俄歇电子能谱_AES_及其在超导材料分析中的应用
俄歇电子能谱-AES
2、俄歇谱分析技术-iiii元素沿深度方向的分布分析
AES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用的分析功能
原理：先用Ar离子把表 100
面一定厚度的表面层溅 80
五、俄歇电子谱实验技术
1 样品制备技术
俄歇电子能谱仪对分析样品有特定的要求，在通常情况下 只能分析固体样品，并还不应是绝缘体样品。原则上粉体 样品不能进行俄歇电子能谱分析。由于涉及到样品在真空 中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过一定的预 处理。主要包括样品大小，挥发性样品的处理，表面污染 样品及带有微弱磁性的样品等的处理。
四、俄歇电子谱实验技术
1 样品制备技术
➢带有微弱磁性样品的处理
由于俄歇电子带有负电荷,在微弱磁场作用下可以发生偏转。当 样品具有磁性时,样品表面发射的俄歇电子会在磁场作用下偏离 接收角,不能到达分析器,得不到正确的AES 谱
对于具有弱磁性的样品,一般可以通过退磁的方法去掉样品的微 弱磁性,再进样分析
四、俄歇电子谱实验技术
4俄歇电子能谱的采样深度
俄歇电子能谱的采样深度与出射的俄歇电子的能量及材料 的性质有关。一般定义俄歇电子能谱的采样深度为俄歇电子平 均自由程的3倍。根据俄歇电子的平均自由程的数据可以估计 出各种材料的采样深度。一般对于金属为0.5 ～2 nm, 对于无 机物为1 ～3 nm, 对于有机物为1 ～3 nm。从总体上来看，俄 歇电子能谱的采样深度比XPS的要浅, 更具有表面灵敏性。
五 俄歇电子能谱法特点
• 优点：
• ①作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子 逸出深度(电子平均自由程)。对于能量为50eV~2keV 范围内的俄歇电子，逸出深度为0.4~2nm。深度分辨 率约为1nm，横向分辨率取决于入射束斑大小。
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。
俄歇电子能谱仪在材料分析中的应用
16
分析仪器
2009 年第 4 期
脆性断口晶界处严重偏析 , 使金属材料变脆, 造成合 金结构钢脆断。 4 12 表面元素定性分析 俄歇电子的能量仅与原子的轨道能级有关, 与 入射电子能量无关, 也就是说与激发源无关。对于 特定的元素及特定的俄歇跃迁过程 , 俄歇电子的能 量是特征性的。因此可以根据俄歇电子的动能 , 定 性分析样品表面的元素种类。由于每个元素会有多 个俄歇峰, 定性分析的准确度很高。 AES 技术可以 对除 H 和 H e 以外的所有元素进行全分析, 这对于 未知样品的定性鉴定非常有效。由于激发源的能量 远高于原子内层轨道的能量, 一束电子可以激发出 原子芯能级上多个内层轨道上的电子, 加上退激发 过程涉及两个次外层轨道上电子的跃迁。因此 , 多 种俄歇跃迁过程可以同时出现 , 并在俄歇电子能谱 图上产生多组俄歇 峰。尤其是 原子序数较高 的元 素, 俄歇峰的数目更多, 使俄歇电子能谱的定性分析 变得非常复杂。因此 , 定性分析必须非常小心。 元素表面定性分析, 主要是利用俄歇电子的特 征能量值来确定固 体表面的元素 组成。能量 的确 定, 在积分谱中是指扣除背底后谱峰的最大值 , 在微 分谱中通常是指负峰对应的能量值。为了增加谱图 的信倍比, 习惯上用微分谱进行定性分析。元素周 期表中由 Li 到 U 的绝大多数元素和一些典型化合 物的俄歇积分谱和微分谱已汇编成标准 AES 手册。 因此由测得的俄歇谱鉴定探测体积内的元素组成是 比较方便的。