俄歇电子能谱
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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
主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、（样品）分析室、
溅射离子枪和信号处理与记录系统等
5
9
AES应用
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等。
采用俄歇电子能谱可得到的信号种类和知识
13
AES应用---表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是AES分析的一种重要功能。俄歇电子能谱的化学位
移分析在薄膜材料的研究上获得了重要的应用，取得了很好的效果。但是，由于我们很 难找到俄歇化学位移的标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比，这是利 用俄歇电子能谱研究化学价态的不利之处。此外，俄歇电子能谱不仅有化学位移的变化， 还有线形的变化。俄歇电子能谱的线形分析也是进行元素化学价态分析的重要方法。
15
AES应用---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。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。 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
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。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。
16
AES应用的优缺点
优点
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。 ②可分析除H、He以外的各种元素。 ③对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。 ④可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。
溅射离子枪和信号处理与记录系统等
5
9
AES应用
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等。
采用俄歇电子能谱可得到的信号种类和知识
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AES应用---表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是AES分析的一种重要功能。俄歇电子能谱的化学位
移分析在薄膜材料的研究上获得了重要的应用，取得了很好的效果。但是，由于我们很 难找到俄歇化学位移的标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比，这是利 用俄歇电子能谱研究化学价态的不利之处。此外，俄歇电子能谱不仅有化学位移的变化， 还有线形的变化。俄歇电子能谱的线形分析也是进行元素化学价态分析的重要方法。
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AES应用---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。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。 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
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。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。
16
AES应用的优缺点
优点
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。 ②可分析除H、He以外的各种元素。 ③对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。 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
15
100 Si 80 SiO2 界面层
原子摩尔百分数浓度
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
16
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。 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。
18
Ag －Au/Si(111)
计数 / 任意单位
Ag
Au
0
100
200
300
400
500
600
700
距离 / m
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元素的线扫描分布图
19
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。俄歇电子能谱的面分布分 析适合于微型材料和技术的研究，也适合表面扩散 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。
4
积分谱根据能量分辨率的不同设置方式，也有两 种形式，即NE(E)~E和N(E)~E。积分谱的信噪比 优于微分谱，但信背比却低于微分谱。
5
1、表面元素定性鉴定 2、表面元素的半定量分析 3、表面元素的化学价态分析 4、元素沿深度方向的分布分析 5、微区分析 6、选点分析、线扫描分析、元素面分布分析
100 Si 80 SiO2 界面层
原子摩尔百分数浓度
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
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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。 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。
18
Ag －Au/Si(111)
计数 / 任意单位
Ag
Au
0
100
200
300
400
500
600
700
距离 / m
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元素的线扫描分布图
19
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。俄歇电子能谱的面分布分 析适合于微型材料和技术的研究，也适合表面扩散 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。
4
积分谱根据能量分辨率的不同设置方式，也有两 种形式，即NE(E)~E和N(E)~E。积分谱的信噪比 优于微分谱，但信背比却低于微分谱。
5
1、表面元素定性鉴定 2、表面元素的半定量分析 3、表面元素的化学价态分析 4、元素沿深度方向的分布分析 5、微区分析 6、选点分析、线扫描分析、元素面分布分析
俄歇电子能谱
CRC Press, 1995.
俄歇电子能谱
一束电子射到样品表面， 根据表面发射俄歇电子的：
能量 数量 电子束在表面扫描 离子束溅射刻蚀 化学环境差异，峰位置移动，峰形变化，得到化学信息
俄歇电子，发现者Pierre Auger。
1.1925年Auger发现俄歇效应。X-射线作为激发源。
2.1953年，Lander采用电子束激发的Auger电子谱(AES)。
Third letter - location of second hole (initial location of Auger electron)
“prompt” secondary electron
M2 M1
L3 L2 L1
Auger electron
3s
2p3/2 2p1/2 2s
K
1s
KL2L3
The Auger Process A + e- → A*+ + 2e- → A2+ + e-
electron (3000 – 5000 eV)
“Auger Electron”
Kinetic energy of ejected electron is independent of incident electron energy!
