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

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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