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
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EY' Z EY Z EY Z 1 EY Z EWXY EW Z E X Z EY Z EY Z 1 EY Z
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材料分析与表征 2. 电子能量分析器
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常用于 AES 的分析器有两种类型：柱镜分析器(CMA)和会聚半球球面分析器(CHA)。 CMA 较 CHA 具有较大的传输率。传输率定义为发射的与检测到的俄歇电子之比。由于 俄歇峰通常比光电发射峰宽，因而并不需要高分辨分析器(CHA)，需要好的(角)收集效率。独 立的俄歇能谱仪常用的是柱镜分析器(Cylindrical Mirror Analyzer)。 柱镜分析器： 3. 分单通和双通(高分辨) 大接收角 通常包含集成电子枪 通过改变内外柱上的电位来进行扫描 无到固定能量的减速所以分析器分辨率随电子动能而变。 采集模式
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图 2. 俄歇概率、荧光概率与原子序数关系
2．俄歇效应定性与半定量分析
俄歇谱仪是根据俄歇电子 的能量来识别元素的，利用俄歇 电子的能量可以定性判断元素 的种类。也就是说，俄歇电子的 能量带有元素本身的信息。所以， 准确知道俄歇电子的能量很重 要。实用上，俄歇电子能量可以 准确查到， 无需进行计算。 例如： Perkin－Elmer 公司的俄歇手册 上，对于每一种元素，有一张俄 歇图谱，表标明了主要俄歇峰的 能量。而随着应用软件和实验设备的发展，对元素种类的解析不需额外查找，实验结束后便 可由计算机给出。以下是对俄歇电子能量进行理论上的推导： 考虑孤立原子，假设原子序数为 Z，跃迁为 WiXpYq，则有如下公式成立：
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组别：A 姓名：张朔枫 学号：2016211435 实验时间：2016 年 12 月 9 日
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一、实验目的
1．了解俄歇电子能谱（AES）的原理、仪器构造及其测试方法； 2．比较 AES 与 XPS 分析方法，了解二者各自的优势和不足； 3．利用 AES 检测分析 Al2O3 薄膜样品表面的元素种类以及元素沿深度的分布情况（深 度剖析） 。
跃迁 WiXpYq 同跃迁为 WiYpXq 是同一种俄歇跃迁，无法分辨。则： WiXpYq：
EWXY EW Z E X Z EY Z EY Z 1 EY Z
EWYX EW Z EY Z E X Z ' E X Z 1 E X Z
WiYpXq：
因为 EWXY（Z）＝EWYX（Z） ，作为一种半经验近似，可以取上述两式的平均值作为俄歇 电子的能量，并且取β＝β’＝1 EW Z 1 E X Z 1 E X Z 1 EY Z 1 EY Z 2 2
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真空能级 L3 L2 L1
真空能级 L3 L2 L1 L3 L2 L1
K 内层空位产生 俄歇过程发生
图 1. 俄歇效应示意图
K 终态
K
作为一个三态过程，俄歇效应通常用 WiXpYq 表示。Wi 表示初始空位所在的能级，Xp 表 示填充初始空位的电子的来源能级， Yq 表示被发射出去的电子所在的能级。 通常俄歇过程要 求电离空穴与填充空穴的电子不在同一个主壳层内，即 W≠X。若 W=X≠Y，称为 C-K 跃迁 (Coster-Kronig 跃迁)，(p>i)，如 L1L2M；若 W=X=Y，称为超 C-K 跃迁(p>i，q>i)，如 N5N6N6。 在实际应用俄歇效应进行分析表征时，存在如下两个问题： 首先，俄歇效应将在原子中产生两个电子空位，两个空位之间的角动量耦合，就是两个 各有一个空位的壳层之间的角动量耦合， 与两个电子之间的角动量耦合情况相同。 对于原子 序数高的原子， 为 j－j 耦合； 对于原子序数低的原子， 为 L－S 耦合； 对于中间序数的原子， 为中间耦合。相应的，不同原子序数的原子，以 KLL 谱线为例，就可能出现 6 种、5 种和 9 种终态的情况。在实用的俄歇谱仪中 ，具有空态的电离原子是用电子束轰击产生的。一次 电子束的能量 Ep 通常为 3 keV～10 keV。 用来分析的俄歇电子的能量一般在 0～2000 eV 左右。 一般说来，对于原子序数低的原子，用 KLL 线；中等时用 LMM 线，高序数用 MNN 线，更 高的用 NOO 线。 其次， 在原子受到电子束激发后， 俄歇过程与发射荧光 X 射线是具有竞争关系的两个过 程，两个过程的发生概率满足 PA +PX = 1（PA 表示俄歇跃迁概率，PX 表示荧光概率） 。对于不 同元素，俄歇跃迁概率随原子序数的变化规律可由图 2 给出。由图可知，当元素的原子序数 小于 19 时（即轻元素）, 俄歇跃迁概率（PA）在 90%以上。直到原子序数增加到 33 时，荧 光概率才与俄歇跃迁概率相等。
由于设备材料的逸出功已知，所以可以很容易的知道俄歇电子的能量。
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三、实验仪器
1．俄歇谱仪
主要由安装在超高真空室中的电子源（枪） 、电子能量分析器、电子检测器以及用于控 制谱仪和数据处理的数据系统等组成。
图 3. 俄歇谱仪结构
1.
