俄歇电子能谱分析原理及方法
俄歇电子能谱
1920
1987
2006
俄歇电子能谱（AES）
一、方法原理 二、仪器结构 三、数据分析与表征 CO N TA N T S
四、AES的应用
历史与现状
1925年，法国科学家俄歇在威尔逊云室中首次观察到了俄歇电子的轨
迹，并且他正确的解释了俄歇电子产生的过程，为了纪念他，就用他的
名字命名了这种物理现象。 1953年，兰德从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电
2.激发源
样品原子的激发可以用不同的方式完成。作为常规分析 用的激发源都为具有一定能量的电子束，其原因是电子 束易实现聚焦和偏转，另外它不破坏真空度。 某些特殊场合也可使用光子束作为激发源。其优点是二 次电子背景可大大减少，辐射损伤小于电子束。 另外，离子轰击也可以激发俄歇电子。
（1）电子源
电子源目前有两种：热电子发射源和场发射电子源。 热电子发射源，是通过对发射体（阴极）加热，使垫子 获得足够能量以克服表面势垒（称功函数或逸出功）而 逸出，电子流密度与发射体的功函数和温度有关。 场发射电子源，其原理是发射体外施加一强电场，是发 射体的表面势垒降低，宽度变窄，从而电子得以逸出。
俄歇电子从入口位置进入两圆 筒夹层，因外筒加有偏转电压 ，最后使电子从出口进入检测 器。若连续的改变外筒上的偏 转电压，就可在检测器上依次 接收到具有不同能量的俄歇电 子。 从能量分析器输出的电子经电 子倍增器、前置放大器后进入 脉冲计数器，最后由x-y记录 仪或荧光屏显示俄歇谱。
不同能量的电子通过分析器后最大限度的被分离，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、不同发射角的电子尽可能会聚于一点（ 聚焦特性——获得高灵敏度） 上述两方面要求相互矛盾，应根据具体问题，做折中选 择。
俄歇电子能谱仪(AES)
由图可知，随着原子序数Z的增加，X射线荧光产额增加， 而俄歇电子的产额下降。Z<33时，俄歇发射占优势。
2.俄歇过程的命名 2.俄歇过程的命名
每一俄歇电子的发射都涉及3个电子能级，故常以三壳层 符号并列表示俄歇跃迁和俄歇电子。若W表示最初空穴能级， X表示填充空穴的 电子能级，Y表示俄歇电子发射能级，则该 过程称为WXY俄歇跃迁。
KL1L1 L1M1M1 L2, 3VV
3.俄歇电子的能量 3.俄歇电子的能量
俄歇电子发射涉及三个电子能级WXY， 对于基态原子，俄歇电子能量为：
俄歇电子
EWXY (Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z)
事实上，原子发射俄歇电子时已处于激发态，此时需 要在公式中引入能级修正项。经验公式为： EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z)-[EX(Z+1)-EX(Z)+EY(Z+1)-EY(Z)]/2 由于束缚能强烈依赖于原子序数，所以，用确定能量 的俄歇电子来鉴别元素是明确而不易混淆的。通过经验公式 及各元素不同能级的束缚能，可以绘制出俄歇电子能量图。
二、AES的结构
三、AES应用举例
1.AES的定性分析——元素组成 1.AES的定性分析——元素组成 的定性分析—— ★ 特定的元素具有特定的俄歇跃迁过程，其俄歇 电子的能量是特征的。 ★ 特定元素在俄歇电子能谱上的多组俄歇峰的峰 位、峰数、各峰相对强度大小由特定元素原子结构 确定。 因此可以通过AES实测的直接谱或微分谱与 “俄歇电子能量图”及“俄歇电子标准谱”进行对 比，从而识别元素。
4.AES的深度剖析——元素的深度分布 4.AES的深度剖析——元素的深度分布 的深度剖析—— 先用Ar离子把表面一定厚度的表面层溅射掉， 然后再用AES分析剥离后的表面元素含量，这样就可 以获得元素在样品中沿深度方向的分布。
俄歇电子能谱原理、仪器及应用
这是AES的心脏，其作用 是收集并分开不同的动能 的电子。 由于俄歇电子 能量极低，必须采用特殊 的装置才能达到仪器所需 的灵敏度。目前几乎所有 的俄歇谱仪都使用筒镜分 析器。
三：俄歇电子能谱法特点
X射线光电子能谱： 灵敏度不高，无法测定轻元素。 光电子能谱 紫外光电子能谱： 由于价电子的谱峰很宽，实验 上难以测定共振吸收峰位移。
（1）发射X光射线式传递给另一个电子（俄歇电子），并使之发射
一：俄歇电子能谱法原理
KLⅠLⅡ俄歇电子表示最 初逐出K能级电子，然 后由LⅠ能级上电子填 入K能级的空穴，多余 能量传给LⅡ能级上的 一个电子并使之发射出 来
