光電子能譜基礎(chǔ)和俄歇電子能譜

第六講光電子能譜基礎(chǔ)和俄歇電子能譜前言電子能譜學(xué)概論電子能譜學(xué)的范疇電子能譜學(xué)（ElectronEnergySpectroscopy）是最近三十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性學(xué)科。它是研究原子，分子和固體材料的有力工具。

電子能譜學(xué)的定義電子能譜學(xué)可以定義為利用具有一定能量的粒子（光子，電子，粒子）轟擊特定的樣品，研究從樣品中釋放出來(lái)的電子或離子的能量分布和空間分布，從而了解樣品的基本特征的方法。入射粒子與樣品中的原子發(fā)生相互作用，經(jīng)歷各種能量轉(zhuǎn)遞的物理效應(yīng)，最后釋放出的電子和粒子具有樣品中原子的特征信息。通過(guò)對(duì)這些信息的解析，可以獲得樣品中原子的各種信息如含量，化學(xué)價(jià)態(tài)等。電子能譜學(xué)的物理基礎(chǔ)

電子能譜學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)是物理學(xué)。電子能譜學(xué)的基本原理均來(lái)源于物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)和重要的物理效應(yīng)。如：光電子能譜的建立的基礎(chǔ)是Einstain的光電效應(yīng)，俄歇電子能譜的基礎(chǔ)是俄歇電子的發(fā)現(xiàn)。由此可見(jiàn)，物理學(xué)是電子能譜學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)，但電子能譜學(xué)的應(yīng)用不僅僅局限于物理學(xué)，在化學(xué)，材料以及電子等學(xué)科方面具有重要的應(yīng)用前景。電子能譜學(xué)與其它學(xué)科的關(guān)系

現(xiàn)代電子能譜學(xué)已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的，完整的學(xué)科。但電子能譜學(xué)也同樣是與多種學(xué)科交叉和融合的?？偟膩?lái)說(shuō)，電子能譜學(xué)融合了物理學(xué)，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)以及化學(xué)。它是這些學(xué)科發(fā)展的交叉點(diǎn)，涉及到固體物理，真空電子學(xué)，物理化學(xué)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。電子能譜學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)（1）

電子能譜學(xué)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)是物理學(xué)。物理理論和效應(yīng)的發(fā)展和建立是電子能譜學(xué)的理論基礎(chǔ)。如愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論，實(shí)際上就是光電子能譜的基本理論。在該理論中指明了光子能量與發(fā)射電子能量的關(guān)系。此外，由于由樣品表面發(fā)射的電子或離子的信號(hào)非常微弱，一般在10－11A的量級(jí)，因此，沒(méi)有前置放大技術(shù)，根本不可能獲得譜圖。此外，分析器的能量分辨率，直接關(guān)系到電子能譜的應(yīng)用，必須具有足夠的分辨率，才能在表面分析上應(yīng)用。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了電子能譜學(xué)的發(fā)展。電子能譜學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)（2）真空技術(shù)的發(fā)展是電子能譜學(xué)發(fā)展的重要前提。由于粒子可以和氣體分子發(fā)生碰撞，從而損失能量。沒(méi)有超高真空技術(shù)的發(fā)展，各種粒子很難到達(dá)固體樣品表面，從固體表面發(fā)射出的電子或離子也不能到達(dá)檢測(cè)器，從而難以獲得電子能譜的信息。此外，電子能譜的信息主要來(lái)源于樣品表面，沒(méi)有超高真空技術(shù)，獲得穩(wěn)定的清潔表面是非常困難的。一個(gè)清潔表面暴露在1.33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在樣品表面吸附一個(gè)原子層。沒(méi)有超高真空，就沒(méi)有清潔表面，也就不能發(fā)展電子能譜技術(shù)。電子能譜學(xué)的研究?jī)?nèi)容(1)電子能譜學(xué)的研究?jī)?nèi)容（2）下表是不同表面分析技術(shù)的特點(diǎn)，從中可以認(rèn)識(shí)到，電子能譜在表面分析中所占據(jù)的決定地位。下圖為X射線激發(fā)俄歇電子產(chǎn)生過(guò)程。在光子激發(fā)原子產(chǎn)生光電子后，其原子變成激發(fā)態(tài)離子。與電子束激發(fā)俄歇譜相比，XAES具有能量分辨率高，信背比高，樣品破壞性小及定量精度高等優(yōu)點(diǎn)。但電子能譜學(xué)也同樣是與多種學(xué)科交叉和融合的。利用離子束的濺射效應(yīng)可以獲得元素沿深度的化學(xué)成份分布信息。33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在樣品表面吸附一個(gè)原子層。電子能譜學(xué)與表面分析的關(guān)系但電子能譜學(xué)也同樣是與多種學(xué)科交叉和融合的。電子能譜學(xué)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)是物理學(xué)。但電子能譜學(xué)也同樣是與多種學(xué)科交叉和融合的。如愛(ài)因斯坦的光電效應(yīng)理論，實(shí)際上就是光電子能譜的基本理論。電子能譜學(xué)的研究?jī)?nèi)容（2）電子能譜學(xué)的基本原理均來(lái)源于物理學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)和重要的物理效應(yīng)。同樣可以通過(guò)俄歇化學(xué)位移來(lái)研究其化學(xué)價(jià)態(tài)。電子能譜學(xué)與表面分析的關(guān)系電子能譜學(xué)與表面分析有著不可分割的關(guān)系。電子能譜學(xué)中的主要技術(shù)均具有非常靈敏的表面性，是表面分析的主要工具。而表面分析在微電子器件，催化劑，材料保護(hù)，表面改性以及功能薄膜材料等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。這些領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了表面分析技術(shù)的發(fā)展，同樣也就促進(jìn)了電子能譜學(xué)的發(fā)展。電子能譜學(xué)的特點(diǎn)是其表面性以及價(jià)態(tài)關(guān)系，這決定了電子能譜在表面分析中的地位。下表是不同表面分析技術(shù)的特點(diǎn)，從中可以認(rèn)識(shí)到，電子能譜在表面分析中所占據(jù)的決定地位。電子能譜學(xué)與表面分析的關(guān)系電子能譜學(xué)的應(yīng)用