在与标准谱进行对照时, 除重叠现象 外还需考虑以下情况[ 21] : ( 1) 化学效应或物理因素 引起的峰位移或谱线形状变化; ( 2) 与大气接触或 试样表面被沾污而产生的峰。 俄歇电子能谱的采样深度很浅, 一般为俄歇电 子平均自由程的 3 倍。根据俄歇电子的平均自由程 可估计出各种材料 的采样深度。一般金属材 料为 0. 5~ 2. 0nm , 有机物为 1. 0~ 3. 0nm。对大部分元 素, 俄歇峰主要集中在 20~ 1200eV 范围内 , 只有少 数元素才需要用高能端俄歇峰辅助进行定性分析。 尹燕萍等[ 22] 用 595 型多探针俄歇电子能谱 仪测得 LiNbO 3 的 AES 谱图 , 从而得知 LiNbO3 试样表面 很干净, 几乎没有碳峰, 而 Li、 Nb 、 O 元素的特征峰 十分明显。 4 1 3 表面元素半定量分析[ 23] 样品表面出射俄歇电子强度与样品中该原子的
俄歇电子能谱-AESSIMS 材料研究方法与实验
X
溅射过程中能量和动量转换
能量分析 质量分析器
一次离子
二次离子
离子检测
深度剖面分析图
SIMS原理示意图
二次离子像
SIMS装置的构成
SIMS的特点
(1)信息深度为表面几个原子层甚至单层; (2)能分析包括氢在内的全部元素，并可检测同位素; (3)能分析化合物，得到其分子量以及分子结构信息， 且特别适合于检测不易挥发、热不稳定的有机大分子; (4)检测灵敏度高，对杂质的检测限常可达ppm甚至
106
105
10CsFe+
40CsNi+
104
20CsCr+
10Cr+
103
10Fe+
Al+
102
10Ni+
10 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Sputtering times (s)
Depth profile curve of three-layered coating “A” on stainless steel substrate
电子 电子 俄歇电子 红外线
0.5~2 nm
1~10个原子 层
1~4个原子 层
0.2~0.5m
光子
1~103 nm
探查表面化学键的变化 和化学结合态
表面化学分析
可研究表面吸附态，定性了解 表面化合物的特征
表面化学分析、结合能、 离子价态
表面结构、表面侵蚀的研究、 鉴别物质的组成等
测定膜厚、折射率、缺陷等
存在电子束引起的干扰：绝缘体样品表面易带电，特
别是进入和离开样品的为大功率电子通量，须快速将过甚电荷 泄放，否则样品电势的变化将使俄歇线的能量出现严重错误。
材料表面分析技术
材料成分分析技术—俄歇电子谱技术（AES）俄歇电子能谱是用聚焦电子束激发样品，由于俄歇过程，在样品的表明发射出的俄歇电子作为信号，进行能量分析，简称为AES。
AES主要用作表面元素的成分分析，是如今表面科学研究的重要工具之一。
本文主要从俄歇电子谱仪的物理原理、表征系统构成、适用范围三个方面来简要介绍一下AES,并会针对一个典型结果进行初步的分析。
1、物理原理：俄歇电子的发射过程，可用能级图来描述，如图1：当用一束电子轰击靶材时，可使K能级的一个电子离化，产生空穴，再由高能级例如M能级的电子落入此空穴，使系统恢复平衡，此时有能量放出，若剩余的能量不以光发射而是以N能级的电子放出而损耗，把这个过程称为KMN俄歇过程（俄歇跃迁）。
发出AES电子的过程是一个非辐射复合过程，接受剩余能量飞出的电子称为KMN俄歇电子。
作为一般化讨论，任一个俄歇跃迁包含WXY三个能级，W能级产生空穴，X能级的电子填充空穴，Y能级发射出俄歇电子。
考虑电子结合能是相对于费米能级而言，所以俄歇电子的逸出动能为：()()()WXY W X Y S E E Z E Z E Z φ=--+-Δ，其中S φ是试样的功函数。