一：俄歇电子能谱法原理
俄歇电子能谱：1、分析层薄
2、可分析元素范围广，可分析除氢和氦 以外的所有元素 3、能对元素的化学态进行分析 4、定量分析精度低
四：俄歇电子能谱法应用
俄歇电子能谱分析在机械工业中主要用于金属材料的氧化、 腐蚀、摩擦、磨损和润滑特性等的研究和合金元素及杂质元 素的扩散或偏析、表面处理工艺及复合材料的粘结性等问题 的研究。
用具有一定能量的电子束（或X射线）激发试样，以测量二次 电子中的那些与入射电子能量无关，而本身具有确定能量的俄 歇电子峰为基础的分析方法，俄歇电子峰的能量具有元素特征 性且俄歇电流近似地正比于被激发的原子数目，所以既可以用 于定性分析又可用于定量分析
二：俄歇电子能谱仪器
俄歇能谱仪包括电子光学系统、电子能量分析器、样品安放系统、 离子枪、超高真空系统。
俄歇电子能谱原理、仪器及 应用
17级应用化学马向东
目录：
一：俄歇电子能谱法原理 二：俄歇电子能谱仪器 三：俄歇电子能谱法特点 四：俄歇电子能谱法应用
一：俄歇电子能谱法原理
俄歇电子能谱
通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以研究离子注入元素 沿深度方向的分布，还可以研究注入元素的化学状态。
注入Sb元素后，Sn元素 MNN俄歇动能发生变化， 介于Sn和SnO2之间。说 明Sn外层获得部分电子。
由于俄歇电子能 谱具有很高的表 面灵敏度，采样 深度为1－3nm， 因此非常适用于 研究固体表面的 化学吸附和化学 反应。
二、基础知识
1 . 俄歇效应 (1925年， 法国人 Pierre 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Kα 1)
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
俄歇电子能量与激发源的种类和数量无关，与元素的存在量有关，还与原子的电 离截面、俄歇电子产率以及逃逸深度有关。
特点： Δ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。 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
在低氧分压的情况下，只有部分Zn被 氧化为ZnO，而其他的Zn只与氧形成 吸附状态。
俄歇电子能谱在研究固体化学反应上也有着重要的作用。
金刚石耐磨颗粒通 常在表面进行预金 属化，以提高与基 底金属的结合强度。 图中看出界面层有 两层。结合其他方 法分析得出，分别 为CrC和Cr3C4。
• 4 表面元素的化学价态分析
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)。 标记： WXY来标记
俄歇电子能谱仪的工作原理及特点
俄歇电子能谱仪的工作原理及特点俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种广泛使用的分析方法而显露头角。
这种方法的优点是：在靠近表面5—20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He以后的全部元素。
虽然初俄歇电子能谱单纯作为一种讨论手段，但现在它已成为常规分析手段了。
它可以用于很多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。
俄歇效应虽然是在1925年时发觉的，但真正使俄歇能谱仪获得应用却是在1968年以后。
工作原理：当一个具有充足能量的入射电子使原子内层电离时，该空穴立刻就被另一电子通过L1→K跃迁所填充。
这个跃迁多余的能量EK—EL1如使L2能级上的电子产生跃迁，这个电子就从该原子发射出去称为俄歇电子。
这个俄歇电子的能量约等于EK—EL1—EL2、这种发射过程称为KL1L2跃迁。
另外仿佛的还会有KL1L1、LM1M2、MN1N1等等。
从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参加俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。
同样孤立的锂原子由于外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。
但是在固体中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发生的俄歇电子。
