俄歇电子能谱仪(AES)
俄歇电子AES能谱20
分析表面涂层和薄膜的组成、结构和性能，评估其稳定性和耐久性。
03
表面工程中俄歇电子能谱的应用案例
介绍成功应用俄歇电子能谱解决表面工程中关键问题的案例。
生物医学中的俄歇电子能谱应用
生物分子结构和功能的俄歇电子能谱研究
研究生物分子的结构和功能，揭示其在生命过程中的作用和机制。
1955年，美国物理学家罗伯特·穆顿 提出了穆顿模型，为俄歇电子能谱学 的发展提供了重要的模型基础。
1932年，法国物理学家厄内斯特·卢 瑟福提出了著名的卢瑟福散射公式， 为俄歇电子能谱学的发展提供了重要 的理论基础。
1960年，美国物理学家约翰·芬尼根 提出了芬尼根模型，为俄歇电子能谱 学的发展提供了更精确的理论基础。
价带结构分析
通过俄歇电子能谱可以研究半导体材料的价带结构，从而推断材料的导电性能和光学性质。通过分析 俄歇电子的能量分布，可以得到价带结构的能级位置和带宽等信息。
薄膜材料的俄歇电子能谱分析
薄膜厚度和组分分析
俄歇电子能谱可以用来分析薄膜材料的 厚度和组分信息。通过测量不同元素的 俄歇电子能量和强度，可以确定薄膜中 各元素的种类和含量。
AES能谱
通过对俄歇电子的能量进行分析，可 以得到样品的化学成分和结构信息。
AES能谱的实验方法
实验设备
AES能谱仪通常包括X射线源 、离子源、样品室、能量分析
器和检测器等部分。
实验步骤
将样品放置在样品台上，通过离子 束或X射线束对其进行照射，然后 收集俄歇电子并对其进行能量分析 。
数据处理
通过对AES能谱的数据进行处理和 分析，可以得到样品的化学成分和 结构信息。
药物设计和开发的俄歇电子能谱应用
利用俄歇电子能谱研究药物与生物分子的相互作用和结合模式，为新药设计和开发提供支 持。
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，
7-4 俄歇电子能谱(AES)
§7.4 俄歇电子能谱(AES)俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束使原子内层能级电子电离，产生无辐射俄歇跃迁，用电子能谱仪在真空中对它们进行探测。
虽然早在1925年法国的物理学家俄歇（P.Auger ）在用X 射线研究光电效应时就已发现俄歇电子，并对这种电子的产生给予了正确的解释。
但直到1968年哈里斯（L.A.Harris ）采用微分电子线路，首创了微分形式俄歇电子能量分布曲线测定法后，解决了如何从强大的本底和噪声中把俄歇信号检测出来的问题，俄歇电子能谱开始进入实用化阶段。
1969年，帕尔姆堡（Palmberg ）等引进了筒镜能量分析器，进一步提高了信噪比，使AES 达到很高的灵敏度和分析速度，而一年后出现的扫描俄歇显微探针系统（SAM ）使AES 从定点分析发展为二维表面分析。
目前，俄歇电子能谱是表面科学领域中最广泛使用的表面化学成分分析仪器之一。
7.4.1 俄歇过程和俄歇电子能量当原子内层W 能级的一个电子被具有足够能量的光子或入射电子电离时，在W 能级产生一个空穴，该空穴立即就被较高能级的另一电子通过W X →跃迁所填充，多余的能量交给Y 能级上的电子，使之成为俄歇电子发射出去。
这种跃迁过程称为俄歇过程或俄歇效应（图7.4.1）。
一般用原子中出现空穴的能级次序来表示相应的俄歇过程。
上述过程用符号表示就是WXY ，表明W 空穴被Ｘ电子填充使Ｙ电子成为俄歇电子。
通常把来自1s 壳层的电子标记为K ，来自2s 的电子标记为1L ，来自2p 的电子标记为2L 、3L 等；把来自价壳层的电子标记为V 。
一般最明显的俄歇跃迁都是Ｘ、Ｙ主量子数相等，同时Ｘ、Ｙ主量子数比Ｗ大一的过程，如KLL 、LMM 、MNN 和NOO 俄歇跃迁。
由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： φ-∆+--=)()()(Z E Z E Z E E Y X W WXY (7.4.1) 其中φ为功函数，Z 是原子序数)3(≥Z 。
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(AES)分析介绍及分析注意事项(含案例)
2、俄歇拍摄SEM图谱能力
影响SEM分辨能力的主要因素： 入射电子束束斑直径(取决于电压及电流等)、入射电子在样品中的 扩展效应(样品导电能力)、信号噪音比等。
入射电流 样品导电性
AES (PHI-710) 10nA
避免二次污染
SEM ~600pA 可蒸镀金属
3、计时基本问题
导电样品(如硅片) →0.5~1hour
