俄歇电子能谱技术(AES)
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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。
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
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
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。
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。
俄歇电子能谱仪(AES)
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。
aes是什么意思
aes是什么意思
aes的意思有：
区块加密标准；俄歇电子能谱；1860年基尔霍夫发布的分析方法；微软模拟飞行9的模拟地勤软件；应用开发的中间服务；美国爱依斯电力公司；化学物质；经验累积与分享系统；呼叫系统中的中间服务器；AES树脂等。
【AES技术】
AES技术是一种对称的分组加密技术，使用128位分组加密数据，提供比WEP/TKIPS的RC4算法更高的加密强度。
AES的加密码表和解密码表是分开的，并且支持子密钥加密，这种做法优于以前用一个特殊的密钥解密的做法。
AES 算法支持任意分组大小，初始时间快。
特别是它具有的并行性可以有效地利用处理器资源。
【AES特点】
AES具有应用范围广、等待时间短、相对容易隐藏、吞吐量高等优点，在性能等各方面都优于WEP算法。
利用此算法加密，WLAN的安全性将会获得大幅度提高。
AES算法已经在802.11i标准中得到最终确认，成为取代WEP的新一代的加密算法。
但是由于AES算法对硬件要求比较高，因此AES无法通过在原有设备上升级固件实现，必须重新设计芯片。
俄歇电子能谱分析AES
因此，AES技术是适用于对所有元素进行一次全分析的 有效定性分析方法，这对于未知样品的定性鉴定是非常 有效的。
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
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
俄歇电子能谱(AES)
第1章 电子能谱学引论
一、电子能谱学及其特性
二、电子能谱的表面灵敏性
三、表面科学与表面分析技术
1.1、电子能谱学及其特性
电子能谱学(Electron Spectroscopy)是最近四十年 来发展起来的一门综合性学科。 现代电子能谱学已经发展为一门独立的，完整的 学科。它与多种学科相互交叉，融合了物理学， 化学，材料学，真空电子学，以及计算机技术等 多学科领域。 应用最广泛的表面化学分析技术，可给出材料表 面的元素组成及其空间分布、元素化学态和化学 环境、原子和电子态、表面结构等的定性和定量 信息。是研究原子，分子和固体材料的有力工具。
《电子能谱及其应用》
Electron Spectroscopy and Applications
麻茂生 中国科学技术大学理化科学实验中心 合肥微尺度物质科学国家实验室(筹)
参考文献
John F. Watts & John Wolstenholme, “An introduction to surface analysis by XPS and AES”, John Wiley & Sons, 2003 David Briggs and John T. Grant, “Surface Analysis by Auger and XRay Photoelectron Spectroscopy”, IM Publications, 2007 D. Briggs & M. P. Seah, “Practical Surface Analysis (Second Edition), Volume 1: Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy”, John Wiley & Sons, 1996 Graham C. Smith, “Surface Analysis by Electron Spectroscopy: Measurement & Interpretation”, Plenum Press, New York, 1994 吴正龙译， 《表面分析(XPS和AES) 引论》 ，华东理工大学出版社， 2008 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
俄歇电子能谱AES
表面分析技术
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
25
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
21
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
表面分析技术
26
表面分析技术
27
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;
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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
25
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
表面分析技术
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表面分析技术
27
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。 @
AES详细介绍
估计实际Auger跃迁特征能量的经验公式为：
EZXY
(Z)
=
EZ
(Z)
−
1 2
[EX
(Z)
+
Ex
(Z
+ 1)]
−
1 2
[EY
(Z)
+
EY
(Z
+ 1)]
EX(Z+1)和EY(Z+1)分别为Z＋1元素的X和Y能级的电离能
Z
Z
5.2 Auger电子强度：电离截面
电离截面是指原子被入射粒子电离产生空穴的几率，σ：
KL1L2,3
KL2,3L1
Auger transition is characterized by (a) presence of core hole and (b) location of two final state holes
电子枪
Z < 15, KLL Z: 16 ~ 41, LMM Z > 42, MNN