产品特点：1、俄歇电子的能量是靶物质所特有的，与入射电子束的能量无关。
右图是一些重要的俄歇电子能量。
可见对于Z=3—14的元素，突出的俄歇效应是由KLL跃迁形成的，对Z=14—40的元素是LMM跃迁，对Z=40—79的元素是MNN跃迁。
大多数元素和一些化合物的俄歇电子能量可以从手册中查到。
2、俄歇电子只能从20埃以内的表层深度中逃逸出来，因而带有表层物质的信息，即对表面成份特别敏感。
正因如此，俄歇电子特别适用于作表面化学成份分析。
标签:能谱仪。
材料分析方法 第十六章 光电子谱与俄歇电子能谱
所研究人员成功地通过STM 在硅单晶表面上提走硅原子， 形成平均宽度为2nm (3～4 个原子)的线条。从获得照片 上可清晰地看到由这些线条 形成的"100"字样和硅原子晶 格整齐排列的背景。
2021/3/5
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这是中科院化学所的科技人员用自制STM，在石墨表面 上刻蚀出的图象都十分清晰逼真，图形的线宽实际上只有 10nm。
可见，Fe原子吸附在Cu表面，该环中铜表面电子只能在其"围 栏"内运动，圈内的圆形波纹就是这些电子的波动图景形成" 驻波"。这是世界上首次观察到的电子驻波直观图形。
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用STM针尖 将48个铁原 子排列成了 一个称之为 “量子围栏” 的圆环的制 作过程。
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STM问世后，实现了当今最微小的操作，可按照自己的意 愿操纵原子，实现原子级操纵和加工，是目前国际科学界 公认的21世纪高新技术。
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电子动能检测
球静电式偏转型，由两个同心半球组成。改变电压可测试不 同能量的电子的数量。
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三、光电子能谱的接收
宽谱/预扫描：
✓ EB扫描范围0–1000 eV，能量分析器的通过能量约100 eV 。
✓
确窄定谱可：能元素的最强峰。
✓ 用于鉴别化学态、定量分析和峰的解迭。
✓ EB扫描范围小于25eV。
“中国”字样； 中科院的英文缩写字
"CAS“； 中国地图； 奥运会五环旗图
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原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜：利用原子间的范德华力作用来呈现样品的 表面特性。 测量表面形貌，测量表面原子间力，测量表面 的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。
俄歇电子能谱分析AES
通常在进行定性分析时，主要是利用与标准谱图对比的方法。根据《 俄歇电子能谱手册》，建议俄歇电子能谱的定性分析过程如下： 首先把注意力集中在最强的俄歇峰上。利用“主要俄歇电子能量图” ，可以把对应于此峰的可能元素降低到2~3种。然后通过与这几种可能 元素的标准谱进行对比分析，确定元素种类。考虑到元素化学状态不 同所产生的化学位移，测得的峰的能量与标准谱上的峰的能量相差几 个电子伏特是很正常的。 在确定主峰元素后，利用标准谱图，在俄歇电子能谱图上标注所有属 于此元素的峰。 重复上面两个过程，去标识更弱的峰。含量少的元素，有可能只有主 峰才能在俄歇谱上观测到。 如果还有峰未能标识，则它们有可能是一次电子所产生的能量损失峰 。改变入射电子能量，观察该峰是否移动，如移动就不是俄歇峰。
电 子 产 额
二次电子
弹性散射峰
为了增加谱图的信噪比， 通常采用微分谱来进行 定性鉴定。 负峰所对应的能量为阈 值能量，利用峰-峰高 度确定信息强度。
Auger 电子峰
AES spectrum of CuInS2 thin films grown by three source evaporation
俄歇电子能谱
(Auger Electron Spectroscopy 简称AES)
1.俄歇效应(Auger Effect)
处于基态的原子若用光子 或电子冲击激发使内层电 子电离后，就在原子的芯 能级上产生一个空穴。这 一芯空穴导致外壳层 的收缩。这种情形从能量 上看是不稳定的并发生弛 豫，K空穴被高能态L1的 一个电子填充，剩余的能 量( )用于释放一个 电子，即俄歇电子。
