俄歇电子能谱AES.pptx
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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 。
《俄歇电子谱》PPT课件
其它贡献： 核裂变理论解释 获奖：U.S. Fermi Prize（1966年）
Lise Meitner, 1878~1968
合 作 者 ： Nobel 奖 获 得 者 Max Planck 、 Otto
Hahn
5
Otto Hahn：德国化学家
在Lise Meitner的协助下，发现了重核裂变 而获1944年Nobel化学奖
10
对轻元素有高的灵敏度
Auger发射与特征X射线发射是激发态原子退激活的两个不同过程，是
辐射与非辐射两个相互竞争的过程。Auger发射几率（WA）与特征X射
线发射几率（WX）总和等于1，即WA+WX =1W
WA 特征X射线发射对轻元素不灵敏，其跃迁
WX
K 线
几率WX较低
系
Auger发射则对轻元素有高的产额和灵敏 度，作为成分分析方法，这是一个很宝贵 W 的性能，也是较EPMA优越的特性之一
电子衰减长度可用来估计出射电子在固体中的逸出深度（escape depth）， 用来估计表面电子谱中的信息深度（information depth）
12
衰减长度在表面电子谱中是很重要的，人们设计了许多实验去测量不同 能量的电子在不同材料中的衰减长度
Tracy 于 1971年 把 当 时 已知
实验数据的不同能量电子在 （Å）
15
直到1968年Harris采用电势调制技术，Auger电子才获得实用，既采用微
分谱d N ( E )
dE
d或2dNE(2E )
，从而大大提高了灵敏度和分辨率。因此AES是一
种微分谱
铅的Auger电子N(E)－E图谱
铅的Auger电子微分图谱
16
俄歇电子能谱仪PPT课件
• 对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 mm。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。
• 但在制备过程中，必须考虑处理过程可能对表面成分和化学状 态所产生的影响。
• 由于俄歇电子能谱具有较高的空间分辨率，因此，在样品固定
方便的前提下，样品面积应尽可能地小，这样可以在样品台上
15
第165页/共60页
俄歇电子能谱的定性分析
• 由于俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关， 与入射电子的能量无关，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，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。
• 定性分析方法可适用于除氢、氦以外的所有元素，且 由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很 高。
• 在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰进行佐证， 否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。
21
第221页/共60页
C KLL Ti KLL
O KLL
计数 / 任意单位
278.0
415 385
510
0
100 200 300 400 500 600
俄歇电子动能 / eV
图8金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱
• 尤其是对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。在利用俄 歇电子能谱进行元素定性分析时，必须非常小心。
17
第187页/共60页
俄歇电子能谱的定性分析
• 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Perkin-Elmer[3]公司的《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：
第三章 俄歇电子能谱(AES)
848
529 703
*3 . 计算离表面深度Z =2cos处以及Z =0~2cos范围内所 产生的Auger e到达表面后能量保持不变的 比例。
要点如下：
(1)入射e能量E1处出现 一很尖的,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)在低能端出现一个 十eV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)将俄歇峰能量段选出并进行微分记录，得到俄歇能谱下。 @
（注： e=2.78183 e-1 =0.3678 e-3 =0.04978）
Z
63%
95%
5%
∞
Auger 电子的信息深度
3．Auger信号强度公式
综上所述， 决定俄歇电流强度的因素有：
入射电流强度 电离几率 俄歇跃迁几率 仪器因素 原子浓度 信息深度
IP ‘AX(1+M) PA T&D NA Z
