AES俄歇电子能谱实验报告

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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材料分析与表征
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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
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
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俄歇电子能谱（AES）实验报告
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） 。
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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：
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。
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
大通量电子束可引起表面热效应(Heating)，诱导敏感材料的化学变化。电子束亦可诱导 表面吸附质脱附(ESD)。
1. 2. 样品处理及进样 硬件调节 通过调整样品台位置和倾角，使样品表面与电子束成 60°夹角，与离子枪垂直。 待分析室真空度达到 5×10-7Pa 后, 启动电子枪, 通过调节电子枪高压，改变放大倍数， 并在二次电子像或吸收电流像上确定所须分析的点， 并使待分析点处在电子束与离子束 的重叠区。调节电子枪的高压到 2 kV 的校准位置，通过调节样品台与电子枪的距离使 弹性峰的信号最强。然后在把电子枪的高压升到所须的位置。开启 Ar 离子枪，调节 Ar 离子枪中的 Ar 气分压，使分析室的真空度优于 3×10-5 Pa。 3. 仪器参数设置和数据采集 选择深度剖析程序，设置谱仪的采集参数。收集的俄歇能量范围依据元素而定，设 置合适的扫描步长，溅射时间和间隔依据离子枪的溅射速率和薄膜层的厚度而定。 4. 数据处理 依据以上条件录谱， 就可以获得元素沿深度方向的信号强度分布数据， 在 Origin 中 即可作出元素含量随扫描时间分布图，通过计算可以获得各元素浓度的深度分布图。
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。此时有：
EWXY Z EWYX Z EW Z 1 E X Z 1 E X Z 1 EY Z 1 EY Z 2 2
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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
五、实验结果及分析
本次深度剖析样品为纯 Al2O3 薄膜，基底为 Al。Al 和 O 元素含量随扫描时间分布图如图 4 所示：
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图 4. Al2O3 元素含量随溅射时间分布图 由图中可以看出，该样品有着比较好的层状结构，从外到内依次为 Al2O3 层、Al- Al2O3 界面层、基底，由于该图的横坐标是离子溅射时间，若溅射剥离样品表面的速率已知，则可 估算出 Al2O3 层和的 Al- Al2O3 界面层的厚度。 其中 Al2O3 薄膜部分原子比例基本与化学计量比一致，Al ：O = 2 ：3，证明 Al2O3 薄膜 的纯度良好，无成分偏析。 当溅射时间到达 5min 之后， 离子溅射区域开始越过 Al2O3 层进入 Al- Al2O3 界面层。 在界 面层中，O 元素的成分随深度均匀减少，Al 元素的成分随深度均匀增加。发生这种变化的原 因是 Al2O3 中的 O 原子向 Al 基底层中发生了渗透， 而由这种变化的均匀性和对称性可以推测， O 原子是以换位机制向 Al 中扩散的。 当溅射时间到达 10min 之后，离子溅射区域进入 Al 基底层。由溅射时间段大致相等， 可以推测 Al2O3、Al- Al2O3 界面层拥有近似相等的厚度。可以看到即使是在 Al 基底中，也能 检测到 O 元素的存在，其原子浓度大概在 7~8%。由于 AES 分析是在真空环境中进行，这些 O 原子不可能来自空气，故推测 Al 基底本身已经被部分氧化，并且这种氧化进行的十分均
(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。
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真空能级 L3 L2 L1
真空能级 L3 L2 ຫໍສະໝຸດ Baidu1 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。
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。
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
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
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电子源电子枪——两种常用类型：热电离发射和场发射