表面分析(四)俄歇电子能谱的应用
俄歇电子能谱分析
俄歇电子能谱分析一、俄歇电子能谱分析的概况与X射线光电子能谱（XPS）一样，俄歇电子能谱（AES）也可以分析除氢氦以外的所有元素，现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段。
三十多年的来，俄歇电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
俄歇电子能谱的应用领域已不再局限于传统的金属和合金，而扩展到现代迅猛发展的纳米薄膜技术和微电子技术，并大力推动了这些新兴学科的发展。
目前AES分析技术已发展成为一种最主要的表面分析工具。
在俄歇电子能谱仪的技术方面也取得了巨大的进展。
在真空系统方面已淘汰了会产生油污染的油扩散泵系统，而采用基本无有机物污染的分子泵和离子泵系统，分析室的极限真空也从10-8Pa提高到10-9Pa量级。
在电子束激发源方面，已完全淘汰了钨灯丝，发展到使用六硼化铼灯丝和肖特基场发射电子源，使得电子束的亮度，能量分辨率和空间分辨率都有了大幅度的提高。
现在电子束的最小束斑直径可以达到20nm，使得AES的微区分析能力和图象分辨率都得到了很大的提高。
AES具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层，其采样深度为1〜2nm，比XPS还要浅。
更适合于表面元素定性和定量分析，同样也可以应用于表面元素化学价态的研究。
配合离子束剥离技术，AES还具有很强的深度分析和界面分析能力。
其深度分析的速度比XPS的要快得多，深度分析的深度分辨率也比XPS的深度分析高得多。
常用来进行薄膜材料的深度剖析和界面分析。
此外，AES 还可以用来进行微区分析，且由于电子束束斑非常小，具有很高的空间分别率。
可以进行扫描和微区上进行元素的选点分析，线扫描分析和面分布分析。
因此AES方法在材料、机械、微电子等领域具有广泛应用，尤其是纳米薄膜材料领域。
二、基本原理俄歇电子能谱的原理比较复杂，涉及到原子轨道上三个电子的跃迁过程。
当X射线或电子束激发出原子内层电子后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。
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。
AES表面分析方法
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
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-EC 定量较好
高 缺点
分辨率高 轻元素不能分析
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
（X射线不易聚焦）
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。
当 k小于俄歇峰的半高宽时，略去k3以上项。 得：
一次谐波振幅 ∝ dN(E)/dE
信号 →电子倍增→锁相放大(只放大频率为ω的信号) →dN(E)/dE→外圆筒电位扫描 →dN(E)/dE－E曲线
3.主要参数
俄歇电子能谱
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱分析法的应用
3.5.3.1 定性分析
俄歇电子能谱的定性分析是一种最常规的分析方法 定性分析的任务是根据测得的微分谱上负峰位置识别 元素，方法是与标准谱图对比，工具是有标准谱图的 手册，如PE公司的“俄歇电子谱手册”（L. E. Davis 等编），在这本手册里，有每一种元素的标准谱图及 主要俄歇电子能量图。
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱分析法的应用
3.5.3.3 化学态分析
2、峰形分析也可以用于元素化学价态分析
当俄歇跃迁涉及到价电子能带时，不 仅峰的位置会变化，而且由于新化学 键形成时原子外层电子重排，谱峰的 形状也会变化。
氧化程度不同，不仅使俄歇电子峰 位移了几个电子伏，而且在 40 eV 处还发生了峰的分裂
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱分析法的应用
3.5.3.1 定性分析
一般定性分析步骤如下： 1 、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”， 把对应于此峰的可能元素降低到 2~3种。然后用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。 2、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。 3、重复1和2的过程，去标识更弱的峰。
3.5.3.4 元素深度剖析
从图上可以清晰地看到各元 素在薄膜中的分布情况。 在经过界面反应后，在 PZT 薄膜与硅基底间形成了稳定 的SiO2界面层。这界面层是 通过从样品表面扩散进的氧 与从基底上扩散出的硅反应 而形成的
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。
俄歇电子能谱简介
俄歇电子能谱简介摘要：本文介绍了俄歇电子的产生、表示、俄歇电子的过程和能量、样品制备技术、以及俄歇电子能谱仪的应用。
由此得出俄歇电子能谱仪在材料表面性质研究方面, 有着不可替代的作用。
关键词：俄歇电子；俄歇电子能谱仪；样品制备；应用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。
1.俄歇电子的产生原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或X射线的照射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴（受激）。
当外层电子跃入内层空位时，将释放多余的能量（退激）释放的方式可以是：发射X射线（辐射跃迁退激方式）；发射第三个电子─俄歇电子（俄歇跃迁退激方式）。
如下图：例如，原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子[1]。
在上述跃迁过程中一个电子能量的降低，伴随另一个电子能量的增高，这个跃迁过程就是俄歇效应。
从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参与俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。