上述计算的各元素的EABC 汇集于图12-4中。 @
2
俄 歇 e 能 量 图
看图须把握的几个要点： 1)取微分谱负峰值 2)能量范围0—2000eV
3)黑点大小对应峰的高 低;
4)X-射线激发与e束激发 能量值一致 5)谱峰简单,整个周期表 中主要峰〈500个， ZNa时 仅一个峰， 因 而定性分析容易。 @
由于Auger e发射涉及三个e能级ABC，对于基态原子，能量 EABC=EA―EB―EC 事实上，原子发射Auger e时处于激发态，此时 EC*EC 计算EABC的经验公式为(Z为原子序数)
半经验公式： 其中F(BC:X)为原子终态X的B、C空穴间的相互作用能； —内驰豫能，发生在原子内部； —外驰豫能，发生在分子或固体中。
XPS和俄歇电子能谱ppt
xps和俄歇电子能谱
xx年xx月xx日
目录
contents
引言xps技术的基本原理aes技术的基本原理xps和aes技术的应用案例xps和aes技术的前景展望
01
引言
1
xps和aes技术的简介
2
3
XPS（X射线光电子能谱）和AES（俄歇电子能谱）是表面科学中常用的两种技术。
XPS用于测量样品表面的元素组成和化学状态，而AES则用于测量表面不同深度层次上的元素组成和化学状态。
太阳能电池
XPS和AES可以用于分析太阳能电池表面的元素组成和化学状态，以优化太阳能电池的性能。
xps和aes技术在新能源领域的应用
锂离子电池
XPS和AES可以用于分析锂离子电池正负极材料的元素组成、化学状态和界面反应，以优化电池性能和寿命。
燃料电池
XPS和AES可以用于分析燃料电池催化剂的元素组成、化学状态和表面反应，以提高燃料电池的效率和稳定性。
俄歇电子能谱的作用S技术的优点包括：高分辨率、高灵敏度、能够提供元素的化学态和电子态信息等。但是，AES技术也存在一些缺点，例如样品制备复杂、测试成本高、测试时间长等。此外，对于某些元素，如氢、氦等，AES技术的检测限较高。
03
aes技术的基本原理
AES（Auger Electron Spectroscopy）是一种表面分析技术，它通过测量俄歇电子的能量分布来推断样品表面的元素组成和化学状态。俄歇电子是高能电子与样品原子或分子相互作用后，从样品中发射出的次级电子。AES技术利用能量分析器测量俄歇电子的能量分布，以获得样品的化学信息。
xps技术在材料表面分析中的应用
03
表面掺杂
AES可以用于改变材料表面的元素组成，如掺杂金属或非金属元素，以改变材料的性质。
俄歇电子AES能谱2013.
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。
3.5 其它附件
目前，一般都配有 SAM 功能，可以对样品
表面进行二维AES成像。
还可在样品室上安装加热、冷却等功能，研 究样品在特殊环境下的状态。
还可根据用户的要求配置EDX等辅助功能。
3.6 俄歇谱仪的分辨率和灵敏度
1.前言
现有很高微区分辨能力的扫描俄歇微探针
（ Scanning Auger Microprobe, SAM ） , 成 为微区分析的有力工具
电子计算机的引入，使能谱仪的功能更趋完
善。目前其已成为许多科学领域和工业应用 中的最重要的表面分析手段之一。
1.前言--AES的特点
表面性（1-2nm） 具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为1-5原
微分法
俄歇电子有很强的背底噪音.
俄歇图谱采用微分后曲线的负峰能量 作为俄歇动能进行标定
微分谱
Fe经轻微氧化的d[EN(E)]/dE谱和dN(E)/dE谱
5. AES分析方法
5.1 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
在原子内某一内层电子电离而形成空位(如K层)， 则该电离原子的去激发可以有两种方式： 一个能量较高态的电子填充该空位，同时发出 特征X射线，即辐射跃迁。 一个较高能量的电子跃迁到空位，同时另一个 电子被激发发射，这是一无辐射跃迁过程，这一 过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger 电子。
电子枪的电子束斑直径，决定着 SAM的空间
分辨率。目前，商品仪器中，最小的电子束 斑直径为<15 nm，最大加速电压为20 keV。
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。
3.5 其它附件
目前，一般都配有 SAM 功能，可以对样品
表面进行二维AES成像。
还可在样品室上安装加热、冷却等功能，研 究样品在特殊环境下的状态。
还可根据用户的要求配置EDX等辅助功能。
3.6 俄歇谱仪的分辨率和灵敏度
1.前言
现有很高微区分辨能力的扫描俄歇微探针
（ Scanning Auger Microprobe, SAM ） , 成 为微区分析的有力工具
电子计算机的引入，使能谱仪的功能更趋完
善。目前其已成为许多科学领域和工业应用 中的最重要的表面分析手段之一。
1.前言--AES的特点
表面性（1-2nm） 具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为1-5原
微分法
俄歇电子有很强的背底噪音.