Evacuum
2p 2s
KE=(E1s-E2p)-E2p
2p
2p
2s
∆E=E1s-E2p 2s
Step 1:
1s
1s
1s
Electron-impact ionization ejects core electron, leaves core-hole
Step 2:
俄歇电子能谱
一束电子射到样品表面， 根据表面发射俄歇电子的：
能量 数量 电子束在表面扫描 离子束溅射刻蚀 化学环境差异，峰位置移动，峰形变化，得到化学信息
俄歇电子，发现者Pierre Auger。
1.1925年Auger发现俄歇效应。X-射线作为激发源。
2.1953年，Lander采用电子束激发的Auger电子谱(AES)。
Third letter - location of second hole (initial location of Auger electron)
“prompt” secondary electron
M2 M1
L3 L2 L1
Auger electron
3s
2p3/2 2p1/2 2s
K
1s
KL2L3
The Auger Process A + e- → A*+ + 2e- → A2+ + e-
electron (3000 – 5000 eV)
“Auger Electron”
Kinetic energy of ejected electron is independent of incident electron energy!
Evacuum
2p 2s
KE=(E1s-E2p)-E2p
2p
2p
2s
∆E=E1s-E2p 2s
Step 1:
1s
1s
1s
Electron-impact ionization ejects core electron, leaves core-hole
Step 2:
俄歇电子能谱
俄歇电子能谱俄歇电子能谱（RydbergElectronSpectroscopy，RES）是一种测量极离子系统的光谱分析方法，可以将气态离子激发到高能状态，从而测量离子系统中激发光谱的强度和波长。
俄歇电子能谱可以用来测量和研究由多个电子组成的极离子系统的物理性质，是物理化学研究中经常使用的必要技术。
俄歇电子能谱技术是一种光谱分析技术，它可以用来测量极离子系统中激发状态的性质，如激发态的能量、振荡强度以及激发光谱的波长及波长分布。
此外，它还可以用来调查极离子系统中的局域化电子结构。
俄歇电子能谱可以用光学或电离谱的方法来测量极离子系统的光谱，并通过特征的谱线特征来分析信号，从而获取极离子系统的物理性质。
俄歇电子能谱试验常用到的发射管正是由极离子系统组成，在发射管中，离子被激发到极离子状态，然后释放出不同波长和强度的激发态，最终形成发射管中的总体激发光谱。
俄歇电子能谱技术可以用来测量极离子系统中各种物理量，如极离子能级的能量、激发态的密度和电子轨道的结构，以及极离子的结构、物理化学反应以及电子结构的研究。
同时，它也可以用于研究由极离子组成的分子的特性，包括分子结构、动力学研究以及超高真空和室温条件下分子的特性。
俄歇电子能谱技术具有较高的精确度，可以用来测量极离子系统中的激发态的能量和强度、激发态的密度和电子轨道的结构等，因此在科学研究中得到了广泛应用。
例如，在研究分子结构和性质以及电子激发能量的转移过程、分子的活化和物理化学反应等方面，都可以使用俄歇电子能谱技术。
俄歇电子能谱技术一直以来都是物理化学研究领域中重要的分析工具，它可以用来测量极离子系统中激发状态的性质，为物理化学研究和应用提供重要信息和参考，为解决科学问题和技术问题提供重要帮助。
随着科学技术的进步，俄歇电子能谱技术将会得到进一步的改进，并将在更多的研究领域中得到广泛应用。
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
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;
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。 @
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。
俄歇电子能谱分析光电子能谱
除特征X射线外，还有一些光子能量更高的成分。鬼 峰主要是由于靶受到污染而导致。
❖ 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，
❖ 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，
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＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.2.3 俄歇电子命名
俄歇电子的发射牵涉到三个电子的能级，因此，常常将三个 壳层的符号并列来命名俄歇电子
Mg1s1/2
KL 1L1
L 1M 1M 1
L2，3VV
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.2.3 俄歇电子命名
氢原子（1s1)和氦原子(1s2)
只有K层电子，不能产生俄歇电子。
＆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。
3.5.2.1 俄歇电子产率
用几率来衡量两个竞争过程，发射X射线荧光的几率PKX；发射K系 Auger 电子 的几率PKA，则K层X射线荧光产额：
? KX
?