通过能谱仪能量分析器后测量到的俄歇电子的能量，还要添加一个附加项[()]SP S φφ--，它是能量分析器功函数SP φ和试样材料功函数S φ之差。
故()()()WXY W X Y SP E E Z E Z E Z φ=--+-Δ。
由上式可知，俄歇电子具有的能量决定于该原子能级，是该原子固有量，与激发源的能量无关，这是俄歇能谱仪分析鉴定表面元素成分的重要的物理基础。
2、 AES 谱仪的构成AES 谱仪的主要构成部件有激发源（电子枪）、离子枪、电子能量分析器、电子检测器和真空系统等，为了提高检测微弱电子信号的灵敏度，通常测量二次电子分布的微分谱，下面为AES 谱仪的结构图。
图2 俄歇电子谱仪示意图3、 适用范围（1） 俄歇电子发射至少要涉及3个电子，2个能级，因此AES 可分析研 究原子序数Z ≥3的元素，且对轻元素有较高的灵敏度；（2） 对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm ，高度小于5mm ，对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成大小合适的样品；（3）适用于表面5-20埃的范围成分状态研究。
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。
材料分析测试方法-13-2(AES)
《材料分析测试方法》
3. 俄歇电子的产额：
俄歇电子的产额相当于俄歇跃迁的几率，与俄歇 谱峰的强度相对应，是元素定量分析的依据。
每个K电子空穴的产额
俄歇电子产额
特征X射线产额
原子序数
《材料分析测试方法》
俄歇电子的产额：
在低原子序数元素中，俄歇过程占主导，而且 变化不大。 对于高原子序数元素，X射线发射则成为优先 过程。
经验公式：
E
Z
1 Z1 Z Z 1 Z E E E ( E E E E ) 2
Z Z Z
（电子束缚能之差）
（修正项）
《材料分析测试方法》
例：计算Ni的KL1L2俄歇电子能量
1 Cu Ni Ni E E E E (E L2 E L2 E Cu E L1 ) L1 2 已知：
《材料分析测试方法》
主要俄歇电子能量图
《材料分析测试方法》
4.AES定量分析
依据：微分谱峰上峰-峰值
方法：纯元素标样法
相对灵敏度因子法
《材料分析测试方法》
定量分析——纯元素标样法
在相同条件下，测量i元素的俄歇峰强度 I i, WXY ， S 及标样的同一俄歇峰强度 I i, WXY 。
（所取WXY俄歇峰一般为主峰） 则试样中i元素的浓度Ci为： C i
此方法不需要纯元素标样，精度低，实用性强。
《材料分析测试方法》
定量分析——举例
在304不锈钢断口表面的微分谱（Ep=3keV）。
《材料分析测试方法》
表面元素含量计算：
IFe，703= 10.1 ICr，529= 4.29 SNi，848= 0.27
材料分析理论与方法3-AES
信息种类
用途
认识该过程要把握如下基本要点： (1) 两个轨道三个电子参与; (2) 双空穴终态; (3) 俄歇电子和X射线的发射机率互为稍长, 即PA+PX=1.
Auger电子产额
用几率来衡量两个竞争过程，发射X射线的几率PKX；发 射K系 Auger电子的几率PKA ，则K层X射线荧光产额：
ωKX
=
PKX PKX + PKA
3)二峰之间间有一个广阔区域，但e数目少, 产生原因 亦很多，其中包括本节关心的Auger e峰；
4)选出俄歇峰能量段并进行记录, 得到俄歇能谱.
显然， 微分谱可以 明显地降低 背景的影响
直接谱 微分谱
d—dEN
电子能量E
从图可以看出： 峰位 (能量)，由元素特定原子结构确定; 峰数，由元素特定原子结构确定 (可由量子力学估计); 各峰相对强度大小，也是该元素特征; 以上3点是AES定性分析的依据,这些数据均有手册可查.