俄歇图谱采用微分后曲线的负峰能量 作为俄歇动能进行标定
微分谱
Fe经轻微氧化的d[EN(E)]/dE谱和dN(E)/dE谱
5. AES分析方法
5.1 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
在原子内某一内层电子电离而形成空位(如K层)， 则该电离原子的去激发可以有两种方式： 一个能量较高态的电子填充该空位，同时发出 特征X射线，即辐射跃迁。 一个较高能量的电子跃迁到空位，同时另一个 电子被激发发射，这是一无辐射跃迁过程，这一 过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger 电子。
电子枪的电子束斑直径，决定着 SAM的空间
分辨率。目前，商品仪器中，最小的电子束 斑直径为<15 nm，最大加速电压为20 keV。
俄歇电子能谱分析+光电子能谱44页PPT
俄歇电子能谱分析+光电子 能谱
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
Hale Waihona Puke ▪30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
44
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温 42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚 43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊 44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
Hale Waihona Puke ▪30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
44
45、法律的制定是为了保证每一个人 自由发 挥自己 的才能 ，而不 是为了 束缚他 的才能 。—— 罗伯斯 庇尔
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
俄歇电子能谱AES解读ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
4. 俄歇过程中的能量关系： KLL俄歇过程所产生的俄歇电子能量可以用下面
的方程表示：
EKLL (Z)= EK(Z) - EL1(Z) - EL2(Z+) - s
俄歇电子强度不仅与原子多少有关,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
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三、俄歇电子谱分析技术
2、俄歇谱分析技术
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的这五方面特征可获如下表面 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
5. 俄歇电子谱的化学效应：
俄歇能谱中出现的化学效应有如下三种:
化学位移 峰形状的变化 峰的低能侧的形状变化
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,所以AES并不象 XPS那样多地用于化学环境信息而是大量用于定量 组分分析
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
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：。
表面分析技术
的方法区分光电子线和俄歇线。
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表面分析技术
X射线光电子能谱仪和样品制备
XPS仪由X射线激发源、样品台、电子能量分 析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。
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表面分析技术
X射线光电子能谱仪
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表面分析技术
❖ X射线源 ➢ 在目前的商品仪器中，
一般采用Al/Mg双阳极X 射线源。常用的激发源 有Mg K X射线，光子 能量为1253.6 eV和Al K X射线，光子能量为 1486.6 eV。
X标样的同 Ixstd，则：
一俄
歇
峰
，
俄
歇
电
子
信
号
强度分
别
为
Ix和
Cx ＝Ix / Ixstd
多元素标样法：用多元素标样（各元素浓度均已知）代
替纯元素标样，标样的元素种类及含量与样品相近。
设Cxstd为标样中元素X的原子分数，则：
Cx ＝Cxstd Ix / Ixstd
因需提供大量标样，所以，实际分析中标准样品法应用
