俄歇电子能谱AES

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： Δ 信息来自表面 （3 - 30Å） Δ 具有微区分析能力（横向与深度分辨率好） Δ 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：
Δ 辐射跃迁:
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Kα1)
Δ 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
(5) 俄歇电流表达式 IA = ∫o∞Ip ni QW PWXY T e-z/λcosθ 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θ-Δθ/2到θ+Δθ/2(Δθ为一小量)的俄歇 电子(这样的电子处于Ω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Ω/4π,近似等于能量分析器 的传输率T。
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。 Δ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。 Δ 俄歇电子的能量大多在502000eV (不随入射电子能量改变) Δ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，
缺点：分辨率不高，检测灵敏度低
b.筒镜能量分析器(偏转色散型) 利用不同能量的粒子在静电场中偏转轨道半径同(色散现象)
△ 要求： 不同能量的电子通过分析器后最大限度地被分离， 以便
选出某种能量的电子(色散特性－获得高分辨率)
具有相同能量、不同发射角的电子要尽可能会聚于一点 (聚焦特性－获得高灵敏度)。
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
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： Δ 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。 Δ 终态为二重电离状态。 Δ 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
(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,wxy 由Iiwxy 求ni或CI 计算俄歇电流公式： Ii,wxy = [BiR(secα)IpniQi,wxyPi,wxyλi,wxycosθ]×Ti,wxy
△ 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
E0
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
(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
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
由二次电子能量分布曲线看出：俄歇信号淹 没在很大的本底和噪声之中。
问题：提高信背比、信噪比
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)/dE－E，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。
在相同条件下，用纯 i 元素与纯 Ag 标样进行比较 （取 Ag 351eV MNN 峰）
std
I i , wxy
S i
std
I Ag ,351
－－i元素标样 －－纯 Ag标样
Si为 i 元素的相对灵敏度因子（可查表）
S Ag,351 1
I S I std i , wxy
std i Ag ,351
在高能段 λ∝ E0.7 当俄歇电子能量为 0-
逸出深度为3－30Å， 平均逸出深度 10Å。
(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。
如一次电子并非垂直入射，入射方向与表面法线成α角， 则:
IA = (secα)Ip ni QW PWXY T λcosθ
若 B为背散射增强因子，R为表面粗糙因子 则:
IA = B R(secα)Ip ni QW PWXY T λcosθ
通常 R <1，光滑表面 R＝1
三、定性及定量分析方法 （一） 俄歇电子能谱
（X射线不易聚焦）
ppb 表面损伤 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
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
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) - 1/2[EB(Z) + EB(Z+1)] - 1/2[EC(Z) + EC(Z+1)]
相邻原子序数 该能级的能量
特点： Δ一种原子可能产生几组不
上述两方面要求相互矛盾，应根据具体问题 做折衷选择。
△ 结构及工作原理
常用参数： α0 = 42°18ˊ L = 6.128 ra rm = 1.81ra
E0 1.31 eVb ln(rb/ ra )
α0：入射角 L：源点S和象点Q的轴向距离
rb：外筒半径 ra：内筒半径 rm：电子轨迹的最大径向距离 E0：从S点发出的电子能量 Vb：外筒电位
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 PWXY 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/λcosθ就是能量无损地输运到表面的部 分，z/cosθ表示输运距离。
Ep: 入射电子能量 EA：内层能级束缚能
通过理论计算及实验测定，得到如下公式： QA =αEA-2(lnU/U) [Å2]
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
即 WiWpYq ( p >i ) 超C-K跃迁：
两终态都与初态空位处于同一主壳层内 即WiWpWq( p >i，q>i )
C-K跃迁速度快，△t小，由测不准原理 (△E)(△t) h， Δ 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)
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
一次束
AES 电子
检测粒子 俄歇电子
特点
EABC＝EA-EB-EC 定量较好
高 缺点
分辨率高 轻元素不能分析
X射线光电子能谱 二次离子质谱
XPS X射线
SIMS 离子
光电子
二次离子
Ek＝hν-Eb
m/e
带有化学位移信息 检测灵敏度
表面损伤小 分辨差
利用场发射阴极作为电子束源： 小束斑：几千-几百Å 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 (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
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Z≤15，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敏。
(IpEmL)称为刻度系数，测试n时i 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.WXY、TiWXY相同,则：
ni n std
i
I i,wxy std
I i,wxy
已知
n std i
测量得 Ii,wxy
I std i , wxy
求得ni
2．相对灵敏度因子法
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/λ
λ：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）
2000eV，
I j,wxy
j Sj
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dN dE
E
1 d2N
2！dE 2
…
N0(E)
dN dE
k
sin t
1 d2N 2！dE 2
k2
sin 2
t
…
当 k小于俄歇峰的半高宽时，略去k3以上项。 得：
一次谐波振幅 ∝ dN(E)/dE
信号 →电子倍增→锁相放大(只放大频率为ω的信号) →dN(E)/dE→外圆筒电位扫描 →dN(E)/dE－E曲线
ni
n I std i i,wxy
S I std i Ag ,351
已知相对灵敏度因子 只用一种标样
求百分含量
Ci
ni nj
nstd i
Ii,wxy Si
j
j
n std j
I j,wxy Si
可无需Ag标样，求出原子百分含量
若
n std i
n std j
则进一步简化
Ci
I i , wxy Si
E0∼Vb
若rb/ra固定： 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 ΔV = ksinωt, 通过分析器的电子能量被调制 ΔE = eΔV = eksinωt 输出电流的能量展开式：
3.主要参数
〇 能量分辨率： 绝对分辨率: 谱峰的半宽度ΔE (FWHM) 相对分辨率: R=(ΔE/Eo)×100% （ Eo:通过分析器后电子的能量峰值） 分辨本领：Eo/ΔE 通常： ΔE：5-10eV; Eo:1000-2000eV; R < 0.5% 空间分辨率：由电子枪束斑 厚度分辨率：5－30Å