表面元素的半定量分析
第十一章 俄歇电子能谱分析(AES)和X-射线光电子能谱分析(XPS)
电镜几十万倍下观察，未见晶界处任何沉淀析出。故一直未能找到直 接证据，直到使用俄歇能谱仪。
断口表层
距断口表层4.5nm深度处
（采用氩离子喷溅技术逐层剥离）
KL1L1
L1M1M1
L2, 3VV
（《材料物理现代研究方法》P183图7-1）
（3）俄歇过程和俄歇电子能量
WXY跃迁产生的俄歇电 子的动能可近似地用 经验公式估算，即：
俄歇电子
EW XY EW E X EY
WXY俄歇过程示意图
（3）俄歇电子的能量
原则上，俄歇电子动能由原子核外电子跃迁前后的原子系统总能量的 差别算出。常用的一个经验公式为：
•1969年，Palmberg、Bohn和Tracey引进了筒镜能量分析器， 提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。
俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X射线 使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄 歇跃迁，发射俄歇电子，用电子能谱仪在真空中对 它们进行探测。
基本原理
(1)俄歇电子的产生
氧化锰 锰
锰和氧化锰的俄歇电子谱
2）当俄歇跃迁涉及到价电 子能带时，情况就复杂了， 这时俄歇电子位移和原子 的化学环境就不存在简单 的关系，不仅峰的位置会 变化，而且峰的形状也会 变化。
Mo2C、SiC、石墨和金刚石中
碳的 KLL（KVV或）俄歇谱
3)能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰 低能侧的拖尾峰。
化学位移效应
化学环境的强烈影响常常导致俄歇谱有如下三种可能的 变化：(称为化学效应)
俄歇电子能谱分析实验报告2
材料分析与表征作业俄歇电子能谱实验报告B组2010/12/16清华大学材料系目录俄歇电子能谱分析实验报告 (2)1. 实验目的 (2)2．实验原理 (2)2.1 AES简介 (2)2.2 俄歇效应 (2)2.3 俄歇电子能量 (4)2.4 俄歇电流的计算 (5)2.5 俄歇电子能谱仪 (6)2.6俄歇电子能谱在材料分析中的应用 (7)3．实验仪器及样品的制备 (8)4．实验内容 (8)5．数据分析 (9)参考文献 (10)俄歇电子能谱分析实验报告1. 实验目的本次实验的目的是了解AES 电子能谱的基本原理；完整记录实验曲线；了解AES 电子能谱的基本实验技术及其主要特点，分析待测样品的成分、化学价态。
2．实验原理2.1 AES简介俄歇电子能谱，英文全称为Auger Electron Spectroscopy，简称为AES，是材料表面化学成分分析、表面元素定性和半定量分析、元素深度分布分析及微区分析的一种有效的手段。
俄歇电子能谱仪具有很高表面灵敏度，通过正确测定和解释AES 的特征能量、强度、峰位移、谱线形状和宽度等信息，能直接或间接地获得固体表面的组成、浓度、化学状态等信息。
当原子的内层电子被激发形成空穴后，原子处于较高能量的激发态。
这一状态是不稳定的，它将自发跃迁到能量较低的状态——退激发过程，存在两种退激发过程：一种是以特征X射线形式向外辐射能量——辐射退激发；另一种通过原子内部的转换过程把能量交给较外层的另一电子，使它克服结合能而向外发射——非辐射退激发过程(Auger过程)。
向外辐射的电子称为俄歇电子。
其能量仅由相关能级决定，与原子激发状态的形成原因无关，因而它具有“指纹”特征，可用来鉴定元素种类。
2.2 俄歇效应处于基态的原子若用光子或电子冲击激发使内层电子电离后，就在原子的芯能级上产生一个空穴。
这一芯空穴导致外壳层收缩。
这种情形从能量上看是不稳定的，并发生弛豫，K空穴被高能态L1的一个电子填充，剩余的能量(E K-E L1)用于释放一个电子，即俄歇电子。
俄歇电子能谱分析原理及方法
俄歇电子能谱分析原理及方法XXX【摘要】近年来，俄歇电子能谱（AES）分析方法发展迅速，它具有很多的优点，比如分析速度快、精度高、需要样品少等等，也因此在很多研究领域的表面分析中都得到了广泛的应用。
可以不夸张的说，这个技术为表面物理和化学定量分析奠定了基础。
本文主要是介绍俄歇电子能谱分析的主要原理及其在科学研究中的主要应用，旨在让读者对俄歇电子能谱有一个初步的了解。
关键词：俄歇电子能谱；表面物理；化学分析。
前言近些年来，俄歇电子能谱分析发展如火如荼，在各个领域都有很抢眼的表现。