同样孤立的锂原子因为最外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。
但是在固体中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发生的俄歇电子。
俄歇电子的动能取决于元素的种类。
2.俄歇电子的表示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。
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
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
Ni-P合金中P的2p XPS谱
P2 O5 中 的 磷
a 清洁表面； b 1barO2、403K氧化1小时
氧吸附对表面B 和Ni的影响
氧化态B于处172eV的 谱线出现并逐渐变强
元素态硼主要在 180eV处有一个强峰
Ni-B合金表面AES谱
1L=1.3×10-4Pa×60s
化学吸附后，带发生了位移
凝聚分子的谱带明显增 宽，并失去精细结构 气体分子有明显 的振动精细结构 横坐标为分子的电离能In 或 光电子动能
En hv I n
苯在Ni(111)上的UPS谱
§1.4
俄歇电子能谱(AES)
•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，并对现象给予了正确的解释。
1.4.1 激发源
电子能谱仪通常采用的激发源有三种：X射线源、真 空紫外灯和电子枪。商品谱仪中将这些激发源组装在 同一个样品室中，成为一个多种功能的综合能谱仪。
电子能谱常用激发源
1.Ｘ射线源
XPS中最常用的X射 线源主要由灯丝、 栅极和阳极靶构成。
要获得高分辨谱图和减少 伴峰的干扰，可以采用射 线单色器来实现。即用球 面弯曲的石英晶体制成， 能够使来自X射线源的光 线产生衍射和“聚焦”， 从而去掉伴线和韧致辐射， 并降低能量宽度，提高谱 仪的分辨率。
定性分析
定性分析就是根据所测得谱的位置和形 状来得到有关样品的组分、化学态、表 面吸附、表面态、表面价电子结构、原 子和分子的化学结构、化学键合情况等 信息。
元素组成鉴别 每种元素都有唯一的一套芯能级,通过测 定谱中不同元素芯光电子峰的结合能可 进行元素组成鉴别要知道样品的表面元 素组成可以通过全谱扫描 ,要鉴别某特 定元素的存在可通过窄区扫描。如下图 ：
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。
第六章俄歇电子能谱
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第六章俄歇电子能谱
微区分析
•图为Si3N4薄膜经850℃快 速热退火处理后表面不同
点的俄歇定性分析图。从
表面定性分析图上可见，
在正常样品区，表面主要
有Si, N以及C和O元素存在。
而在损伤点，表面的C,O含
量很高，而Si, N元素的含
量却比较低。 这结果说明
在损伤区发生了Si3N4薄膜 的分解。
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第六章俄歇电子能谱
俄歇电子能谱的应用举例
n
俄歇电子能谱可以用来研究固体表面的能
带结构、态密度等。俄歇电子能谱还常用来研
究表面的物理化学性质的变化。如表面吸附、
脱附以及表面化学反应。在材料科学领域，俄
歇电子能谱主要应用于材料组分的确定，纯度
的检测，材料特别是薄膜材料的生长。俄歇电
子能谱可以研究表面化学吸附以及表面化学反
n 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。
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第六章俄歇电子能谱
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]。
微分谱：由直接谱微分而 来，是dN(E)/dE对E的分布 [dN(E)/dE－E]。
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第六章俄歇电子能谱
俄歇电子能谱法的应用
n 优点： n 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。 n ②可分析除H、He以外的各种元素。 n ③对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。 n ④可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。
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
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;
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。
俄歇电子能谱分析
杨鹏飞 100904091
2
1.俄歇电子能谱仪基本原理
2.俄歇谱仪（AES）及扫描俄歇探针（SAM） 3.俄歇电子谱 4.俄歇电子能谱技术的应用
1.俄歇电子能谱仪基本原理
（1）基本原理 用一定量的电子束轰击样品，使样品原子的内层电子电离， 产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出进入真空，被收集 和进行分析。 （2）特点 a.分析层薄 b.分析元素广 c.分析区域小 d.有提供元素化学态的能力 e.具有测定深度—成分分布的能力 f.检测的灵敏度高
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
17
（6）样品表面的处理
在表面分析时，由于样品在空气中极易吸附气体分子 （包括元素O、C等），这种现象不可避免。而许多样品在 分析时又需要对氧、碳等元素进行分析，因此需要在分析前 对样品进行离子束溅射，去除污染物。
4.俄歇电子能谱技术的应用
（1）研究金属及合金脆化的本质
2.俄歇谱仪（AES）及扫描俄歇探针 （SAM）
俄歇谱仪包括以下几个部分：
样品台，电子枪，扫描电源，溅射离子枪 分析器及放大器，记录系统。 配备有二次电子及吸收电子检测器以及X射线能谱探头，使 这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能，故称扫描俄歇微 探针。
3.俄歇电子谱
直接谱与微分谱 直接谱即俄歇电子强度 （密度或电子数）N（E） 对其能量E的分布 N（E）—E. 微分谱即 dN（E）/dE－E.