Auger Electron Spectrometer (AES) 俄歇光电子能谱
PHI-710
Abstract (摘要)
Background (理论背景) Equipment Specification (设备规格) Analysis Capability (测试能力) Postscript (备注)
SEM resolution (SEM分辨率): 4 nm Auger resolution (俄歇分辨率): 8 nm Detected element(测试元素范围): Li - U Sensitivity(灵敏度): 0.1-1.0 at% Sputter gun(溅射枪): Ar- 氩气 Sputter area(溅射范围): 2.0mm X 2.0mm
Depth Profile (深度分析) Example (案例 2)
测试区域SEM图片
测试区域目标元素深度分布
注：1、常规样品。如Pad表面分析，将提供来样初始表面测试全谱及成分深度分布
Mapping
Example (案例 3)
测试区域SEM图片
测试区域元素分布mapping图
上图测试条件：Window(可提定量分布结果)，单个元素分析，time= 4.5h
Background (理论背景) EDX
紫外光电子能谱(UPS)_俄歇电子能谱(AES)
UPS 测量电离电位
Ek = h EB Er Ev Et EB +Er + Ev + Et = h Ek
对于气态样品来说，测得的电离电位相应于分子轨道的 能量。分子轨道的能量的大小和顺序对于解释分子结构、 研究化学反应是重要的。
在量子化学方面，紫外光电子能谱对于分子轨道能量的 测量已经成为各种分子轨道理论计算的有力的验证依据。
Ar分子中电子的电离能
因为Ar分子最外层是封闭 价电子壳层为P6。当一个 电子被激发后，外壳层变 为P5。由自旋角动量和轨 道 角 动 量 耦 合 有 2P3/2 和 2P1/2，在光电子能谱图上
表现为两个锐峰。
AES的基本原理
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。
➢ 吸附过程是一个复杂的过程，表面发射电子与体相发射电子 的干涉加剧了问题的复杂性。为了处理方便，常做如下假设：
吸附物质对光电发射谱的贡献只反映表面上或吸附物质上的 局部态密度；
光电发射谱线强度决定于初态密度。实验上为区别光电子谱 中吸附物质的贡献，常采用差值曲线法。即分别取清洁表面 及吸附物质表面的扫描谱，取其差值，其中正贡献来自吸附 物质发射，负贡献则归因于基底对发射的抑制作用。
Ar的He I光电子能谱图
N2分子的电离能
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
AES俄歇电子能谱实验报告
二、实验原理
俄歇过程是法国科学家 Pierre Auger 首先发现的。 1922 年俄歇完成大学学习后加入物理 化学实验室，在其准备光电效应论文实验时首先发现这一现象，几个月后，于 1923 年他发 表了对这一现象（其后以他的名字命名）的首次描述。30 年后它被发展成一种研究原子和 固体表面的有力工具。 尽管从理论上仍然有许多工作要做， 然而俄歇电子能谱现已被证明在 许多领域是非常富有成果的，如基础物理（原子、分子、碰撞过程的研究）或基础和应用表 面科学。P. Auger 有幸长寿看到了他的发现的科学和技术影响。 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。
EWXY EW Z E X Z EY Z
实际上，对于有空位的壳层，能级同充满时有所不同。即：
' Z EY Z 1 EY Z EY
3
材料分析与表征
俄歇电子能谱（AES）实验报告
2016-12-16
EY' Z EY Z EY Z 1 EY Z EWXY EW Z E X Z EY Z EY Z 1 EY Z
5
材料分析与表征 2. 电子能量分析器
俄歇电子能谱（AES）实验报告
2016-12-16
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(AES)
D. Briggs & M. P. Seah, “Practical Surface Analysis (Second Edition), Volume 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy”, John Wiley & Sons, 1996