利用经验公式计算，即用Zn的束缚能的值，与Cu进行算术平均： CuLMM＝ 932-6-6＝ 920 eV
Auger电子和X-射线荧光
去激发过程中，产生Auger电子，或X-射线荧光，几率之和为 1。
即：
γA + γX = 1
当Z为33, 90时，两者相等
有两个几率的涨落变化，对于给定元素特征峰的选取： 1）Z ≤ 15的元素，采用K系列的俄歇峰； 2）16 ≤ Z ≤ 41的元素，采用L系列的俄歇峰； 3）Z ≥ 42的元素，采用M系列的俄歇峰。
双同心圆筒结构，内筒接地。能量为E0， 以42.3°的角度偏离轴向的电子束，通过 内筒上的一个缝，被外圆筒上负电势 Vp聚焦，再返回到轴上。此时的电势为：
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。
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表面组分检测分析
硬盘表面的微小的污染颗粒都会影响硬 盘的质量。如某次硬盘质量检测中，二次 电子像（SEM）（图a）清晰地示出表面的 污染颗粒物，大小约为1微米。分别定位污 染颗粒物和硬盘表面,收集俄歇电子能谱 （图b）。俄歇谱图表明，污染颗粒物含有 为C、N、O、Si 元素；而硬盘表面只含有C、 N元素。因此，可根据结果判断污染颗粒物 为灰尘颗粒。
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
ACP / ％
• 右图是彩电阳极帽在氧化 处理后的正常样品俄歇深 度分析结果。 • 在热氧化处理后，合金材 料不仅被氧化，并发生了 元素的偏析作用。 • 本底合金中含量很低的Cr 元素发生了表面偏析，在 样品表面获得富集，形成
O
Fe Ni
Cr
了Cr2o3致密氧化层。
• 大大改善了彩电阳极帽与 玻璃的真空封接性能。
• 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）。
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。
• ⑥ 集成电路掺杂的三 维微区和失效分析；
• ① 材料表面偏析、表 面杂质分布、晶界元 素的分析；
• ② 金属、半导体、复 合材料界面的研究； • 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)的研究；
• ⑦ 固体表面吸附、 清洁度、沾染物的鉴 定等。
结束，谢谢！
0
5
10 15 20 25 30 35 40 Sputtering Time / min
AES分析技术的局限性
• ① 不能分析氢和氦元素；
• ② 定量分析的准确度不高；不能对样品内 部进行深层分析； • ④ 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；
• ⑤ 对样品要求高，表面必须清洁(最好光 滑)等。
含污染物硬盘的表面SEM像
AES谱对比分析
薄膜厚度的测定
100 TiO2 500 C 1hour O
ACP[％ ]
o
Si
50 Ti
Si 0 0 2 4 6 Sputtering Time [min] 8
• TiO2薄膜层的溅射 时间约为6分钟，由 离子枪的溅射速率 （30nm/min）,可以 获得TiO2 薄膜光催 化剂的厚度约为 180nm。
3 .样品安置系统
• 一般包括样品导入系统，样品台，加热或 冷却附属装置等。俄歇能谱仪的样品要求 能经得住真空环境，在电子束照射下不产 生严重分解。有机物质和易挥发物质不能 进行俄歇分析，粉末样品可压块成型后放 入样品室。
4. 离子枪
• 它由离子源和束聚焦透镜等部分组成，有 如下功能： • ①清洁试样表面，用于分析的样品要求 十分清洁，在分析前常用 溅射离子枪对样 品进行表面清洗，以除去附着在样品表面 的污物； • ②逐层刻蚀试样表面，进行试样组成的 深度剖面分析。
电子束与样品作用后产生的粒子和波
俄歇电子能谱提供的信息
• 固体表面的能带 • 表面吸附、脱附以及 结构、态密度， 表面化学反应； 电子态； • 材料组分的确定，纯 • 表面的物理化学 度的检测，材料特别 性质变化; 是薄膜材料的生长 等；
• 元素组成的含量，• 电子器件的失效分析， 化学价态，深度 材料的腐蚀等； 分布，微区分析 等信息;
第一节
俄歇效应
俄歇效应是指入射电子束或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， 进而发射出俄歇电子的现象 （不能用光电效应解释）。该 效应以法国人 M.P.Auger的名 字命名。[展开讲述]
俄歇电子的特点：
① 俄歇电子的能量是靶物质所特有的， 与入射电子束的能量无关。大多数元 素和一些化合物的俄歇电子能量可以 从手册中查到。 ② 俄歇电子只能从20埃以内的表层深 度中逃逸出来，因而带有表层物质的 信息，即对表面成份非常敏感。正因 如此，俄歇电子特别适用于作表面化 学成份分析。
俄歇电子能谱技术 （AES）
--Auger Electronic Spectrometer
策划：微电子学与固体电子学专业 2009级 张锗源
引言
俄歇电子能谱技术(AES)是通过测定电子束 激发产生的俄歇电子的特征能量进行元素 分析的一种固体表面薄层分析技术。 由于它充分利用了固体表面激发出的各种 可测信息, 除了俄歇电子外, 输出还有反 射电子、二次电子等,因此不仅能利用得到 的俄歇电子能谱进行成份分析, 还可以利 用这些信息电子生成图像观察样品表面形 貌和成份分布关系。
5 .超高真空系统
• 这是AES的一个重要组成部分。因为高的真 空度能使试样表面在测量过程中的沾污减 少到最低程度，从而得到正确的表面分析 结果。目前商品AES的高真空度可达10托左 右。
第三节
AES的测试结果
• 一般显微AES是先获得扫描电子微显图像 (SEM)，再在SEM图像上确定分析位置和分 析方式。SEM像为样品的形貌显微像。在放 大的SEM像上，找到要分析的位置(点、区 域或线)，将电子束聚焦到要分析的位置， 采集俄歇信号，得到样品上指定局域点元 素信号。
• 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
俄歇能谱技术的应用
• ⑤ 表面化学过程(如 腐蚀、钝化、催化、 晶间腐蚀、氢脆、氧 化等)的研究；
第二节
俄歇电子能谱仪
俄歇能谱仪
由电子光学系统、电子能量分析 器、样品安放系统、离子枪、超高 真空系统几部分组成。
1 .电子光学系统
• 电子光学系统主要由电子激发源（热 阴极电子枪）、电子束聚焦（电磁透 镜）和偏转系统（偏转线圈）组成。
• 电子光学系统的主要指标是入射电子 束能量，束流强度和束直径三个指标。