1）当俄歇跃迁不涉及价带时，化学环境的不同将 导致内层电子能级发生微小变化，造成俄歇电子能量 微小变化，表现在俄歇电子谱图上，谱线位置有微小 移动，这就是化学位移。
例如：锰和氧化锰的俄歇电子谱 氧化锰
锰
L3M 2,3M 2,3 L3M 2,3M 4,5
L3M 4,5M 4,5
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。
一致)； c.记录AES微分谱，对未知样先进行定性分析，量出相关元素
的强度； d. 从手册或AES仪数据库查出所测元素的灵敏度因子Sj ； e. 代入公式，求得所测元素的含量。
4 定量分析评价
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。
俄歇电子能谱 (AES, Auger)
俄歇电子能谱(AES, Auger)美信检测
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. AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。
AES电子束可以扫描一块或大或小的表面. 它也可以直接聚焦在小块表面形貌上（半导体产业经常要求这样）。
聚焦电子束斑到10nm或更小的直径使得AES成为小表面形貌元素分析的非常有用的工具。
此外，它能够在可调整的表面区域内栅蔽电子束从而控制分析区域的尺寸。
当用来与溅射离子源的结合时, AES能胜任大、小面积的深度剖面。
当与聚焦离子束(FIB)一起使用时,它对于截面分析是很有用的。
应用范围：
缺陷分析
颗粒分析
表面分析
小面积深度剖面
工艺控制
薄膜成分分析
AES优点：
小面积分析（30纳米）
良好的表面灵敏度
良好的深度分辨率
AES激发原理示意图应用案例：。
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。
表面分析(四)俄歇电子能谱的应用
计数 / 任意单位
线扫描分析
Ag －Au/Si(111) Ag
Au 0 100 200 300 400 500 600 700
距离 / m
典型的俄歇线扫面分布图
面扫描分布图
俄歇电子能谱的面分布分析也可称为俄歇电子 能谱的元素分布的图像分析。它可以把某个元 素在某一区域内的分布以图像的方式表示出来， 就象电镜照片一样。只不过电镜照片提供的是 样品表面的形貌像，而俄歇电子能谱提供的是 元素的分布像。结合俄歇化学位移分析，还可 以获得特定化学价态元素的化学分布像。适合表面扩散等领域的研究。在常 规分析中，由于该分析方法耗时非常长，一般 很少使用。当我们把面扫描与俄歇化学效应相 结合，还可以获得元素的化学价态分布图。
从图上可见，当暴氧量 达到50 L时，Zn LVV 的线形就发生了明显的
变化。俄歇动能为 54.6eV的峰增强，而俄 歇动能为57.6eV的峰则 降低。表明有少量的 ZnO物种生成。随着暴 氧量的继续增加，Zn LVV线形的变化更加明 显，并在低能端出现新
的俄歇峰。表明有大量 的ZnO表面反应产物生 成。
原子摩尔百分数浓度
100
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 3.5 4
溅射时间 / min
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
微区分析
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重 要功能，可以分为选点分析，线扫描分析 和面扫描分析三个方面。
离子束与固体表面发生相互作用，从而引起表 面粒子的发射，即离子溅射。对于常规的俄歇 深度剖析，一般采用能量为500 eV到5keV的 离子束作为溅射源。溅射产额与离子束的能量、 种类、入射方向、被溅射固体材料的性质以及 元素种类有关。多组分材料由于其中各元素的 溅射产额不同，使得溅射产率高的元素被大量 溅射掉，而溅射产率低的元素在表面富集，使 得测量的成分变化，该现象就称为“择优溅 射”。在一些情况下，择优溅射的影响很大。
俄歇电子能谱技术(AES)
2 .电子能量分析器
• 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 一种叫作筒镜分析器的装置。
筒镜分析器