§ AES技术适用于对所有元素进行一次全分析，对未知 样品的定性鉴定非常有效。
§ 通常采用俄歇谱的微分谱的负峰来进行定性鉴定。 § 在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰进行佐
证。 § 由于相近原子序数元素激发出的俄歇电子的动能有较
大差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
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表面分析技术
• XPS是重要的表面分析技术之一，是 由瑞典Kai M. Siegbahn教授领导的研究 小组创立的，并于1954年研制出世界上 第一台光电子能谱仪，1981 年，研制出 高分辨率电子能谱仪。他在1981年获得 了诺贝尔物理学奖。
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表面分析技术
X射线光电子能谱仪和样品制备
XPS仪由X射线激发源、样品台、电子能量分 析器、检测器系统、超高真空系统等部分组成。
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表面分析技术
X射线光电子能谱仪
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表面分析技术
❖ X射线源 ➢ 在目前的商品仪器中，
一般采用Al/Mg双阳极X 射线源。常用的激发源 有Mg K X射线，光子 能量为1253.6 eV和Al K X射线，光子能量为 1486.6 eV。
X标样的同 Ixstd，则：
一俄
歇
峰
，
俄
歇
电
子
信
号
强度分
别
为
Ix和
Cx ＝Ix / Ixstd
多元素标样法：用多元素标样（各元素浓度均已知）代
替纯元素标样，标样的元素种类及含量与样品相近。
设Cxstd为标样中元素X的原子分数，则：
Cx ＝Cxstd Ix / Ixstd
因需提供大量标样，所以，实际分析中标准样品法应用
§ AES技术适用于对所有元素进行一次全分析，对未知 样品的定性鉴定非常有效。
§ 通常采用俄歇谱的微分谱的负峰来进行定性鉴定。 § 在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰进行佐
证。 § 由于相近原子序数元素激发出的俄歇电子的动能有较
大差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。
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表面分析技术
• XPS是重要的表面分析技术之一，是 由瑞典Kai M. Siegbahn教授领导的研究 小组创立的，并于1954年研制出世界上 第一台光电子能谱仪，1981 年，研制出 高分辨率电子能谱仪。他在1981年获得 了诺贝尔物理学奖。
现代分析测试技术俄歇电子谱
•负峰尖锐，正峰较小
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现代分析测试技术俄歇电子谱
俄歇化学效应
n 俄歇电子涉及到三个原子轨道能级； n 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
道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一 些微小的差异。 n 这种轨道结合能上的微小差异可以导致俄歇电子能量的变化， 这种变化就称作元素的俄歇化学位移，它取决于元素在样品 中所处的化学环境。 n 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 和存在形式。在表面科学和材料科学的研究中具有广阔的应 用前景
现代分析测试技术俄歇 电子谱
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2020/11/23
现代分析测试技术俄歇电子谱
电子能谱学的定义
n 定义：利用具有一定能量的粒子（光子、电子、粒子）轰击 特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量分 布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。
n 工作原理：入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品 中原子的特征信息。通过对这些信息的解析，可以获得样品 中原子的各种信息如含量，化学价态等。
所以金属锂可以发生KVV 型的俄歇跃迁。
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现代分析测试技术俄歇电子谱
• 显然，俄歇电子与特征X射线一样，其能量与入射粒子无关 ，而仅仅取决于受激原子核外能级，所以，根据莫塞莱定律， 可以利用此信号所携带的能量特征和信号强度，对试样进行元 素组成的定性定量分析。