PKX PKX ? PKA
K层Auger 电子几率产额：
? KA=1-? KX
Z ＜19, 俄歇电子产额大于90%； 俄歇电子能谱法更适用于轻元素（ Z＜ 33）的分析
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.2 俄歇电子能谱基本原理
3.5.2.1 俄歇电子发射
X射线/电子束
激发电子
A+* → A+* + h? (荧光X射线) A+* → A2+* + e (Auger 电子) 两个过程竞争； 双电离态；
荧光 X射线
Auger 电子
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱仪
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱分析法的应用
在俄歇电子能谱仪中，一束电子照射到样品表面会得到哪些信息？
? 根据从样品表面发射的俄歇电子能量，可以确定表面存在什 么元素——定性分析
? 根据发射俄歇电子的数量，可以确定元素在表面的含量—— 定量分析（不能准确定量）
孤立的锂原子(1s22s1) 也不可能产生俄歇电子，因为锂原子只有一个 L1电子，
但金属锂可以有ＬiKVV （V表示价带），因为价带中有许多价电
子。
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.2.4 俄歇电子能量
俄歇电子的动能只与牵扯到的电子在物质中所处的能级 及仪器的功函数 ? SP有关，与激发源能量无关。
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.1 概述
? 俄歇电子能谱(Auger Electron Spectroscopy ，简称AES)能提供材 料表面几个原子层的成分及分布信息，基础是法国物理学家 Pierre Auger 于1925年观测到的俄歇电子发射现象。
? 实际上“俄歇电子发射现象”已分别被 Lise Meitner 和Pierre Auger 于十九世纪二十年代独立发现，其中首先由 Meitner 于1923 年在期刊Zeitschrift f?r Physik 对该发现进行了报道，但英语科学 团体依然用俄歇的名字来命名它。
常用的一个经验公式为
? ? E?Z??
?
E?Z
?
E?Z
?
E?Z
?
1 2
E?Z ?1 ? E?Z ? E?Z ?1 ? E?Z
? sp
EZ??? ：原子序数为Z的原子所发射的??? 俄歇电子的能量；
Ez?， Ez? ， Ez? 都代表原子中的电子束缚能； Ez?— Ez? — Ez? 表示? 、? 、? 层的束缚能之差， 是主要的部分；
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.1 概述 3.5.2 俄歇电子能谱基本原理 3.5.2.1 俄歇电子发射 3.5.2.2 俄歇电子产率 3.5.2.3 俄歇电子命名 3.5.2.4 俄歇电子能量 3.5.3 俄歇电子能谱
3.5.4 俄歇电子能谱分析法的应用
3.5.5 俄歇电子能谱的特点和应用领域
?不同的化学环境，会使俄歇峰 位置移动，峰形溅射，逐渐剥离表面，还可以得到元素在深度方 向的分布——元素深度剖析
?电子束可以聚的非常细，偏转、扫描也容易，让一束聚的很细 的电子在样品表面扫描，就可以测得元素在表面上的分布 —— 微区分析
z≥42的元素，用MNN 群较合适。
主要俄歇电子能量图 (红色圆点代 表每个元素的强峰 )并标出每种元
素所产生的俄歇电子能量及其相对 强度
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱
? 常用的俄歇能谱有直接谱和微分谱两种。 ? 直接谱是用俄歇电子强度（电子计数或密度N）对其能量E的分布。
N（E）～E作图，直接谱的信噪比较差。 ? 微分谱是用dN(E)/dE ～E作图，微分峰有正峰和负峰，一般用负峰的峰
值作为定性分析指标，用峰 —峰值表示峰强度，为定量分析指标。微分 谱的信噪比大大提高了，灵敏度好于直接谱。
用能量为1 keV的一次电子束所 激发的纯银样品的电子能谱
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
＆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。
括号的项是较小的修正，代表当 ? 电子不在时? 电子束缚能的增加和? 电子不 在时? 电子束缚能的增加二者的平均值。
各元素的俄歇电子的动能可以从有关手册上查到
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.2.4 俄歇电子能量
通常情况下， z≤14的元素用KLL 群 较合适，
14＜z＜42的元素用 LMM群较合适，
＆3.5 俄歇电子能谱(AES)
3.5.3 俄歇电子能谱分析法的应用 3.5.3.2 半定量分析
? 从样品表面出射的俄歇电子的强度与样品中该原子的浓 度有线性关系，因此可以利用这一特征进行元素的半定 量分析，但AES不是一种很好定量分析方法。