电子源电子枪——两种常用类型：热电离发射和场发射
AES 有四种操作模式： 4. 点分析(Point analysis) 线扫描(Line scan) 面绘图(Mapping) 深度剖析(Profiling) 检测限与灵敏度
与 XPS 相类似(俄歇电子动能与 XPS 光电子动能有相同的数量级)。 检测限 0.1~1%原子单层，信息探测深度：< 5 nm。 5. 静电荷电效应
这种估算结果和实际测量的结果很接近。 对于固体材料， 如果不考虑涉及价带的俄歇过程， 则俄歇电子还要克服逸出功才能发射 出去。因此，俄歇电子的能量为：
EWXY Z EWYX Z 1 1 EW Z E X Z 1 E X Z EY Z 1 EY Z s 2 2
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2. 样品制备注意事项
• • • • • 分析样品范围：固体、液体（需预处理） 半导体材料（注意荷电效应） 洁净样品（样品表面绝对禁止未戴手套用手拿） 挥发性样品、表面污染样品及带有微弱磁性的样品等必须预处理 样品尺寸：肉眼可见
四、实验过程
1．俄歇效应
俄歇效应是一个三能级过程，与 XPS 的不同之处在于 XPS 使用软 X 射线，AES 使用电子 束。如图 1 所示的 KL1L3 俄歇跃迁：K 上有 1 个空位（外加能量束激发产生） ，L1 上的 1 个电 子填充此空位，同时 L3 上的 1 个电子脱离原子发射出去。发射出去的就是俄歇电子，其能 量仅由相关能级决定。
φs 是材料的逸出功。另外，由于从样品中发射出去的俄歇电子，到达分析仪器后才能 分析。由于两者之间存在着接触电位差，俄歇电子的能量还要损失：φa-φs。所以，最终俄 歇电子的能量为：
EWXY Z EWYX Z 1 1 EW Z E X Z 1 E X Z EY Z 1 EY Z a 2 2
(i) 热电离发射是基于在高温下金属中电子能量的玻耳兹曼分布，小部分电子具有足够 能量克服功函数而逸出。典型的热灯丝材料包括：W, W(Ir)或 LaB6—低功函数 (ii) 场发射枪(FEG)：使用大电场梯度通过隧道效应发射电子，发射材料做成尖点形状以 达到最好的电子通量和束径。 在此两种类型中都使用静电透镜来操纵电子束-吸出，校准，聚焦和扫描(偏转板)。经典 的 W 灯丝可达到 1μm 的最小束径。LaB6 和 FEG 可得到 20 nm 直径的最小束斑，但束能必 须达到 20~30 keV。
AES 由于采用电子枪作激发源，绝缘样品表面会产生一定的负电荷积累，这就是俄歇电 子能谱中的荷电效应。如果荷电效应严重，一般不适宜做 AES 分析。除非样品经特殊制备， 消除了荷电效应。如样品减薄(<1μm)、嵌入导电材料、Window、UV 光持续照射等。 6. 辐射损伤