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现代分析测试技术俄歇电子谱
n 能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇电子， 发射深度仅限于表面以下大约2 nm以内，约相当于表面几个 原子层，且发射（逸出）深度与俄歇电子的能量以及样品材 料有关。
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现代分析测试技术俄歇电子谱
俄歇化学效应
n 俄歇电子涉及到三个原子轨道能级； n 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
道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一 些微小的差异。 n 这种轨道结合能上的微小差异可以导致俄歇电子能量的变化， 这种变化就称作元素的俄歇化学位移，它取决于元素在样品 中所处的化学环境。 n 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 和存在形式。在表面科学和材料科学的研究中具有广阔的应 用前景
现代分析测试技术俄歇 电子谱
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2020/11/23
现代分析测试技术俄歇电子谱
电子能谱学的定义
n 定义：利用具有一定能量的粒子（光子、电子、粒子）轰击 特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子的能量分 布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。
n 工作原理：入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各 种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品 中原子的特征信息。通过对这些信息的解析，可以获得样品 中原子的各种信息如含量，化学价态等。
所以金属锂可以发生KVV 型的俄歇跃迁。
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现代分析测试技术俄歇电子谱
• 显然，俄歇电子与特征X射线一样，其能量与入射粒子无关 ，而仅仅取决于受激原子核外能级，所以，根据莫塞莱定律， 可以利用此信号所携带的能量特征和信号强度，对试样进行元 素组成的定性定量分析。
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现代分析测试技术俄歇电子谱
n 能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇电子， 发射深度仅限于表面以下大约2 nm以内，约相当于表面几个 原子层，且发射（逸出）深度与俄歇电子的能量以及样品材 料有关。
第六章俄歇电子能谱47页PPT
固体表面清洁程度的测定
在研究工作中，经常需要获得清洁的表面。 一般对于金属样品可以通过加热氧化除去 有机物污染，再通过真空热退火除去氧化 物而得到清洁表面。而最简单的方法则是 离子枪溅射样品表面来除去表面污染物。 样品的表面清洁程度可以用俄歇电子能谱 来实时监测。
固体表面清洁程度的测定
图显示了在磁控溅射制备的铬薄膜表面清洁前 后的俄歇谱。从图上可见，在样品的原始表面 上，除有Cr元素存在外，还有C、O等污染杂 质存在。在经过Ar离子溅射清洁后，其表面的 C杂质峰基本消失。样品表面的C污染并不是在 制备过程中形成的，而是在放置过程中吸附的 大气中的污染。但氧的特征俄歇峰即使在溅射 清洁很长时间后，仍有小峰存在。该结果表明 有少量O存在于制备的Cr薄膜层中。该氧可能 是由靶材的纯度或薄膜样品制备过程中的真空 度较低有关，而不仅仅是表面污染。
C o u n ts [a .u .]
512.0 eV
Pure ZnO
3000 L
30 L
508.6 eV
Energy [eV]
为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析 方法且空间分辨率高？
大多数元素在50~1000eV能量范围内都有产额较高 的俄歇电子，它们的有效激发体积（空间分辨率） 取决于入射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射 深度。
能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面 的俄歇电子，发射深度仅限于表面以下大约2nm 以内，约相当于表面几个原子层，且发射（逸出） 深度与俄歇电子的能量以及样品材料有关。
在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射X射线或 电子束的侧向扩展几乎尚未开始，故其空间分辨 率直接由入射电子束的直径决定。