（4）定量分析
根据测得的俄歇电子信号的强度来确定产生俄歇电子的元 素在样品表面的浓度。
分类：标准样品法，相对灵敏度因子法。
a.标准样品法
标准样品法有纯元素标样法和多元素标样法。 纯元素标样法是在相同条件下，测量样品中元素X和纯元 素X标样的同一俄歇峰，俄歇电子信号的强度分别为Lx和 Ixstd，样品中元素X的原子分数为 Cx= Lx/ Ixstd
俄歇电子能谱分析光电子能谱
❖ X射线光电子能谱仪
XPS一般由激发源、样品台、电子能量分析器、 检测系统以及超高真空系统等部分组成。
X射线源
X射线源由灯丝及阳极靶等组成，作用是产生特征X 射线。
因为光电子的动能取决于入射X射线的能量及电子的 结合能，因此，最好用单色X射线源，否则轫致辐射和 X射线的“伴线”均会产生光电子，对光电子谱产生干 扰，造成识谱困难。为此采用X射线单色器。
(12-2)
如果测得俄歇谱中所有存在元素（A, B, C, …N） 的相对灵敏度因子，则A元素的原子百分浓度可由下 式计算：
CA
IA /SA
N
(I j/S j )
j A
(12-3)
❖ 俄歇电子能谱仪的应用
从自由能的观点来看，不同温度和加工条件下材料内 部某些合金元素或杂质元素在自由表面或内界面(例如晶 界)处发生偏析，以及它们对于材料性能的种种影响、早 巳为人们所猜测或预料到了。
超高真空系统
钢在550℃左右回火时的脆性、 难熔金属的晶界脆断、镍基合 金的硫脆、不锈钢的脆化敏感 性、结构合金的应力腐蚀和腐 蚀疲劳等等，都是杂质元素在 晶界偏析引起脆化的典型例子。 引起晶界脆性的元素可能商S、 P、Sb、Sn、As、O、Te、Si、 CI、I等，有时它们的平均含量 很低 ，但在晶界附近的几个原 于层内浓度竞富集到10 ~ 104倍。
俄歇峰的这一现象正好与光电子的情况相反。对 于光电子峰，在以结合能为横坐标的的XPS谱线全图 中，其位置不会因X射线激发源的改变而发生变动。 显然，利用这一点，在区分光电子与俄歇谱线有困 难时，利用换靶的方法就可以区分出光电子峰和俄 歇峰。
X射线伴峰和鬼峰 X射线伴峰产生的原因是：在用于辐射的X射线中，
俄歇能谱的应用
俄歇能谱是一种表面分析技术，利用高能电子束作为激发源，通过分析逃逸电子的能量，可以获得表面元素的定性和定量结果。
其作用深度仅为几个原子层，具有高灵敏度、高分辨率和高分析速度等特点。
俄歇能谱广泛应用于多个领域，如物理、化学、新材料、半导体材料、失效分析等。
结合离子刻蚀技术，俄歇能谱可以方便地获得材料表面沿深度方向的元素分布状态，是表面成分分析的重要手段之一。
此外，俄歇能谱还可以用于分析固体材料表面纳米深度的元素（部分化学态）成分组成，可以对纳米级形貌进行观察和成分表征。
既可以用于分析原材料（粉末颗粒，片材等）均匀表面组成，又可以用于分析材料表面缺陷如污染、腐蚀、掺杂、吸附等。
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微区分析
Si
ACP /％
N
O
0
2
4
6
8
10
Sputtering Time / min
图19 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇深度分析
线扫描分析
在研究工作中，不仅需要了解元素在不同 位置的存在状况，有时还需要了解一些元 素沿某一方向的分布情况，俄歇线扫描分 析能很好地解决这一问题，线扫描分析可 以在微观和宏观的范围内进行（1～6000 微米）。俄歇电子能谱的线扫描分析常应 用于表面扩散研究，界面分析研究等方面。
深度分析
离子的溅射过程非常复杂，不仅会改变样 品表面的成分和形貌，有时还会引起元素 化学价态的变化。此外，溅射产生的表面 粗糙也会大大降低深度剖析的深度分辨率。 一般随着溅射时间的增加，表面粗糙度也 随之增加，使得界面变宽。目前解决该问 题的方法是采用旋转样品的方法，以增加 离子束的均匀性。
深度分析
N元素的含量却比较低。
Kinetic Energy / eV
这结果说明在损伤区发生 图17 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇定性分析谱 了Si3N4薄膜的分解。
微区分析
图18 和19分别是正常区
与损伤点的俄歇深度分析
图。从图上可见，在正常 区，Si3N4薄膜的组成是
Si
非常均匀的，N/Si原子比
ACP /％
微区分析
图17为Si3N4薄膜经
d N (E )/d E / a .u .
