俄歇電子能譜(AES)

第三章俄歇電子能譜（AES）

本章講授內(nèi)容一、概述二、俄歇效應(yīng)三、Auger電子能譜四、Auger峰能量五、俄歇峰精細(xì)結(jié)構(gòu)六、俄歇信號(hào)強(qiáng)度七、AES定量分析一、概述

俄歇電子能譜(Auger

ElectronSpectroscopy,AES)；亦稱為：

掃描俄歇微探針（ScanningAuger

Microprobe,SAM）

AES分析是以e束（或X-射線束）為激發(fā)源，激發(fā)出樣品表面的Auger電子，分析Auger電子的能量和強(qiáng)度，可獲元素種類(lèi)、含量和分布，以及化學(xué)態(tài)等信息。當(dāng)采用e束激發(fā)源時(shí)，由于e可以聚焦，因而它還具微區(qū)分析功能。

本章介紹基于e束激發(fā)的AES。@AES主要特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

(1)空間分辨率高(e束斑很小)，可以同時(shí)顯示表面形貌像和元素分布像；

(2)深度剖析時(shí)，深度分辨率高；

(3)AES技術(shù)資料豐富；

(4)深度剖析時(shí)，可在連續(xù)濺射過(guò)程中取譜(優(yōu)于XPS)。

缺點(diǎn)：

(1)e束能量高，對(duì)絕熱材料易致?lián)p傷;(2)e束帶電荷，對(duì)絕緣材料有荷電現(xiàn)象，影響分析。@

電子激發(fā)引起的X-射線和俄歇電子發(fā)射

X射線俄歇電子二、俄歇效應(yīng)

ABC

俄歇過(guò)程如圖：當(dāng)原子受外來(lái)高能e轟擊(Ep5EK)時(shí)，內(nèi)殼層e電離，原子內(nèi)層軌道出現(xiàn)空穴而處于激發(fā)態(tài)，電離原子通過(guò)發(fā)射X-ray或發(fā)射Augere去而去激發(fā)。

認(rèn)識(shí)該過(guò)程要把握如下基本要點(diǎn)：

(1)兩個(gè)軌道三個(gè)電子參與

(2)雙空穴終態(tài)

(3)Augere和X射線的發(fā)射機(jī)率互為稍長(zhǎng)，即PA+PX=1(4)Augere命名:

若A—最初空穴能級(jí)，B—填充空穴的e能級(jí)，C—Augere發(fā)射能級(jí)，則該Augere稱為ABCAugere，過(guò)程稱為ABC俄歇躍遷。

例如：KLL、LMM、MNN等俄歇躍遷，發(fā)射：KLL、LMM、MNN等俄歇電子。@三、Auger電子能譜

電子束與樣品作用后產(chǎn)生的粒子和波如下圖:SEMe槍陰極熒光Augere(AES)二次e背散射eX-Ray(EPMA)透射eAAV樣品e槍2TEM衍射eAuger電子峰彈性散射峰二次電子電子產(chǎn)額經(jīng)e能量分析器探測(cè)到的e能譜圖如下圖所示：

要點(diǎn)如下：

(1)入射e能量E1處出現(xiàn)一很尖的,此為入射e與原子彈性碰撞后產(chǎn)生的散射峰，能量保持不變；

(2)在低能端出現(xiàn)一個(gè)十eV的寬峰，此為入射e與原子非彈性碰撞所產(chǎn)生的二次e，這些二次e又鏈?zhǔn)秸T發(fā)出更多的二次級(jí)電子；

(3)二峰之間間有一個(gè)廣闊區(qū)域，但e數(shù)目少,產(chǎn)生原因亦很多，其中包括本節(jié)關(guān)心的Augere峰；(4)將俄歇峰能量段選出并進(jìn)行微分記錄，得到俄歇能譜下。@