目前有很多的人在研究，将俄歇电子分析技术应用到电子碰撞以及微纳尺度加工等高技术领域，俄歇电子能谱分析方法表现出强大的生命力，同目前已为很人熟悉和赞赏的强有力的分析仪器电子探针相比俄歇电子能仪可能有几个独到之处:( 1 )能分析固体表面薄到只有几分之一原子层内的化学元素组成，这里说的“表面”指的不只是固体的自然表面,也指固体内颗粒的分界面,(2)俄歇电子谱的精细结构中包含有许多化学信自,借此可以推断原子的价态;( 3 )除氢和氦外所有元素都可以分析,特别是分析轻元素最为有利;(4)利用低能电子衍射装置和俄歇能谱分析器相结合的仪器(“LEED一Au-ger”装置),有可能从得到的数据资料中分晶体表面的结构,推断原子在晶胞中的位置。
因此,俄歇电子能谱仪作为固体材料分析的一个重要工具,近年来发展很快,研究成果不断出现于最新的文献中。
本文主要是想要综合论述俄歇电子能谱的分析方法，以及概述它在各方面的应用。
[1][1]《俄歇电子能谱仪及其应用》许自图正文一、俄歇电子能谱分析的原理1.1俄歇电子能谱发现的历史1925年法国科学家俄歇在威尔逊云室中首次观察到了俄歇电子的轨迹，并且他正确的解释了俄歇电子产生的过程，为了纪念他，就用他的名字命名了这种物理现象。
到了1953年，兰德才从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电子谱线，但是由于俄歇电子谱线强度较低，所以当时检测还比较困难。
俄歇电子能谱
俄歇电子能谱俄歇电子能谱（RydbergElectronSpectroscopy，RES）是一种测量极离子系统的光谱分析方法，可以将气态离子激发到高能状态，从而测量离子系统中激发光谱的强度和波长。
俄歇电子能谱可以用来测量和研究由多个电子组成的极离子系统的物理性质，是物理化学研究中经常使用的必要技术。
俄歇电子能谱技术是一种光谱分析技术，它可以用来测量极离子系统中激发状态的性质，如激发态的能量、振荡强度以及激发光谱的波长及波长分布。
此外，它还可以用来调查极离子系统中的局域化电子结构。
俄歇电子能谱可以用光学或电离谱的方法来测量极离子系统的光谱，并通过特征的谱线特征来分析信号，从而获取极离子系统的物理性质。
俄歇电子能谱试验常用到的发射管正是由极离子系统组成，在发射管中，离子被激发到极离子状态，然后释放出不同波长和强度的激发态，最终形成发射管中的总体激发光谱。
俄歇电子能谱技术可以用来测量极离子系统中各种物理量，如极离子能级的能量、激发态的密度和电子轨道的结构，以及极离子的结构、物理化学反应以及电子结构的研究。
同时，它也可以用于研究由极离子组成的分子的特性，包括分子结构、动力学研究以及超高真空和室温条件下分子的特性。
俄歇电子能谱技术具有较高的精确度，可以用来测量极离子系统中的激发态的能量和强度、激发态的密度和电子轨道的结构等，因此在科学研究中得到了广泛应用。
例如，在研究分子结构和性质以及电子激发能量的转移过程、分子的活化和物理化学反应等方面，都可以使用俄歇电子能谱技术。
俄歇电子能谱技术一直以来都是物理化学研究领域中重要的分析工具，它可以用来测量极离子系统中激发状态的性质，为物理化学研究和应用提供重要信息和参考，为解决科学问题和技术问题提供重要帮助。
随着科学技术的进步，俄歇电子能谱技术将会得到进一步的改进，并将在更多的研究领域中得到广泛应用。
俄歇电子能谱仪(AES)分析方法介绍
俄歇电子能谱仪（AES）分析方法介绍1.俄歇电子能谱仪（AES）俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种最广泛使用的表面分析方法而显露头角,通过检测俄歇电子信号进行分析样品表面，是一种极表面（0-3nm）分析设备。
这种方法的优点是：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高，很高的空间分辨率，最小可达到6nm；能探测周期表上He以后的所有元素及元素分布；通过成分变化测量超薄膜厚。
它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。
2.俄歇电子能谱仪（AES）工作原理(1)原子内某一内层电子被激发电离从而形成空位，(2)一个较高能级的电子跃迁到该空位上，(3)再接着另一个电子被激发发射，形成无辐射跃迁过程，这一过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger电子。
(4)俄歇电子能谱仪通过分析Auger电子的能量和数量，信号转化为元素种类和元素含量。
