俄歇电子能谱

为使工作正常进行，上述部分部件必须在超高真 空条件下运转，为此必须适配适当的真空系统。
目前俄歇电子能谱仪大多实现了计算机在线控制 ，AES的工作已经实现了自动化。
1.超高真空
超高真空是为了保持样品表面的原始状态，并保证在分 析过程中不变。 俄歇电子能谱仪用的典型真空系统主要有：溅射离子泵 、扩散泵、涡轮分子泵，AES大多采用离子泵系统。
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。
的增加，X射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。Z<33时，俄歇发 射占优势。
一、方法原理
二、仪器结构
俄歇电子能谱(AES)仪是测 量俄歇电子及其能量分布 的装置。包括：激发源， 样品台及样品传送装置， 电子能量分析器，信号采 集、数据处理和显示系统。 辅助设备：离子枪，以及 电源供给和工作参数控制 系统。
三、数据分析与表征
三、数据分析与表征
俄歇电子动能
俄歇电子能谱主要依靠俄歇电子 的能量来识别元素，因此准确了 解俄歇电子的能量对俄歇电子能
谱是非常重要的。
通常有关元素的俄歇电子能量可 以从俄歇手册上直接查得，不需
要人工进行计算。
俄歇电子的强度除了与元素的存 在量有关外，还与原子的电离截 面，俄歇产率以及逃逸深度等因 素有关。（半定量）
此时多余的能量不以辐射特征X射线的方式放出，而是另一个L层电子获
得能量跃出，这样的一个K层空位被两个L层空位替代的过程可以成为俄 歇效应，跃出的L层电子成为俄歇电子KLL。
一、方法原理
俄歇过程根据初态空位所在的主壳层能级的不同，可分为不同的系列，
如K系列，L系列，M系列等；同一系列中又可以按照参与过程的电子
如图是电子枪的结构示意图。 其预透镜包括四个电极:灯丝、 栅极V0和阳极V1和V2-1。在 阴极和阳极之间是控制电子束 电流密度的调制极V0,习惯上 也称之为栅极,它通常具有较阴 极为负的电位,电子束会在栅极 附近会聚,形成最小截面圆。阳 极2-1是使电子获得动能的加 速极。电极V1和V2-1同样具 有较阴极为正的电位,其作用主 要是控制电子束流密度和电子 束张角。
1896
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
一、方法原理
俄歇电子产额
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定
了俄歇谱峰强度，直接关系到元素 的定量分析。
俄歇电子与荧光X射线是两个互相关
联和竞争的发射过程。对同一K层空 穴，退激发过程中荧光X射线与俄歇 电子的相对发射几率，即荧光产额 (ω k)和俄歇电子产额(α k)满足
由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇电子的几率在90%以上；随Z
一、方法原理
俄歇电子能谱(AES)
具有一定能量的电子束（或X-Ray）激发样
品产生俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量 和强度，从而获得有关材料表面化学成分和
结构的信息的方法。
特点：表面分析技术，空间分辨率高
一、方法原理
俄歇效应：当X射线或γ 射线辐射到物体上时，由
于光子能量很高，能穿入物体，使原子内壳层上
三、数据分析与表征
俄歇电子能谱能提供的信息
1、定性分析
定性分析是进行AES分析的首要内容，是根据 测得的Auger电子谱峰的位置和形状识别分析 区域内所存在的元素。 方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进 行对比，来识别分析区域内的未知元素。 由于微分谱具有比较好的信背比，利于元素的
（2）半球型能量分析器
样品、G1接地——形成无场空 间，电子按原有方向前进
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 收集极接正电压——收集电子
缺点：分辨率不高，检测灵敏 度低
4.锁相放大器
以电子束激发的俄歇过程，其 俄歇电子数值大致为二次电子 背景的1/10，在俄歇分析中的 最大困难是如何从强大的背景 中检测出微弱的俄歇信号。 采用锁相放大技术实现对俄歇 谱的能量微分，并通过频率和 相位的选择性放大，是解决上 述困难的关键。
电极V2-2、V3、V4、V5 和V6组成主聚焦系统。 在电极V2-1和V2-2之间, 以及V4和V6上装有带小 孔的钼片,该钼片具有限 制束收敛角的作用,也可 以在电子枪的调试中当束 偏心时进行防护和显示。 为了补偿机械上的非准直 性和杂散磁场的影响,在 电极V4和V6上各装有一 组偏转板。
电子枪和能量分析器之间的位置配置有两种，同轴配置 和非同轴配置。 电子枪的性能指标有电子束径、束流强度和束流能量。 电子束径表征电子束会聚成细束的程度。 电子束流除影响电子束径外，还关系到检测灵敏度和录 谱时间，俄歇分析一般为10-6~10-9A，过大的束流对样 品的损伤严重。AES的一次电子束能量一般为3~5keV
式。因此具有广阔的应用前景。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应有三类：
原子发生电荷转Hale Waihona Puke Baidu引起内层能级移动；
化学环境变化引起价电子态密度变化，从而引起价带谱的峰形变 化；
俄歇电子逸出表面时由于能量损失机理引起的低能端形状改变，
同样也与化学环境有关。 原子因“化学环境”变化而引起俄歇峰的位移成为化学位移。
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。
三、数据分析与表征
1、原子的化合价态对俄歇化学位移的影响
一般元素的化合价越正，俄歇电子动能越低，化学位移越负；相反