Auger電子峰彈性散射峰二次電子

從圖可以看出：

(1)峰位(能量)，由特定元素原子結(jié)構(gòu)確定;(2)元素的峰數(shù)，…………..，(可由量子力學(xué)估計(jì));(3)各峰相對(duì)強(qiáng)度大小也是該元素特征;

以上三條是俄歇能譜定性分析的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)均有手冊(cè)可查。@四、Auger峰能量1．計(jì)算公式

由于Augere發(fā)射涉及三個(gè)e能級(jí)ABC，對(duì)于基態(tài)原子，能量事實(shí)上，原子發(fā)射Augere時(shí)處于激發(fā)態(tài)，此時(shí)EC*EC

計(jì)算EABC的經(jīng)驗(yàn)公式為(Z為原子序數(shù))

半經(jīng)驗(yàn)公式：

其中F(BC:X)為原子終態(tài)X的B、C空穴間的相互作用能；

—內(nèi)馳豫能，發(fā)生在原子內(nèi)部；

—外馳豫能，發(fā)生在分子或固體中。

EABC=EA―EB―EC馳豫能及其對(duì)俄歇e能量的貢獻(xiàn)上述計(jì)算的各元素的EABC

匯集于圖12-4中。@內(nèi)馳豫—原子內(nèi)殼層電離時(shí)，其外殼層向內(nèi)壓縮，增加核與內(nèi)殼層之間的屏蔽作用（即減少核正電荷對(duì)e吸引，使EABC增大）外馳豫—電離原子周?chē)钠渌踊騼r(jià)帶向電離原子提供屏蔽電子，整個(gè)分子或固體中的電荷將進(jìn)行重新分配（其結(jié)果仍是減少核正電荷對(duì)Augere吸引，使EABC增大）2俄歇e能量圖

看圖須把握的幾個(gè)要點(diǎn)：5)譜峰簡(jiǎn)單,整個(gè)周期表中主要峰〈500個(gè)，ZNa時(shí)僅一個(gè)峰，因而定性分析容易。@3)黑點(diǎn)大小對(duì)應(yīng)峰的高低;4)X-射線激發(fā)與e束激發(fā)能量值一致1)取微分譜負(fù)峰值2)能量范圍0—2000eV五、俄歇峰精細(xì)結(jié)構(gòu)

產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)的主要因素是化學(xué)效應(yīng)，終態(tài)效應(yīng)和等離子激元損失。前者對(duì)表面化學(xué)狀態(tài)分析重要，后者對(duì)表面清潔情況反應(yīng)映敏(當(dāng)入射e單色性好，分析器分辨率高時(shí))。1．化學(xué)效應(yīng)由于化學(xué)狀態(tài)變化，核外電荷分布改變影響對(duì)內(nèi)層電子的屏蔽作用，使e的結(jié)合能增加或減少的現(xiàn)象。以In和Si(SiO2)為例：

@

電子束照射產(chǎn)生的硅還原2．等離子激元損失

電子通過(guò)固體時(shí)，激發(fā)導(dǎo)帶e集體振蕩，振蕩頻率針對(duì)它的特征能量稱為等離子激元，此時(shí)電子因激發(fā)等離子體激元而損失相應(yīng)的特征能量(hvb)，基本要點(diǎn)

(1)遭受等離子激元損失的e可進(jìn)一步激發(fā)等離子激元再次損失能量，從而形成一系列能量損失峰。

(2)固體表面振蕩頻率vs<vb，vb為晶體特征體，不易變化，而vs易受表面化學(xué)狀態(tài)而變化，可根據(jù)vs變而判斷表面狀態(tài)。

3．終態(tài)效應(yīng)

僅在X射線激發(fā)，且在高分辨率譜儀下才能觀察到。@六、俄歇信號(hào)強(qiáng)度

討論Augere強(qiáng)度的目的是為了進(jìn)行元素定量分析，影響強(qiáng)度的因素主要為(1)元素電離幾率；(2)Auger躍遷幾率；(3)Auger的逃逸深度。