真空紫外光电子能谱为研究者们提供了简单直观和广泛地 表征分子和固体电子结构的方法，它比以前由光学光谱所 建立的分子轨道理论的实验基础深刻的多。主要用于研究 固体和气体分子的价电子和能带结构以及表面态情况。角 分辨UPS配以同步辐射光源，可实验直接测定能带结构。
UPS是一种分子能谱，它不直接提供元素的信息。 由于光源能量较低，线宽较窄（约为0.01eV),只能使原子
黄惠忠等编,《表面化学分析》，华东理工大学出版社，2007 王建祺等编,《电子能谱学(XPS/XAES/UPS)引论》，国防工业出版社，
1992 刘世宏等编,《X射线光电子能谱分析》，科学出版社，1988
课件下载：/~mams/escalab.html
热点应用
纳米机电系统(NEMS) 、微机电系统(MEMS), 生物活性材料、传感器、复合材料、电活性材 料、电子材料、光电材料、多功能材料
AES可提供的信息
AES 可分析>He元素，对样品有一定的破坏作 用，但其具有表面灵敏度高，空间分辨率高、分 析速度快等优点，在表面科学领域主要进行
材料科学XPS 、AES、UPS、EDS 四大能谱分析介绍
材料科学XPS 、AES、UPS、EDS四大能谱分析介绍能谱分析能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来（这些自由电子带有样品表面信息），然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法，广泛应用于材料表面分析技术。
主要有：俄歇电子能谱分析（AES）、X射线光电子能谱分析(XPS) 、紫外光电子能谱（UPS），能谱仪-电镜联用等方法。
仪器厂家1俄歇电子能谱法（AES）俄歇电子能谱法是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，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。
利用受激原子俄歇跃迁退激过程发射的俄歇电子对试样微区的表面成分进行的定性定量分析。
AES可以用于研究固体表面的能带结构、表面物理化学性质的变化（如表面吸附、脱附以及表面化学反应）；用于材料组分的确定、纯度的检测、材料尤其是薄膜材料的生长等。
原理：俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程：一定能量的电子束轰击固体样品表面，将样品内原子的内层电子击出，使原子处于高能的激发态。
外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以两种方式释放能量：发射特征X射线；或引起另一外层电子电离，使其以特征能量射出固体样品表面，此即俄歇电子。
俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。
上图所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。
如 KLL跃迁：K层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2，KL2L3…等K系俄歇电子。
应用方向：1、通过俄歇电子谱研究化学组态：原子“化学环境”指原子的价态或在形成化合物时，与该(元素)原子相结合的其它(元素)原子的电负性等情况。
2、定性分析：对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。
由此，可根据俄歇电子的动能来定性分析样品表面物质的元素种类。
3、定量分析或半定量分析：俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。
03-AESSIMS俄歇电子能谱 材料研究方法
即：样品表面原子受到电子束的轰击而电离，在电离原子的退激发过程中会释放出俄歇电子，这种电子具有对应于元素种类的固有能量，如：KLL俄歇电子能量E KLL= E K−2E LE K、E L分别为K、L能级的结合能数据收取电子探测器屏蔽罩溅射离子枪电子枪扫描电源样品(A)(B)(C)微量纯银的三种AES图谱Al AlSi 24.1 18.6 Al 8.4 6.1 Mg 0.7 2.2 Ca 1.8 6.3 B 3.0 4.1 F 1.8 0.4 O 61.1 61.8断口表面距表面较难测出Na各有特征峰Mo 2C石墨SiC硅片上的镍铬合金的深度分布（层厚确定）氧化膜镍铬硅片Au-Ni-Cu体系的深度分布以俄歇信号峰高作纵坐标以原子浓度作纵坐标浸泡前SBF 液中浸泡1h 