俄歇电子能谱原理及其应用.刘圣利。0907020047

俄歇电子

俄歇电子是由于原子中的中子被激发而产生的次级电子.处于激发态的原子可能发生两类过程.一类是内壳层空穴被外壳层电子所填充,由此释放出能量而产生X射线荧光.另一类是电子由外壳层落到内壳层,用所释放出来的能量打出一个其电离势更低的轨道电子（通常为价电子）.后一个过程称为俄歇过程,以发现此过程的法国科学家P.-V.俄歇命名.被打出来的电子称为俄歇电子.用光或电子轰击固体表面,都能产生俄歇效应.

俄歇电子具有特征性能量,其能量与释放俄歇电子的原子中的电子转移有关.俄歇电子的释放是释放特征性x射线的替代形式.俄歇电子能量E（A）可由下面式子得出：

E(A)=E（1）-E（2）-E（3）,

其中,E（1）为具有内壳层空位的原子能量,E（2）为具有外壳层空缺的原子能量,而E（3）为俄歇电子的结合能.

3. 俄歇过程中的能量关系：俄歇电子激发时,内层存在一个空壳层,状态不同于基态原子.虽然俄歇过程十分复杂,涉及到2个电子,3个能级,但是该过程任只与元素种类有关,不同元素俄歇电子动能决定于元素种类和俄歇过程涉及的能级,因此俄歇电子动能仍是元素种类的特征函数.

俄歇电子能谱

俄歇电子的谱线即是俄歇电子能谱.俄歇电子能谱(AES、Auger)是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术.可以从俄歇电子能谱来分析物质的元素组成.

俄歇电子能谱的应用

一．AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子

原理

入射电子束和物质作用,可以激发出原子的内层电子.外层

电子向内层跃迁过程中所释放的能量,可能以X光的形式放出,

即产生特征X射线,也可能又使核外另一电子激发成为自由电子,这种自由电子就是俄歇电子引.对于一个原子来说,激发态原子

在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子.原子序数大的元素,特征X射线的发射几率较大,原子序数小的元素,俄歇电子发射几率较大,当原子序数为33时,两种发射几率大致相等.因此,俄歇电子能谱适用于轻元素的分析.

如果电子束将某原子K层电子激发为自由电子,L层电子跃迁到K层,释放的能量又将L层的另一个电子激发为俄歇电子,

这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子.同样,LMM俄歇电子是L层电

子被激发,M层电子填充到L层,释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子.

对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：

EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z Δ)-Φ (10.6) 式中, EWXY(Z)：原子序数为Z的原子,W空穴被X电子填充得到的俄歇电子Y的能量；

EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量；EY(Z Δ)：Y电子电离所需的能量.因为Y电子是在已有一个空穴的情况下电离的,因此,该电离能相当原子序数为Z和Z 1之间的原子的电离能.其中Δ=1/2-1/3.根据式(10.6)和各元素的电子电离能,可以计算出各俄歇电子的能量,制成谱图手册.因此,只要测定出俄歇电子的能量,对照现有的俄歇电子能量图表,即可确样品表面的成份.

由于一次电子束能量远高于原子内层轨道的能量,可以激发出多个内电子,会产生多种俄歇跃迁,因此,在俄歇电子能谱图上会有多组俄歇峰,虽然使定性分析变得复杂,但依靠多个俄歇峰,会使得定性分析准确度很高可以进行除氢氦之外的多元素一次定性分析.同时,还可以利用俄歇电子强度和样品中原子浓度的线性关系,进行元素的半定量分析.

二.测定俄歇电子的能量从而获得固体表面组成等信息

俄歇电子在固体中运行也同样要经历频繁的非弹性散射,能逸出固体表面的仅仅是表面几层原子所产生的俄歇电子,这些电子的能量大体上处于 10～500电子伏,它们的平均自由程很短,大约为5～20埃,因此俄歇电子能谱所考察的只是固体的表面层.俄歇电子能谱通常用电子束作辐射源,电子束可以聚焦、扫描,

因此俄歇电子能谱可以作表面微区分析,并且可以从荧光屏上直接获得俄歇元素像.

三．分析待测样品的元素组成

对于一个未知成分的待测材料,通过某种激发源(X射线,电子束)轰击样品,激发俄歇过程,用电子能量分析器获得俄歇电子动能.把测量获得的动能集合与标准俄歇电子动能数据库进行比对,分析待测材料中的元素组成.

定量分析.定量分析的关键在于获得俄歇电子产率与元素浓度之间的函数关系.但是俄歇电子过程比较复杂,直接获得元素

俄歇过程的敏感因子很困难,目前俄歇定量分析一般采用相对敏感因子法.采用标准银试样的主峰(351 eV的MNN峰)作为标准,在相同条件下测量纯X元素标样和纯银标样的俄歇强度比值,将该比值作为i元素,WXY俄歇过程的相对敏感因子,即：Si称为纯元素i的相对敏感因子,它是通过纯元素测得的,与试样无关,现在已经有标准手册和数据库可以查询.有了Si就可以测量任何

试样表面i元素的浓度.由此只要测出样品表面各元素的俄歇强度由上式即可算出各元素的表面原子百分浓度因不需要标样被

广泛使用但其精度不高误差有时达30%以上所以它是一种半定量分析方法.其中Ii,WXY是指i元素俄歇峰-峰强度.象在XPS中一样轨道电子能级对固体中原子的化学环境是敏感的(化学位移) ,但化学位移的来源涉及到三个电子能级.情况比较复杂,一般难

于对AES谱中的化学位移进行指认,而更依赖于指纹谱.在AES中可观察到化学位移但涉及到的三个电子中的每一个都可能与多

重终态或弛豫效应有关AES数据非常复杂比XPS更难于解释.

参考文献

杨福家.原子物理学.北京：高等教育出版社,2000.

周公度.结构与物性.北京：高等教育出版社,2011.

徐克尊.高等原子分子物理学.北京：科学出版社,2002.