1．原子內(nèi)能級(jí)的電離幾率(截面)AX

AX定義為入射e與元素A作用時(shí)，從X能級(jí)激發(fā)出Augere的幾率。Ax是入射e能量EP、元素種類(lèi)和原子殼層的函數(shù)。

(1)入射電子本身引起的電離部分

=F(EP，電離能EAX，殼層電子數(shù)…)

對(duì)于A原子X(jué)殼層@(2)背散射電子引起的電離部分若單位強(qiáng)度入射電子產(chǎn)生n個(gè)散射電子，產(chǎn)生的電離部分為

稱為基體散射因子，則令(3)總電離幾率@2．平均自由程和逃逸深度Z

(1)將電子在固體中連續(xù)發(fā)生兩次非彈性碰撞之間所經(jīng)過(guò)的距離的平均值稱為非彈性撞平均自由程，對(duì)于E>200eVa和b是與材料有關(guān)的常數(shù)，一般b=－2.3。對(duì)兩種能量E1和E2的電子，在同一材料中：此時(shí)a被消去。@(2)逃逸深度

若離表面深度Z處Augere數(shù)為N0，到達(dá)表面后，有N個(gè)Augere的特征能量還保持不變，則

式中，為出射角。計(jì)算表明：

(i)當(dāng)Z=cos（稱為逃逸深度），N=36.8%N0，即有63%的Augere來(lái)源于Zcos，

(ii)當(dāng)Z=3cos時(shí)，N=5%N0

，即有95%的Augere來(lái)源于Z3cos，（注：e=2.78183e-1=0.3678e-3=0.04978）63%95%5%∞Auger電子的信息深度Z3．Auger信號(hào)強(qiáng)度公式入射電流強(qiáng)度IP電離幾率‘AX(1+M)

俄歇躍遷幾率PA

儀器因素T&D

原子濃度NA

信息深度Z綜上所述，決定俄歇電流強(qiáng)度的因素有：七、AES定量分析1．標(biāo)樣法從強(qiáng)度公式計(jì)算NA是困難的。

(1)原子濃度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)A元素的原子數(shù)為nA，所有各種元素總數(shù)為，則原子濃度(forA)

(2)標(biāo)樣法(y以純?cè)刈鳂?biāo)樣)

IAs和Ijs別為元素A和j的純?cè)厮@得的Auger強(qiáng)度，標(biāo)樣法優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度相對(duì)高，缺點(diǎn)：標(biāo)樣難獲得

(3)靈敏度因素法

A元素的靈敏度因素定義為

IsAg351為純?cè)谹g在能量351eV處的最強(qiáng)Auger峰的強(qiáng)度，可見(jiàn)SA表示A相對(duì)于Ag元素的靈敏度當(dāng)所有各種元素的靈敏度因子Sj確定后，則

使用相對(duì)靈敏度因子法必須滿足三個(gè)條件：1)基體效應(yīng)相同；2)化學(xué)環(huán)境相同；3)儀器條件相同本法準(zhǔn)確度不高，但簡(jiǎn)便易行。(4)定量分析步驟a.制備清潔的樣品表面b.調(diào)整并固定儀器參數(shù)(與標(biāo)樣或獲得Sj的測(cè)試條件一致)c.記錄AES微分譜，對(duì)未知樣先進(jìn)行定性分析d.從手冊(cè)查出所測(cè)元素的靈敏度因子Sje.代入公式，求得所測(cè)元素的含量

本章重點(diǎn)

1、AES分析的特點(diǎn)

*2、Auger效應(yīng)

產(chǎn)生Auger躍遷的過(guò)程和Augere命名*3、Auger電子能譜的認(rèn)識(shí)

4、決定Auger峰能量的因素

5、Auger峰精細(xì)結(jié)構(gòu)與化學(xué)狀態(tài)分析*6、Auger信號(hào)強(qiáng)度與AES定量分析作業(yè)：

1將圖12-5與12-4對(duì)照分析，畫(huà)出BCuZr的AES微分