后表面层组份变化不大X侵蚀后表面Na、Ca减少,富硅材料的化学稳定性内部（原始表面）钠钙玻璃受水侵蚀后表面的AES图谱CaOSi SFU 未处理的玻璃瓶二氟乙烷处理的玻璃瓶处理的玻璃瓶（耐久性最好）离子探针装置X溅射过程中能量和动量转换离子能量分析质量分析器源二次离子一次离子离子检测深度剖面分析图二次离子像SIMS原理示意图SIMS装置的构成SIMS测定Li2O-Al2O3-SiO2玻璃表面结构Depth profile curve of three-layered coating “A”on stainless steel substrate Sputtering times (s)0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600C o u nts 10610510410310102oxidized steel layeralumina layer Alumina/steel interphaseAl +10Fe +10Cr+10Ni +10CsFe +40CsNi +20CsCr +N a /S i-SiO2抗碱涂层玻璃纤维表面的BaO-TiO2uncoated fiber coated fiber 未涂层的E-玻璃纤维增强水泥材料在50°C 水中放置28d 后的SEM 照片×1000×1000×300×300×1000×1000×1000涂层的E-玻璃纤维增强水泥材料在50ºC 水中放置60d 后的SEM 照片100°C 1N NaOH 中1.5hSNMS spectrum of a 40BaO-40TiO 2-20SiO 2coatingtime (s)r e l a t i v e i n t e n s i t y (a .u .)侵蚀前SNMS spectrum of a 40BaO-40TiO 2-20SiO 2coatingtime (s)侵蚀前12000s=96nmSNMS spectrum of a 40BaO-40TiO 2-20SiO 2coating after corroded in 1N NaOH solution at 60°C after 144 h.time (s)Sputtering rate: 1s~0.008 nmr e l a t i v e i n t e n s i t y (a .u .)侵蚀后SNMS spectrum of the triple TiO 2/40BaO-40TiO 2-20SiO coatings on a silicate glass slide after corroded in 2N NaOH solution at 80°C after 72 h.time (s)Sputtering rate: 1s~0.008 nm多层膜的耐久性内部Al2O3concentration distributions of SiO2coated float glasses, annealed at 500 °C for different timesDifferent oxide concentration distributions of 4.6 mol%Na2O –95.4 mol% SiO2coated float glass, annealed at 500 °C for1020 min, also with a measurement of the major constituent SiO2)2(.2),(Dt x x erfc c c t x c Au o −−=涂在Ag上的果糖的SIMS谱氧化镁纯镁涂在Ag上的腺嘌呤的SIMS谱涂在Ag上的苯哌啶醋酸甲脂与柯卡因混合物的SIMS谱。
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。
俄歇电子能谱(AES)
(2)背散射电子引起的电离部分
若单位强度入射电子产生n个散射电子，产生的电离部分为
令
称为基体散射因子，则
(3)总电离几率
@
2．平均自由程和逃逸深度Z
(1)将电子在固体中连续发生两次非弹性碰撞之间所经过的距离 的平均值称为非弹性撞平均自由程，对于E>200eV
(1) e束能量高，对绝热材料易致损伤;
(2) e束带电荷，对绝缘材料有荷电现象，影响分析。 @
二、俄歇效应
俄歇电子
X 射 线
C
B
A
电子激发引起的X-射线和俄歇电子发射
俄歇过程如图：当原子受外来高能e轰击(Ep5EK)时，内 壳层e电离，原子内层轨道出现空穴而处于激发态，电离原子 通过发射X-ray或发射Auger e去而去激发。