• 分析器的主体是两个同心的圆筒。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，激发电子枪放在镜筒分析器的内腔 中（也可以放在镜筒分析器外）。由样品 上发射的具有一定能量的电子从入口位置 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。若连续地 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。
• 若将筒镜分析器与电子束扫描电路结合起 来可以形成俄歇扫描显微镜。电子枪的工 作方式与扫描电镜类似，两级透镜把电子 束斑缩小到3微米，扫描系统控制使电子束 在样品上和显像管荧光屏上产生同步扫描， 筒镜分析器探测到的俄歇电子信号经电子 倍增器放大后用来对荧光屏光栅进行调制， 如此便可得到俄歇电子像（SAM）。
材料的元素偏析研究
• 元素偏析经常是材料 失效的重要原因。利 用俄歇电子能谱可以 很好地研究材料中的 元素偏析问题。 • 从右图可见，除表面 有氧化层外，在基底 合金材料中，主要是 Fe,Ni，Cr合金，成分 分布还是很均匀的。
Fe
ACP / ％
Ni
Cr 0 5 O 10 15 20 25 30 35 40 Sputtering Time / min
• AES具有五个有用的特征量: 特征能量; 强 度; 峰位移; 谱线宽和线型。 • 由AES的这五个特征量可获如下表面特征: 化学组成,覆盖度,键中的电荷转移,电子态 密度和表面键中的电子能级等。
第四节
俄歇电子能谱在材料分析中的应用
W
C KLL俄歇过程示意图
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，我们可以根据俄歇电子的动能用来定性分 析样品表面物质的元素种类。
表面元素的定性分析
Auger过程至少有两个能级和三个电子参与，所以H原子和 He原子不能产生Auger电子。
表面元素的定性分析
• 对于K层空穴， Z<19，发 射俄歇电子的几率在90％ 以上； • 随Z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。
Auger发射对于轻元素C、 O、 N、 S、 P等有较高的分析 灵敏度。
表面元素的定性分析
定性方法
任务:根据测得的AES微分谱上负峰的位置识别元素
表面元素的化学价态分析
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。 这结果与俄歇化学位移实验数据是一致的。
Mn
MnO
543eV 540eV
590eV 587eV
637eV 636eV
锰和氧化锰的Mn LMM俄歇电子能谱
表面元素的半定量分析
相对灵敏度因子法
分析依据
ci
I i / Si
I
i 1
i n
i
/ Si
应用此方法，只需要由实验直接测得各元素的Auger峰
高（强度），即微分谱上的峰-峰值（正负峰高度差）
表面元素的半定量分析
举例
Fe Cr NiAES谱 选取谱峰 304不锈钢在超高真空中原位韧性断裂后表面的 （703eV） （529eV） （848eV） 1010 470 150 相对峰高 Ii 实验测得 查阅手册
俄歇电子能谱AES
24
Inelastic Mean Free Path (nm)
4 Al Cu 2 Au
0 0
500
1000 1500 2000 Electron Energy (eV)
2500
在三种材料中理论计算的非弹性平均自由程与电子能量的关系
表面分析技术
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平均自由程
一般来说，当z达到3时，能逃逸到表面的电子数仅占5% ，这时的深度称为平均逃逸深度。平均自由程并不是一个 常数，它与俄歇电子的能量有关。 图7 表示了平均自由程与俄歇电子能量的关系。从图上 可见，在75-100 eV处，存在一个最小值。俄歇电子能
表面分析技术
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俄歇跃迁几率
KLL
1
LMM
MNN
1
K 0 0 10 20
L 30 40 50 60 70
M 80 0 90
Atomic Number
1. 根据半经验计算，K能 级激发的PA与PX的关 系可以用图5表示。 2. 从图上可见，当元素 的原子序数小于19时 （即轻元素）, 俄歇 跃迁几率（PA）在90% 以上。 3. 直到原子序数增加到 33时，荧光几率才与 俄歇几率相等
量在100 - 2000 eV之间，与E1/2成正比关系。这一能量
范围正是进行俄歇电子能谱分析的范围
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表面分析技术