直接谱与微分谱
直接谱：俄歇电子强度[密 度(电子数)]N(E)对其能量E 的分布[N(E)－E]。
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;
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
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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
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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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，
表示所含元素原子的多少。
俄歇电子从固体表面的发射过程： △ 产生内层电离的原子－电子碰撞电离截面 △ 俄歇跃迁过程－俄歇跃迁几率 △ 俄歇电子从产生处输运到表面，从固体表面
逸出－逸出深度
(1) 电子碰撞电离截面 QA 入射电子与原子相互作用时，内层能级A上产生空位的几率。
设 U = Ep / EA
假设:在俄歇电子逸出深度范围内Ep和Ip保持不变。 所考虑i元素单位体积原子数ni在此区域内为常数。
物理意义：积分号内(Ip ni QW PWXY T dz)是距表面z处， dz深度范围内，处于能量分析器接收角度范围内的俄歇 电子，再乘以e-z/λcosθ就是能量无损地输运到表面的部 分，z/cosθ表示输运距离。
EA、EB、EC分别为A、B、C能级上电子的结 合能，是原子序数为Z的元素的函数，是该种元素 原子所特有的，因此EABC也是该种元素特有的。
修正： EABC = EA(Z) - 1/2[EB(Z) + EB(Z+1)] - 1/2[EC(Z) + EC(Z+1)]
相邻原子序数 该能级的能量
特点： Δ一种原子可能产生几组不
Ep: 入射电子能量 EA：内层能级束缚能
通过理论计算及实验测定，得到如下公式： QA =αEA-2(lnU/U) [Å2]
可见： △ U必须 >1 即Ep > EA △ 曲线有最大值，当 U ≈2.7 时 (Ep为EA的2.7倍) △ 电离截面取决于束缚能
实验数值： 内层束缚能：1keV
入射电子能量：3-5keV
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。
射 出去 (例L1上电子填充K能级空位，同时L3上的电 子发射出去， 称KL1L3俄歇跃迁)。
特点： Δ 第二个电子在弛豫过程中释放的能量，须大于或 至少等于第三个电子的束缚能。 Δ 终态为二重电离状态。 Δ H和He只有一个K壳层，最多只有2个电子，无法 产 生Auger跃迁。
C-K跃迁 (Coster-Kronig跃迁)： 终态空位之一与初态空位处于同一主壳层内
U: 3-4
(2) 俄歇跃迁几率 PR：X射线辐射几率 PA：俄歇电子跃迁几率 PR ＋PA ＝ 1
荧光几率与俄歇几率 (初态在K层)
对于Z≤15，采用K系列荧光几率很小
荧光产额与束缚能 △ 荧光几率随束缚能的增大而增大，而束缚能随 壳层由内向外逐渐减小－－ 依次采用K、L、M系列荧光几率可保持较小数 △ 对于同一壳层上的束缚能随原子序数增加而增加 －－对轻元素分析特别灵敏。
俄歇电子能谱
三种最基本的表面分析方法
名称 俄歇电子能谱
一次束
AES 电子
检测粒子 俄歇电子
特点
EABC＝EA-EB不能分析
X射线光电子能谱 二次离子质谱
XPS X射线
SIMS 离子
光电子
二次离子
Ek＝hν-Eb
m/e
带有化学位移信息 检测灵敏度
表面损伤小 分辨差
选取适合系列，退激发过程可认为仅有俄歇过程。
(3) 俄歇电子逸出深度 俄歇电子的逸出深度在小于或等于其在固体中的平均自由程
时，才能得到有价值的俄歇信息。 N = N0e-z/λ
λ：非弹性散射平均自由程－逸出深度 z：垂直于表面，指向外部
平均逸出深度与俄歇电子能量（对纯元素与元素种类关系不大）
2000eV，
在高能段 λ∝ E0.7 当俄歇电子能量为 0-
逸出深度为3－30Å， 平均逸出深度 10Å。
(4) 背向散射电子激发的俄歇发射 当背向散射电子能量≥EA，亦能使原子激发，
产生俄歇过程。 激发俄歇电子的总电流：
I = (1+r) Ip Ip：入射束流 r：背向散射二次发射系数
背向散射电子的作用，将使俄歇信息强度增加百 分之几， 这一量值随U的增大而增大，随原子序数增加而增加。
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
即 WiWpYq ( p >i ) 超C-K跃迁：
两终态都与初态空位处于同一主壳层内 即WiWpWq( p >i，q>i )
C-K跃迁速度快，△t小，由测不准原理 (△E)(△t) h， Δ E大，带来能量的分散，使谱线展宽。
2. 俄歇电子能量
