表面面附
46、附近近的的原原子子出出现现混混合合效效应应，改改变变了了元元素素的的分分布布形形状状。改改变变元元素素分分布布的的因因素素还还有有离离子子轰轰击击增增强强扩扩散散和和离离子子束束溅溅射射偏偏析析及离子束诱导偏析。及离子束诱导偏析。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 表面的粗糙度的变化表面的粗糙度的变化 离离子子束束刻刻蚀蚀同同时时还还改改变变试试样样表表面面的的粗粗糙糙度度。当当离离子子轰轰击击的的剂剂量量比比较较小小的的时时候候，对对试试样样的的表表面面有有抛抛光光的的作作用用；当当轰轰击击的的剂剂量量大大到到一一定定的的程程度度，将将使使试试样
47、样的的表表面面出出现现多多维维形形尖尖角角，使使得试样表面的粗糙度增加。得试样表面的粗糙度增加。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v深度剖面分析深度剖面分析 离子束刻蚀对界面也有宽化离子束刻蚀对界面也有宽化 Zalar对离子刻蚀深度分辨率的影响对离子刻蚀深度分辨率的影响 现代材料分析方法(6-AES)现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v化学效应化学效应 不不同同的的化化学学环环境境将将改改变变AugerAuger电电子子能能谱谱峰峰的的形形状状和和位置，这一现象称为位置，这一现象称为AugerAuger电子的化学效应。电子的化学效应。AugerAuger电
48、电子子谱谱中中，蕴蕴含含着着丰丰富富的的化化学学信信息息，但但由由于于AugerAuger过过程程的的复复杂杂性性，使使得得AugerAuger电电子子的的化化学学效效应应不不易被分析、识别。易被分析、识别。电电子子能能量量分分析析器器的的分分辨辨率率不不断断提提高高，以以及及直直接接谱谱的的出现，使得出现，使得AugerAuger电子的化学效应日益受到重视。电子的化学效应日益受到重视。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法v化学态的判断化学态的判断 Auger电子的化学效应的特点：电子的化学效应的特点：由由于于电电子子束束可可以以聚聚得得很很细细，远远远远低低于于X射射线线的
49、的束束径径。因因此，可以分析微小区域内的化合态方面的问题。此，可以分析微小区域内的化合态方面的问题。电电子子束束所所激激发发的的Auger电电子子信信号号很很强强，所所以以有有利利于于研研究究化合物沿深度方向化合态的变化。化合物沿深度方向化合态的变化。一般地说，尽管一般地说，尽管Auger过程比较复杂，但过程比较复杂，但Auger电子所电子所产生的化学位移比产生的化学位移比XPS谱中的化学位移大。谱中的化学位移大。 现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析方法现代材料分析方法(6-AES)现代材料分析方法(6-AES)AES方法的特点
50、和局限性1、适于分析13nm以内的表面层的成分；2、可分析出H、He以外的各种元素，尤其是对轻元素C、O、N、S、P等有较高的灵敏度；3、可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析，深度分辨约为510nm；4、有较好的横向分辨(约50nm)，能分析大于或等于100nm面积内的成分变化；5、通过原位断裂可分析晶界及其他界面；6、可作不同相的成分分析，在某种程度上可判断元素的化学态。现代材料分析方法(6-AES)AES方法的特点和局限性局限性：1、不能分析H和He；2、定量分析的准确度不高，用元素灵敏度因子方法为30%，用成分相似的标样为10%；3、对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.11.0%；4、电子轰击损伤和电荷积累问题限制了在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料的应用；5、高蒸气压样品。现代材料分析方法(6-AES)AES AES分析总结v基本原理：基本原理：Auger效应效应v基本组成：基本组成：真空室、电子枪、电子能量分析器真空室、电子枪、电子能量分析器v辅助组成：辅助组成：离子枪、离子枪、SAMSAMv主要功能：主要功能：成分分析（点、线、面、深度分布）成分分析（点、线、面、深度分布）v采谱方法：采谱方法：微分谱、直接谱微分谱、直接谱v分析方法：分析方法：定性分析、定量分析定性分析、定量分析现代材料分析方法(6-AES)