3．终态效应
仅在X射线激发，且在高分辨率谱仪下才能观察到。 @
六、俄歇信号强度
讨论Auger e 强度的目的是为了进行元素定量分析，影响 强 度 的 因 素 主 要 为 (1) 元 素 电 离 几 率 ； (2)Auger 跃 迁 几 率 ； (3)Auger的逃逸深度。 1．原子内能级的电离几率(截面) AX AX定义为入射e与元素A作用时，从X能级激发出 Auger e 的几率。Ax是入射 e 能量EP、元素种类和原子壳层的函数。 (1)入射电子本身引起的电离部分 =F(EP，电离能EAX，壳层电子数…) 对于A原子X壳层 @
二次电子 弹性散射峰
Auger 电子峰
从图可以看出：
(1)峰位 (能量) ，由特定元素原子结构确定;
(2)元素的峰数，…………………………. .，(可由量子力学估计); (3)各峰相对强度大小也是该元素特征; 以上三条是俄歇能谱定性分析的依据，这些数据均有手册可查。 @
第十二讲 X射线光电子谱(XPS)和俄歇电子能谱(AES)
0.5[EY(Z+1)+EY(Z)] A
这一公式与实测的Auger电子的能量比较接近。如果Auger过程涉及价 带电子，则在计算过程中要考虑价带宽度对Auger电子能量的影响。
17
AES Auger电子的能量和产额
❖电离截面
电离截面是决定在Wi能级上产生初态空位的电离原 子数目的重要因素。Worthington-tomlin在玻恩近似
❖Auger电子能量的半经验方法
Auger过程和能量守恒定律可以想到对于WXY 过程，Auger电子的能量应为：
EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) A
其中EW(Z), EX(Z), EY(Z)是各壳中电子的结合
能，A 是脱出功。
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AES Auger电子的能量和产额
❖Auger电子能量的半经验方法
❖C-K 跃 迁 是 一 种 快 过 程 ， 根 据 测 不 准 关 系 Eth可知C-K过程中的E比较大，因此， 表现在能谱上是一个比较宽的Auger峰。
❖若两个终态空位都与初态空位处于同一主壳层， 即WiXpYq 型跃迁(p>i，q>i)，称为超C-K跃迁。
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AES Auger效应
❖在实用的Auger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 轰击样品表面而实现的。
这样
EWXY(Z) = EW(Z) EX(Z) EY(Z) [EY(Z+1) EY(Z)] A
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AES Auger电子的能量和产额
❖Auger电子能量的半经验方法
从量子力学的观点看，WXY和WYX过程是无法区
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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。
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原子摩尔百分数浓度
右图是PZT/Si薄膜界面反应后的 典型的俄歇深度分析图。横坐标 为溅射时间，与溅射深度有对应 关系。纵坐标为元素的原子百分 比。从图上可以清晰地看到各元 素在薄膜中的分布情况。
俄歇电子能量图： 俄歇电子能量图： 图中右侧自下而上为 元素符号 横轴为俄歇电子能量 ○和●表示每种元素 所产生的俄歇电子能量的 相对强度，●表示相对强 度高
4.俄歇电子的能谱 4.俄歇电子的能谱
电子束与样品作用后产生的粒子和波如下图: 电子束与样品作用后产生的粒子和波如下图: e枪 e枪 X-Ray (EPMA) 阴极荧光 俄歇e(AES) 背散射e 二次e 样 V A 品 A SEM
硬盘表面的微小的污 染颗粒都会影响硬盘 的质量。某次硬盘质 量检测中，表面SEM 像清晰地显示出表面 的污染颗粒物，大小 约为1微米。
含污染物硬盘的表面SEM像 像 含污染物硬盘的表面
分别定位污染颗粒物和硬盘表面,收集俄歇电子能谱
AES谱对比分析 谱对比分析