電子能譜學(xué)的應(yīng)用主要在表面分析和價(jià)態(tài)分析方面?？梢越o出表面的化學(xué)組成，原子排列，電子狀態(tài)等信息。對(duì)于XPS和AES還可以對(duì)表面元素做出一次全部定性和定量分析，還可以利用其化學(xué)位移效應(yīng)進(jìn)行元素價(jià)態(tài)分析；利用離子束的濺射效應(yīng)可以獲得元素沿深度的化學(xué)成份分布信息。此外，利用其高空間分別率，還可以進(jìn)行微區(qū)選點(diǎn)分析，線分布掃描分析以及元素的面分布分析。這些技術(shù)使得電子能譜學(xué)在材料科學(xué)，物理學(xué)，化學(xué)，半導(dǎo)體以及環(huán)境等方面具有廣泛的應(yīng)用。電子能譜的發(fā)展趨勢(shì)

電子能譜的總體發(fā)展趨勢(shì)是向高空間分辨，高能量分辨，圖像分析方面發(fā)展。目前，最先進(jìn)的XPS其空間分辨率可達(dá)到10微米，最先進(jìn)的俄歇電子能譜其空間分辨率可達(dá)到20nm。此外，隨著納米技術(shù)與薄膜技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其深度分辨能率也越來(lái)越高。

俄歇電子能譜AES(AugerelectronSpectrocopy)