850℃快速热退火处理后表
Normal
面不同点的俄歇定性分析
图[14]。从表面定性分析
图上可见， 在正常样品区，
表面主要有Si, N以及C和O
Si
N
Abnormal
元素存在。而在损伤点，
C
O
表面的C,O含量很高，而Si, 0 200 400 600 800 1000
为0.53。而在损伤区，虽 然Si3N4薄膜的i原
子比下降到0.06。N元素
大量损失，该结果表明
O
Si3N4薄膜在热处理过程
0
2
4
6
8
10
中，在某些区域发生了氮
Sputtering Time / min
化硅的脱氮分解反应，并
在样品表面形成结碳。 图18 Si3N4薄膜表面正常点的俄歇深度分析
这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研 究中最常用的方法，也是纳米材料研究的 主要手段。
微区分析
选点分析 俄歇电子能谱由于采用电子束作为激发源，其束斑面积可 以聚焦到非常小。从理论上，俄歇电子能谱选点分析的空 间分别率可以达到束斑面积大小。因此，利用俄歇电子能 谱可以在很微小的区域内进行选点分析，当然也可以在一 个大面积的宏观空间范围内进行选点分析。微区范围内的 选点分析可以通过计算机控制电子束的扫描，在样品表面 的吸收电流像或二次电流像图上锁定待分析点。对于在大 范围内的选点分析，一般采取移动样品的方法，使待分析 区和电子束重叠。这种方法的优点是可以在很大的空间范 围内对样品点进行分析，选点范围取决于样品架的可移动 程度。利用计算机软件选点，可以同时对多点进行表面定 性分析，表面成分分析，化学价态分析和深度分析。这是 一种非常有效的微探针分析方法。
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。
品表面扩散进的氧与从基底 上扩散出的硅反应而形成的
100
Si
80
S iO 2 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 / m in
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。
线扫描分析
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁 移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描分布见图 20。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号 强度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构 大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的 扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的扩散过程是 不一样的。此外，其扩散是单向性，取决于电场 的方向。由于俄歇电子能谱的表面灵敏度很高， 线扫描是研究表面扩散的有效手段。同时对于膜 层较厚的多层膜，也可以通过对截面的线扫描获 得各层间的扩散情况。
深度分析
如图所示Ni-Cu合金在离子溅射 60
过程中的浓度变化。从图上可见，
Concentrion of Ni％ckel /
在样品的表面，Ni的表面原子浓
度为42%。随着溅射时间的增加，
Ni的原子浓度逐渐增加并达到一 40
42 ％
个稳定值。在实际的俄歇深度分
析中，如果采用较短的溅射时间
以及较高的溅射速率，“择优溅
表面分析 俄歇电子能谱的应用
2003.12.23
俄歇电子能谱的信息
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。一般采用Ar离子束进行样 品表面剥离的深度分析方法。该方法是一 种破坏性分析方法，会引起表面晶格的损 伤，择优溅射和表面原子混合等现象。但 当其剥离速度很快时和剥离时间较短时， 以上效应就不太明显，一般可以不用考虑。
射”效应可以大大降低。
20 0
10
20
Sputtering Time / min
Ni-Cu合金的择优溅射效应
深度分析
原子摩尔百分数浓度
图是PZT/Si薄膜界面反应后 的典型的俄歇深度分析图。
横坐标为溅射时间，与溅射
深度有对应关系。纵坐标为
元素的原子百分比。从图上
可以清晰地看到各元素在薄
膜中的分布情况。在经过界 面反应后，在PZT薄膜与硅 基底间形成了稳定的SiO2界 面层。这界面层是通过从样
深度分析
其分析原理是先用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。由于俄歇电子能谱的采样深度较浅，因 此俄歇电子能谱的深度分析比XPS的深度分析具 有更好的深度分辨率。由于离子束与样品表面的 作用时间较长时，样品表面会产生各种效应。为 了获得较好的深度分析结果，应当选用交替式溅 射方式，并尽可能地降低每次溅射间隔的时间。 此外，为了避免离子束溅射的坑效应，离子束/电 子束的直径比应大于100倍以上，这样离子束的 溅射坑效应基本可以不予考虑。