3.俄歇电子能谱仪（AES）可获取的参数（1）定性分析：定性除H和He以外的所有元素及化合态。
（2）元素分布：元素表面分布和深度分布，能获极小区域（表面最小6nm，深度最小0.5nm）的元素分布图。
（3）半定量分析：定量除H和He以外的所有元素，浓度极限为10-3。
（4）超薄膜厚：通过成分变化能测量最薄0.5nm薄膜的膜厚。
4.案例分析案例背景：样品为客户端送检LED碎片，客户端反映LED碎片上Pad表面存在污染物，要求分析污染物的类型。
失效样品确认：将LED碎片放在金相显微镜下观察，寻找被污染的Pad，通过观察，发现Pad表面较多小黑点，黑点直径3μm左右，考虑分析区域大小后选择分析区域最小AES进行分析，能准确分析污染物位置。
俄歇电子能谱仪（AES）分析：对被污染的Pad表面进行分析，结果如下图，位置1为污染位置，位置2为未污染位置。
结论：通过未污染位置和污染位置对比分析可知，发现污染位置主要为含K（20.6%）和S（13.6%）类物质，在未污染位置S含量为3.7%未发现K元素，推断污染位置存在K离子污染，并与S共同作用形成黑色污染物。
第五篇 能谱分析 51 俄歇电子能谱分析(AES) 511 俄歇电
5.1.5 俄歇电子能谱仪的装置
主要讲电子探针束系统和能量分析系统。
(1) 电子探针束系统
俄歇电子能谱的探针电子要将结合能 Eth<2000eV能级上的电子电离。因此探针的射线能 量应高于此值。可供选择的能源有：X射线、高能 电子束和离子束。但三者相比,电子束的优点较多, 一般会采用其为电子探针系统。原因如下：
第五章 能谱分析
1. 俄歇电子能谱分析(AES) 1. 俄歇电子能谱概述
俄歇电子能谱(AES)采用受照射原子弛豫过程中 产生的俄歇电子为测试信号。它与光分析、X射线分 析不同的是,俄歇电子测试的是真正的电子及其能量。 光分析的对象是光波或电磁波。仅是能量。
俄歇电子能谱法有三个基本特征：
a) 俄歇电子能谱分析属于元素分析范畴；
子产额αk确定的情况下,产生的俄歇电子数将
越多,俄歇电子信号将可能越强(X射线荧光也 可能越强)。
若有Ii个能量为Ei的探针电子以入射角θ
照射到固体表面时,能够逸出到样品表面外的 单位立体角内的俄歇电子数的微分方程为：
dIa/dω = αx/4π∫f(Z,Ei,θ,Ii)exp(－μZ/cosθ)dZ
L = 6.13r1 E0/V = 1.3/ ln(r2/r1)
狭缝有一是宽度,相当于入射角θ有一个微小变化 (θ+Δθ) 。信号电子的能量也会有一个小变化,即为 (E0+ΔE0) 。经过静电场的电子运动轨迹和中心轴的 交点与理论交点F不是同一点,它们之间的距离为ΔL。 ΔL是Δθ和ΔE0的函数。其中ΔL与Δθ的关系式可由泰
a) 当探针电子能量(级)<4Eth(Eth为碳原 子中K电子的结合能,为284eV)时,在距离 表面10nm厚度内,离子的密度大。随着纵 向的深入,离子的密度迅速下降。
俄歇电子能谱分析
杨鹏飞 100904091
2
1.俄歇电子能谱仪基本原理
2.俄歇谱仪（AES）及扫描俄歇探针（SAM） 3.俄歇电子谱 4.俄歇电子能谱技术的应用
1.俄歇电子能谱仪基本原理
（1）基本原理 用一定量的电子束轰击样品，使样品原子的内层电子电离， 产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集 和进行分析。 （2）特点 a.分析层薄 b.分析元素广 c.分析区域小 d.有提供元素化学态的能力 e.具有测定深度—成分分布的能力 f.检测的灵敏度高
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
17
（6）样品表面的处理
在表面分析时，由于样品在空气中极易吸附气体分子 （包括元素O、C等），这种现象不可避免。而许多样品在 分析时又需要对氧、碳等元素进行分析，因此需要在分析前 对样品进行离子束溅射，去除污染物。
4.俄歇电子能谱技术的应用
（1）研究金属及合金脆化的本质
2.俄歇谱仪（AES）及扫描俄歇探针 （SAM）
俄歇谱仪包括以下几个部分：
样品台，电子枪，扫描电源，溅射离子枪 分析器及放大器，记录系统。 配备有二次电子及吸收电子检测器以及X射线能谱探头，使 这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能，故称扫描俄歇微 探针。
3.俄歇电子谱
直接谱与微分谱 直接谱即俄歇电子强度 （密度或电子数）N（E） 对其能量E的分布 N（E）—E. 微分谱即 dN（E）/dE－E.