2.AES的半定量分析——元素摩尔百分比含量 2.AES的半定量分析——元素摩尔百分比含量 的半定量分析—— 从样品表面出射的俄歇电子的强度与样品中该 原子的浓度有线性关系，可以利用这一特征进行元素 的半定量分析。但由于俄歇电子的强度不仅与原子的 多少有关，还与俄歇电子的逃逸深度、样品的表面光 洁度，元素存在的化学状态以及仪器的状态有关。因 此，AES技术一般不能给出所分析元素的绝对含量， 仅能提供元素的相对含量。 3.AES的微区分析——表面的元素分布 3.AES的微区分析——表面的元素分布 的微区分析—— 微区分析是俄歇电子能谱分析的重要功能，可 以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三种。
衍射e 2θ 透射e
（TEM）
①高能区处出现一个很尖 的峰,此为入射e与原子弹 性碰撞后产生的散射峰， 能量保持不变。 ②在低能区出现一个较高 的宽峰，此为入射e与原子 非弹性碰撞所产生的二次e， 这些二次e又链式诱发出更 多的二次级电子。 ③二峰之间的一个广阔区 域 （ 50eV ～ 2000eV ） 电 子 数目少,产生的峰为俄歇电 子峰。
俄歇电子能谱仪
（AES） AES）
一、基本原理
1.俄歇电子的产生 1.俄歇电子的产生
原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或X射线的照 射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴。当 外层电子跃入内层空位时，将有两种方式释放多余的能量：
发射X射线 发 射 俄 歇 电 子
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。俄歇电子和X射线的发射机率（产额）互为稍 长，即PA+PX=1。
AES定性分析的一般过程： AES定性分析的一般过程： 定性分析的一般过程
• 先获得扫描电子微显图像(SEM)，在SEM图像上确 定分析位置和分析方式。 • 将电子束聚焦到要分析的位置，采集样品上指定 局域点的俄歇信号。 • 对比 对比“主要俄歇电子能量图” ，找出实测谱中最 强峰可能对应的几种元素。 • 将实测谱与几种可能元素的标准谱对照，确定最 强峰对应元素，并标明属于此元素的所有峰。 • 反复重复上述步骤识别实测谱中尚未标识的峰。
Si 80 SiO2 界面层
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
若已知离子枪的溅射速率， 还可以粗测出各层的厚度。
三、AES的特点和应用
1.AES的特点 1.AES的特点 • 优点：
(1)空间分辨率高，可以同时显示表面形貌像和元素分布像； (2)配合离子枪，在深度剖析时具有良好的深度分辨率； (3)可测范围广，可分析除H、He以外的各种元素； (4)对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度； (5)技术应用广泛，有大量分析数据可供参考。
从图可以看出：峰位 (能量)、峰数、各峰相对强度大小，由特定元 素原子结构确定，可作为判定元素的依据，这些数据均有手册可查。
5.直接谱与微分谱 5.直接谱与微分谱 • 直接谱 直接谱：俄歇电子强度[密度(电子数)]N(E)对其能量E 的分布。 • 微分谱 微分谱：由直接谱微分而来，是dN(E)/dE对E的分布。
ห้องสมุดไป่ตู้
②二次电子
①弹性散射峰
③俄歇电子峰
将俄歇峰能量段选出并进行微分记录，得到俄歇能谱下： 将俄歇峰能量段选出并进行微分记录，得到俄歇能谱下：
由于激发源的能量远 高于原子内层轨道的 能量，一束电子束可 以激发出多个内层轨 道电子，另外退激发 过程中也涉及两个次 外层轨道的电子跃迁 过程，因此多种俄歇 跃迁过程可以同时出 现，在俄歇电子能谱 图上产生多组俄歇峰。
• 缺点：
(1)定量分析的准确度不高； (2)电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生 物样品和某些陶瓷材料中的应用； (3)对样品要求高，表面必须清洁、光滑等； (4)不能分析H、He。
2.AES的应用 2.AES的应用
①材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析； ②金属、半导体、复合材料等界面研究； ③薄膜、多层膜生长机理的研究； ④表面的力学性质(如摩擦、磨损、粘着、断裂等)研究； ⑤表面化学过程(如腐蚀、钝化、催化、氧化等)研究； ⑥集成电路掺杂的三维微区分析； ⑦固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。