EABC = EA(Z) - EB(Z) - EC(Z)
（X射线不易聚焦）
ppb 表面损伤 定量困难
共同点：元素种类分析（成分分析、痕量分析）、表面分析
俄歇电子能谱
(Auger Electron Spectroscopy 简称AES)
一、简介 二、基本原理
三、定性及定量分析方法 四、俄歇谱仪介绍 五、主要应用
一般仪器原理示意图
一、简介
当电子束照射到样品表面时，将有带着该样品特征
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，
表示所含元素原子的多少。
俄歇电子从固体表面的发射过程： △ 产生内层电离的原子－电子碰撞电离截面 △ 俄歇跃迁过程－俄歇跃迁几率 △ 俄歇电子从产生处输运到表面，从固体表面
逸出－逸出深度
(1) 电子碰撞电离截面 QA 入射电子与原子相互作用时，内层能级A上产生空位的几率。
设 U = Ep / EA
假设:在俄歇电子逸出深度范围内Ep和Ip保持不变。 所考虑i元素单位体积原子数ni在此区域内为常数。
物理意义：积分号内(Ip ni QW PWXY T dz)是距表面z处， dz深度范围内，处于能量分析器接收角度范围内的俄歇 电子，再乘以e-z/λcosθ就是能量无损地输运到表面的部 分，z/cosθ表示输运距离。
EA、EB、EC分别为A、B、C能级上电子的结 合能，是原子序数为Z的元素的函数，是该种元素 原子所特有的，因此EABC也是该种元素特有的。
修正： EABC = EA(Z) - 1/2[EB(Z) + EB(Z+1)] - 1/2[EC(Z) + EC(Z+1)]
相邻原子序数 该能级的能量
特点： Δ一种原子可能产生几组不
Ep: 入射电子能量 EA：内层能级束缚能
通过理论计算及实验测定，得到如下公式： QA =αEA-2(lnU/U) [Å2]
可见： △ U必须 >1 即Ep > EA △ 曲线有最大值，当 U ≈2.7 时 (Ep为EA的2.7倍) △ 电离截面取决于束缚能
实验数值： 内层束缚能：1keV
入射电子能量：3-5keV
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。
射 出去 (例L1上电子填充K能级空位，同时L3上的电 子发射出去， 称KL1L3俄歇跃迁)。
特点： Δ 第二个电子在弛豫过程中释放的能量，须大于或 至少等于第三个电子的束缚能。 Δ 终态为二重电离状态。 Δ H和He只有一个K壳层，最多只有2个电子，无法 产 生Auger跃迁。
C-K跃迁 (Coster-Kronig跃迁)： 终态空位之一与初态空位处于同一主壳层内
U: 3-4
(2) 俄歇跃迁几率 PR：X射线辐射几率 PA：俄歇电子跃迁几率 PR ＋PA ＝ 1
荧光几率与俄歇几率 (初态在K层)
对于Z≤15，采用K系列荧光几率很小
荧光产额与束缚能 △ 荧光几率随束缚能的增大而增大，而束缚能随 壳层由内向外逐渐减小－－ 依次采用K、L、M系列荧光几率可保持较小数 △ 对于同一壳层上的束缚能随原子序数增加而增加 －－对轻元素分析特别灵敏。
俄歇电子能谱
三种最基本的表面分析方法
名称 俄歇电子能谱
一次束
AES 电子
检测粒子 俄歇电子
特点
EABC＝EA-EB不能分析
X射线光电子能谱 二次离子质谱
XPS X射线
SIMS 离子
光电子
二次离子
Ek＝hν-Eb
m/e
带有化学位移信息 检测灵敏度
表面损伤小 分辨差
选取适合系列，退激发过程可认为仅有俄歇过程。
(3) 俄歇电子逸出深度 俄歇电子的逸出深度在小于或等于其在固体中的平均自由程
时，才能得到有价值的俄歇信息。 N = N0e-z/λ
λ：非弹性散射平均自由程－逸出深度 z：垂直于表面，指向外部
平均逸出深度与俄歇电子能量（对纯元素与元素种类关系不大）
2000eV，
在高能段 λ∝ E0.7 当俄歇电子能量为 0-
逸出深度为3－30Å， 平均逸出深度 10Å。
(4) 背向散射电子激发的俄歇发射 当背向散射电子能量≥EA，亦能使原子激发，
产生俄歇过程。 激发俄歇电子的总电流：
I = (1+r) Ip Ip：入射束流 r：背向散射二次发射系数
背向散射电子的作用，将使俄歇信息强度增加百 分之几， 这一量值随U的增大而增大，随原子序数增加而增加。
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
即 WiWpYq ( p >i ) 超C-K跃迁：
两终态都与初态空位处于同一主壳层内 即WiWpWq( p >i，q>i )
C-K跃迁速度快，△t小，由测不准原理 (△E)(△t) h， Δ E大，带来能量的分散，使谱线展宽。
2. 俄歇电子能量
EABC = EA(Z) - EB(Z) - EC(Z)
（X射线不易聚焦）
ppb 表面损伤 定量困难
共同点：元素种类分析（成分分析、痕量分析）、表面分析
俄歇电子能谱
(Auger Electron Spectroscopy 简称AES)
一、简介 二、基本原理
三、定性及定量分析方法 四、俄歇谱仪介绍 五、主要应用
一般仪器原理示意图
一、简介
当电子束照射到样品表面时，将有带着该样品特征