（4）定量分析
根据测得的俄歇电子信号的强度来确定产生俄歇电子的元 素在样品表面的浓度。
分类：标准样品法，相对灵敏度因子法。
a.标准样品法
标准样品法有纯元素标样法和多元素标样法。 纯元素标样法是在相同条件下，测量样品中元素X和纯元 素X标样的同一俄歇峰，俄歇电子信号的强度分别为Lx和 Ixstd，样品中元素X的原子分数为 Cx= Lx/ Ixstd
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俄歇电子能谱分析原理及方法
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【摘要】近年来，俄歇电子能谱（AES）分析方法发展迅速，它具有很多的优点，比如分析速度快、精度高、需要样品少等等，也因此在很多研究领域的表面分析中都得到了广泛的应用。
可以不夸张的说，这个技术为表面物理和化学定量分析奠定了基础。
本文主要是介绍俄歇电子能谱分析的主要原理及其在科学研究中的主要应用，旨在让读者对俄歇电子能谱有一个初步的了解。
关键词：俄歇电子能谱；表面物理；化学分析。
前言
近些年来，俄歇电子能谱分析发展如火如荼，在各个领域都有很抢眼的表现。
目前有很多的人在研究，将俄歇电子分析技术应用到电子碰撞以及微纳尺度加工等高技术领域，俄歇电子能谱分析方法表现出强大的生命力，同目前已为很人熟悉和赞赏的强有力的分析仪器电子探针相比俄歇电子能仪可能有几个独到之处:( 1 )能分析固体表面薄到只有几分之一原子层内的化学元素组成，这里说的“表面”指的不只是固体的自然表面,也指固体内颗粒的分界面,(2)俄歇电子谱的精细结构中包含有许多化学信自,借此可以推断原子的价态;( 3 )除氢和氦外所有元素都可以分析,特别是分析轻元素最为有利;(4)利用低能电子衍射装置和俄歇能谱分析器相结合的仪器(“LEED一Au-ger”装置),有可能从得到的数据资料中分晶体表面的结构,推断原子在晶胞中的位置。
因此,俄歇电子能谱仪作为固体材料分析的一个重要工具,近年来发展很快,研究成果不断出现于最新的文献中。
本文主要是想要综合论述俄歇电子能谱的分析方法，以及概述它在各方面的应用。
[1]
[1]《俄歇电子能谱仪及其应用》许自图
正文
一、俄歇电子能谱分析的原理
1.1俄歇电子能谱发现的历史
1925年法国科学家俄歇在威尔逊云室中首次观察到了俄歇电子的轨迹，并且他正确的解释了俄歇电子产生的过程，为了纪念他，就用他的名字命名了这种物理现象。
到了1953年，兰德才从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电子谱线，但是由于俄歇电子谱线强度较低，所以当时检测还比较困难。
到了1968年，哈里斯应用微分法和锁相放大器，才解决了如何检测俄歇电子信号的问题，也由此发展了俄歇电子能谱仪。
俄歇电子能谱仪不仅可以作为元素的组分分析仪器，还可以检测化学环境信息。
咋很多的领域都得到了应用，比如基础物理，应用表面科学等等。
1.2俄歇效应
当一束具有一定能量的电子束（一次电子）射到固体表面的时候，原子对电子产生了弹性散射和非弹性散射。
非弹性散射使得电子和原子之间发生了能量的转移，发出X-射线以及二次电子。
这个时候如果在固体表面安装一个接受电子的探测器，就可以得到反射电子的数目（强度）按能量分布的电子能谱曲线。
图1 入射电子在固体中激发出的二次电子能谱
俄歇电子是指外壳层电子填补内壳层空穴所释放出来的能量激发了外壳层的另外一电子，并且使得它脱离原子核，逃逸出固体表面的电子，这个过程被俄歇发现，所以称为俄歇电子。
图2 入射电子束示意图
图3 俄歇电子效应图
因为不同的元素原子具有它特征的俄歇电子能量，也就是具有特征的俄歇峰，因此可以用来鉴别元素。
俄歇电子在从固体内部逸出进入真空之前，遭到表层电子的非弹性碰撞发生能量损失，所以有一个临界的深度，在这个深度以下的俄歇电子不能够逸出固体表面，这个深度用俄歇电子平均自由程来表达，可以近似的认为主要与俄歇电子的能量有关，与固体材料的性质无关。
经过科学家多年的实验分析拟合，发现俄歇电子的平均自由程和电子
能量有如下的关系：λ=0.44（E）^0.5(λ的单位为埃，E的单位为电子伏特)，通过这个公式可以估算出不同能量的俄歇电子的逸出深度。
所以，俄歇电子成为了表面分析的很有利的工具。
[2]