光子作用下：

K層電離；

L層補(bǔ)充躍遷；能量使另一層L電子激發(fā)成AuE。

即雙級(jí)電離過(guò)程：

A*+=A2++e-。

X射線激發(fā)俄歇線在光子激發(fā)原子產(chǎn)生光電子后，其原子變成激發(fā)態(tài)離子。該激發(fā)態(tài)離子是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生退激發(fā)。在多種退激發(fā)途徑中，最常見(jiàn)的退激發(fā)過(guò)程就是產(chǎn)生俄歇電子躍遷的過(guò)程，因此X射線激發(fā)俄歇譜是光電子譜的必然伴峰。其原理與電子束激發(fā)的俄歇譜相同，僅是激發(fā)源不同。X射線激發(fā)俄歇線X射線激發(fā)俄歇線與電子束激發(fā)俄歇譜相比，XAES具有能量分辨率高，信背比高，樣品破壞性小及定量精度高等優(yōu)點(diǎn)。同XPS一樣，XAES的俄歇?jiǎng)幽芤才c元素所處的化學(xué)環(huán)境有密切關(guān)系。同樣可以通過(guò)俄歇化學(xué)位移來(lái)研究其化學(xué)價(jià)態(tài)。由于俄歇過(guò)程涉及到三電子過(guò)程，其化學(xué)位移往往比XPS的要大得多。這對(duì)于元素的化學(xué)狀態(tài)鑒別非常有效。對(duì)于有些元素，XPS的化學(xué)位移非常小，不能用來(lái)研究化學(xué)狀態(tài)的變化。不僅可以用俄歇化學(xué)位移來(lái)研究元素的化學(xué)狀態(tài)，其線形也可以用來(lái)進(jìn)行化學(xué)狀態(tài)的鑒別。X射線激發(fā)俄歇線下圖為X射線激發(fā)俄歇電子產(chǎn)生過(guò)程。從圖可見(jiàn)，雖然過(guò)程比XPS要復(fù)雜，但同樣激發(fā)產(chǎn)生的是電子，其能量也僅與原子種類(lèi)和激發(fā)軌道有關(guān)。如：光電子能譜的建立的基礎(chǔ)是Einstain的光電效應(yīng)，俄歇電子能譜的基礎(chǔ)是俄歇電子的發(fā)現(xiàn)。它是研究原子，分子和固體材料的有力工具。在該理論中指明了光子能量與發(fā)射電子能量的關(guān)系。第六講光電子能譜基礎(chǔ)和俄歇電子能譜總的來(lái)說(shuō)，電子能譜學(xué)融合了物理學(xué)，電子學(xué)，計(jì)算機(jī)以及化學(xué)。如：光電子能譜的建立的基礎(chǔ)是Einstain的光電效應(yīng)，俄歇電子能譜的基礎(chǔ)是俄歇電子的發(fā)現(xiàn)。微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大大促進(jìn)了電子能譜學(xué)的發(fā)展。電子能譜學(xué)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)是物理學(xué)。利用離子束的濺射效應(yīng)可以獲得元素沿深度的化學(xué)成份分布信息。在多種退激發(fā)途徑中，最常見(jiàn)的退激發(fā)過(guò)程就是產(chǎn)生俄歇電子躍遷的過(guò)程，因此X射線激發(fā)俄歇譜是光電子譜的必然伴峰。電子能譜學(xué)的研究?jī)?nèi)容（2）電子能譜學(xué)發(fā)展的最重要的基礎(chǔ)是物理學(xué)。與XPS相比，優(yōu)點(diǎn)如下：該激發(fā)態(tài)離子是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生退激發(fā)。同樣可以通過(guò)俄歇化學(xué)位移來(lái)研究其化學(xué)價(jià)態(tài)。X射線激發(fā)俄歇線X射線激發(fā)俄歇線X射線激發(fā)俄歇線X射線激發(fā)俄歇線AES特點(diǎn)：1受價(jià)態(tài)影響；2受結(jié)合態(tài)影響；3受表面勢(shì)壘影響。與XPS相比，優(yōu)點(diǎn)如下：1可用電子激發(fā)，并形成聚焦（XPS只能用X、UV）；2可掃描得到AuE象，直觀反映表面；3電子束流可調(diào)小，使空間分辨率提高。六AES的應(yīng)用：1元素定性2定量分析3元素價(jià)態(tài)、結(jié)合態(tài)的研究?，F(xiàn)代電子能譜學(xué)已經(jīng)發(fā)展為一門(mén)獨(dú)立的，完整的學(xué)科。由于俄歇過(guò)程涉及到三電子過(guò)程，其化學(xué)位移往往比XPS的要大得多。利用離子束的濺射效應(yīng)可以獲得元素沿深度的化學(xué)成份分布信息。電子能譜的總體發(fā)展趨勢(shì)是向高空間分辨，高能量分辨，圖像分析方面發(fā)展。電子能譜學(xué)與表面分析的關(guān)系1可用電子激發(fā)，并形成聚焦（XPS只能用X、UV）；它是這些學(xué)科發(fā)展的交叉點(diǎn)，涉及到固體物理，真空電子學(xué)，物理化學(xué)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。它是這些學(xué)科發(fā)展的交叉點(diǎn)，涉及到固體物理，真空電子學(xué)，物理化學(xué)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。在該理論中指明了光子能量與發(fā)射電子能量的關(guān)系。它是這些學(xué)科發(fā)展的交叉點(diǎn)，涉及到固體物理，真空電子學(xué)，物理化學(xué)，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)等。利用離子束的濺射效應(yīng)可以獲得元素沿深度的化學(xué)成份分布信息。下圖為X射線激發(fā)俄歇電子產(chǎn)生過(guò)程。與XPS相比，優(yōu)點(diǎn)如下：33×10－4Pa的真空中1秒，就可以在樣品表面吸附一個(gè)原子層。電子能譜學(xué)可以定義為利用具有一定能量的粒子（光子，電子，粒子）轟擊特定的樣品，研究從樣品中釋放出來(lái)的電子或離子的能量分布和空間分布，從而了解樣品的基本特征的方法。精品課件！在該理論中指明了光子能量與發(fā)射電子能量的關(guān)系。對(duì)于有些元素，XPS的化學(xué)位移非常小，不能用來(lái)研究化學(xué)狀態(tài)的變化。但電子能譜學(xué)也同樣是與多種學(xué)科交叉和融合的。2可掃描得到AuE象，直觀反映表面；它是研究原子，分子和固體材料的有力工具。由于俄歇過(guò)程涉及到三電子過(guò)程，其化學(xué)位移往往比XPS的要大得多。由此可見(jiàn)，物理學(xué)是電子能譜學(xué)的發(fā)展基礎(chǔ)，但電子能譜學(xué)的應(yīng)用不僅僅局限于物理學(xué)，在化學(xué)，材料以及電子等學(xué)科方面具有重要的應(yīng)用前景。其原理與電子束激發(fā)的俄歇譜相同，僅是激發(fā)源不同。電子能譜的總體發(fā)展趨勢(shì)是向高空間分辨，高能量分辨，圖像分析方面發(fā)展。由于俄歇過(guò)程涉及到三電子過(guò)程，其化學(xué)位移往往比XPS的要大得多。此外，分析器的能量