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平均自由程
平均自由程不仅与俄歇电子的能量有关，还与元素材 料有关。M.P.Seah等综合了大量实验数据，总结出了 以下经验公式； 对于纯元素： = 538E-2 + 0.41(aE)1/2 对于无机化合物： = 2170E-2 + 0.72(aE) 对于有机化合物： = 49E-2 + 0.11(aE)1/2 式中 E -- 以费米能级为零点的俄歇电子能量，eV; a -- 单原子层厚度，nm;
俄歇电子能谱
通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以获得多层膜的厚度。这种方法尤其适用 于很薄的膜以及多层膜的厚度测定。
TiO2薄膜层的溅射时间是 6min,离子枪的溅射速率 为30nm/min，所以薄膜的 厚度约为180nm。
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Байду номын сангаас
元素沿深度方向的分布分析 原理：先用Ar离子把表面一定厚度的表面层溅射掉，再用AES分析剥离后的表面元素含 量，获得元素在样品中沿深度方向的分布。
镀膜金刚石膜层的俄歇分析：镀铬金刚石 15、40、100nm厚俄歇电子能谱图: 从15~40nm区间是碳、铬、氧元素、原子数分数之比相对稳 定的膜层，此区间铬原子数分数约25%、碳原子数分数约 60%、氧原子数分数约13%,亦即接近真实意义的镀铬层， 层厚约25nm;从100nm以后，基本上是碳元素，表示进入 金刚石颗粒内部。
进行固体表面清洁程度的测定
表面吸附和化学反应的研究
摩擦化学的研究
其他应用
薄膜厚度的测定 失效反应的研究
界面扩散反应研究
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。
界面分析
利用样品冲断装置，在超高真空中使样品沿晶界 断裂，得到新鲜的清洁断口，然后以尽量短的时 间间隔，对该断口进行俄歇分析。对于室温下不 易沿界面断裂的试样，可以采用充氢或液氮冷却 等措施。
俄歇电子能谱在固体表面的化学吸附和化学反应
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。 俄歇电子能谱在 固体表面的化学 吸附和化学反应
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。
材料分析方法第十二讲X射线光电子谱和俄歇电子能谱
材料分析方法第十二讲X射线光电子谱和俄歇电子能谱X射线光电子谱（XPS）和俄歇电子能谱（AES）是材料分析领域常用的表面分析方法之一，可以提供关于材料表面元素的化学状态、表面成分以及电子结构等相关信息。
本文将重点介绍X射线光电子谱和俄歇电子能谱的原理和应用。
首先，我们介绍X射线光电子谱（XPS）。
XPS利用X射线激发样品表面产生的光电子，通过分析这些光电子的能量和强度来获取元素的化学状态和表面成分。
从能量角度来看，光电子的能量与被激发的电子能级之间的差值成正比；而从强度角度来看，光电子的强度则与对应元素在样品表面的存在数量成正比。
因此，通过分析光电子的能量和强度可以得到样品表面元素的化学状态和相对含量。
XPS的工作原理是这样的：首先，使用一束高能量的X射线照射样品表面，这些X射线将激发样品表面的电子，使其离开原子核并成为光电子。
接下来，光电子被引导到能量分析器中，能量分析器可以根据光电子的能量将其分离出来，并将其定向引导到一个能量敏感的探测器上。
最后，根据光电子的能量和强度来推断样品表面的元素化学状态和相对含量。
XPS的应用非常广泛。
首先，XPS可以用来研究材料的化学状态和表面成分。
通过比对样品的光电子能谱与已知材料的能谱数据库，可以确定样品中元素的化学状态和相对含量。
此外，通过观察XPS能谱的峰形，还可以研究样品的表面形貌和晶体结构。
其次，XPS还可以用于表面化学反应的研究。
通过观察光电子能谱的变化，可以了解表面反应的动力学和热力学过程。
此外，XPS还可以用来研究材料的电子结构和界面电子转移等。
接下来，我们介绍俄歇电子能谱（AES）。
俄歇电子能谱是一种通过分析材料表面电子能谱来获取元素化学状态和表面成分的方法。
不同于XPS，俄歇电子能谱利用激光束激发样品表面产生的俄歇电子，通过分析这些俄歇电子的能量和强度来获取元素的化学信息。
俄歇电子能谱的工作原理是这样的：首先，使用一束高能量的激光照射样品表面，这些激光将激发样品表面的电子，使其离开原子核并成为俄歇电子。