图4 俄歇电子平均自由程和能量的关系
二、俄歇能谱仪
应用俄歇效应来进行研究，需要用到俄歇能谱仪，俄歇能谱仪一般包括以下几个部分：
2.1激发样品的电子束源
激发源为同轴电子枪，电子从热阴极发出，之后被电场加速，经过偏转和聚焦之后打在样品之上。
2.2能量分析器
可以将各种不同能量的俄歇电子按能量进行分离，并且聚焦到收集极。
2.3检测系统
包括了俄歇电子的接收，放大和输出。
2.4超高真空系统
能谱分析仪器都需要无油超高真空系统。
包括冷凝泵、升华泵及离子泵。
冷凝泵又称为吸附泵，主要是利用低温表面的吸附作用来排除气体。
升华泵主要是利用化学吸附去除气体，主要是利用Ti丝加热后蒸发，形成Ti膜，这种Ti膜具有很高的化学活性。
它能够和很多的活性气体结合，形成稳定的化合物，通过这个方式来达到抽离空气的作用。
离子泵是一种磁控放电阴极活性材料溅射而达到抽气目的的装置。
[2]《俄歇能谱的基本原理及应用》任大刚
2.5样品室
金属样品通过机械或者化学抛光，并且吹干后，可装入样品室。
样品室有特制的样品架，可以放置各种不同样式的样品。
[3]
图5俄歇能谱仪
三、俄歇电子能谱分析的方法及应用
3.1俄歇能谱的应用
俄歇电子已经成为固体表面元素分析的有力工具，在表面物理化学、翠花、晶界偏析、电镀、半导体等等方面都有很广泛的应用。
3.1.1测定表面化学组成
任何的表面研究都需要首先对表面的化学组成有一个清楚的认识。
俄歇电子能谱给我们提供了这样一种方法。
俄歇电子谱仪可以灵敏的辨别金属，半导体和绝缘体表层的元素组成。
3.1.2元素沿深度方向的分布
主要是应用于研究各种成分在界面处的变化以及在热处理过程中不同的深度，组分的变化。
[3]《俄歇能谱的基本原理及其应用》任大刚
图6 俄歇电子对深度很敏感
3.1.3元素化学状态的分析
俄歇电子的能量只取决于原子的特性，与入射电子的能量无关。
所以测量俄歇电子的能量分布，就可以确定材料表面的元素分布了。
原则上，AES可以鉴定除氢和氦以外的所有元素。
例如，已经用AES测定了月球表面的样品，发现存在Al，Si，S，Cl，K，C，Ca，Ti，O 和Fe。
用AES检测表面元素组成具有很高的灵敏度。
理论上可检测的面浓度可低至10的10次方个/平方厘米。
[4]
3.1.4定量分析
定量分析的主要目标是要求出指定的区域内单位体积中某种元素的原子数，就是原子密度你n（个/cm2）或者单位体积内某种元祖的原子数占总原子数的百分比，就是原子浓度C （%）两者之间的关系是：
C=n/N（N表示单位体积内的所有原子数目）
当然，目前计算n和C有很多种方法，比如纯元素标样法、相对灵敏因子法及多元素标样法，但是这些方法受到的影响都很多，虽然可以采取一些措施来弥补，但是目前的技术，影响还是相对较大的，不能让人满意。
现在的俄歇分析仪器通过计算机处理之后可以给出样品中所含元素的原子浓度C。
[5]
[4]《俄歇电子能谱简介》赵良仲
[5]《俄歇电子能谱分析方法及其应用》王文生天津大学
总结与展望
俄歇电子能谱仪近年来已经在各方各面获得很广泛的应用，但是分析技术本身也是在慢慢的不断发展与完善的过程中。
俄歇电子能谱仪存在的一些问题主要是：①由于入射电子长时间对样品进行轰击，在样品的表面造成了吸附现象，原子扩散和升温等等，因此影响了测量结果的准确性。
测量的结果不能够真是的反映样品表面的本来面貌，所以，我们应该降低入射电子的强度，提高分析的灵敏度和分析的速度，这是提高分析精度的一种途径。
同时努力提高空间的分析精度和能量的分辨率也是俄歇电子能谱仪发展的一个方面。
②俄歇电子能谱仪只能够给出定性和半定量的分析，所以提高俄歇电子能谱仪的测量精度，让其实现定量分析，是俄歇电子能谱仪研究的另外一个发展方向，也是扩大其应用领域的必由之路。
③近年来，各种表面分析的仪器发展迅速，比如俄歇电子谱、扫描电子显微镜、光电子谱、二次离子谱等。
这些设备的出现，给表面研究提供了可靠的，强有力的工具，也给表面科学注入了新的活力。
[6]
参考文献：
《俄歇电子能谱仪及其应用》许自图
《俄歇能谱的基本原理及应用》任大刚
《俄歇电子能谱简介》赵良仲
《俄歇电子能谱分析方法及其应用》王文生天津大学
《俄歇电子谱及其应用》伍乃娟
《微纳尺度表征的俄歇电子能谱新技术》徐富春厦门大学
《俄歇电子能谱仪的研制和Ar的快点子碰撞》任林茂中国科学技术大学
[6]《俄歇电子谱及其应用》伍乃娟。