地，化合价越负，俄歇电子动能越高，化学位移越正。
三、数据分析与表征
2、相邻原子的电负性差对俄歇化学位移的影响
对于相同化学价态的原子，俄歇化学位移的差别主要和原子间的电
负性差有关。电负性差越大，原子得失的电荷也越大，因此俄歇化 学位移也越大。 Si均为+4价。 氮化硅中硅的俄歇动能位80.1eV， 俄歇化学位移为-8.7eV，Si-N键的 电负性差位-1.2； 氧化硅中硅的俄歇动能为72.5eV， 俄歇化学位移位-16.3eV， Si-O键 的电负性差位-1.7；
俄歇电子的能量和入射电子的能量无关，只依赖于原子 的能级结构和俄歇电子发射前所处的能级位置！
一、方法原理
俄歇过程的表示
俄歇电子用原子中出现的空穴的X射线能级符号次序表示。
通常俄歇过程要求电离空穴与填充空穴的电子不在同一个主壳层内，即 W≠X。
一、方法原理
原子中的一个K层电子被入射光击出后，L层的一个电子跃入K层填补空位，
5.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。常用Ar作为剖离离 子，能量在1~5keV。 样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。一般 可完成清洗、断裂、镀膜、退火等一系列预处理工作。
三、数据分析与表征
俄歇谱一般有两种形式：积分谱和微分谱。
所在的主壳层的不同分为不同的群，如K系列包含KLL,KLM,KMM等 俄歇群，每一个群又有间隔很近的若干条谱线组成，如KLL群包括
KL1L2，KL2L3等谱线。
所有俄歇电子谱线中，K系列最简单。L和M系列的谱线要复杂的多， 这是因为原子初态的多样性和多重电离的原因。 由于俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以除了H和He原子， 其他原子都可以产生俄歇电子。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应
虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道所决定，但由于原 子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道的电子结合能 在不同的化学环境中是有微小的差异。
这种轨道结合能的微小差异导致俄歇电子能量的变化，称为俄歇化学
位移，因为它取决于元素在样品中所处的化学环境。 利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形
定义
优点
缺点
获取方式
积分谱
N(E)-E
保证信息量 高信噪比 高信背比 （俄歇电子 信号强度占 比小），易 识别
背景难以直接 处理 可能失去部分 有用信息且解 释复杂
可以直接获得
微分谱
dN(E)/dE-E
通过微分电路或 计算机数字微分 获得
三、数据分析与表征
负峰尖锐，正峰较小
三、数据分析与表征
俄歇电子峰叠加在二次电子谱和散射电子谱上， 俄歇峰出现在非弹性散射区域。 二次电子 非弹性散射 弹性散射
（2）电子枪
电子枪是AES的激发源,它产生具有一定能量的电子束。 提供入射电子束的电子枪主要有三个技术要求:①能产生 足够大的电流,调制方便,有较高的调制灵敏度;②聚焦性能 良好;③结构简单,制造装配方便。 电子枪主要包括两个部分:一个能发射电子并能初步聚焦 的发射系统,又称第一透镜,或者预透镜;一个能把发射系统 出来的电子束聚焦成像的主聚焦系统,又称第二透镜,或者 主透镜。
的束缚电子发射出来。这时，外层能量高的电子 会跃迁到内层填补这个空穴，并释放出能量。释
放方式有两种：一种以光子形式辐射出，如发射
X射线；另一种是将该能量转移，转移给另一个 电子，得到能量的电子会从原子中激发出来，这 就是具有特征能量的俄歇电子。在上述跃迁过程 中一个电子能量的降低，伴随另一个电子能量的 增高，这个跃迁过程就是俄歇效应。
3.电子能量分析器
电子能量分析器是俄歇谱仪的核心部分，用以测量俄歇 电子的动能。 目前AES使用的静电偏转型分析器主要有两种：筒镜型分 析器、半球型分析器。
（1）筒镜分析器
两个同心的圆筒。样品和 内筒同时接地，在外筒上 施加一个负的偏转电压， 内筒上开有圆环状的电子 入口和出口。
激发电子枪放在筒镜分析 器的内腔中，也可以放在 筒镜分析器外。
锁相放大器由信号通道、参考 通道和相敏检波器三个部分组 成。
信号通道作用是将信号放大，并 由带通滤波器对伴随噪声进行处 理，以免相敏检波器过载。 参考通道是提供一个与源信号同 频的信号，采用与源信号共同的 激发源，经整形、移相后送至相 敏检波器。 当两个通道信号进入并在混频器 混频后，得到与输入信号成正比 的电压。在源信号与参考信号同 相位时，输出最大；相位差为π/2 时，输出为零。如此可以很大程 度地抑制噪声的输出。
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。
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。 1 9 6 9 年 ， P a l m b e r g , B o h n a n d Tr a c e y 引 进 了 镜 筒 能 量 分 析 器 ( C M A ) ， 提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。 70年代中期，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄 歇微探针(SAM)配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头，兼有 扫描电影和电子探针的功能。 近十年，俄歇电子能谱适应纳米材料的特点，6nm空间分辨率。