俄歇電子能譜分析原理及方法

俄歇電子能譜分析原理及方法

俄歇電子能譜分析原理及方法XXXl=J【摘要】近年來，俄歇電子能譜（AES）分析方法發(fā)展迅速，它具有很多的優(yōu)點，比如分析速度快、精度高、需要樣品少等等，也因此在很多研究領(lǐng)域的表面分析中都得到了廣泛的應(yīng)用?？梢圆豢鋸埖恼f，這個技術(shù)為表面物理和化學(xué)定量分析奠定了基礎(chǔ)。本文主要是介紹俄歇電子能譜分析的主要原理及其在科學(xué)研究中的主要應(yīng)用，旨在讓讀者對俄歇電子能譜有一個初步的了解。l=J關(guān)鍵詞：俄歇電子能譜；表面物理；化學(xué)分析。前言近些年來，俄歇電子能譜分析發(fā)展如火如荼，在各個領(lǐng)域都有很搶眼的表現(xiàn)。目前有很多的人在研究，將俄歇電子分析技術(shù)應(yīng)用到電子碰撞以及微納尺度加工等高技術(shù)領(lǐng)域，俄歇電子能譜分析方法表現(xiàn)出強大的生命力，同目前已為很人熟悉和贊賞的強有力的分析儀器電子探針相

比俄歇電子能儀可能有幾個獨到之處：（1）能分析固體表面薄到只有幾分之一原子層內(nèi)的化學(xué)元素組成，這里說的“表面”指的不只是固體的=1自然表面，也指固體內(nèi)顆粒的分界面，（2）俄歇電子譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)中包含有許多化學(xué)信自，借此可以推斷原子的價態(tài)；（3）除氫和氦外所有元素都可以分析,特別是分析輕元素最為有利；（4）利用低能電子衍射裝置和俄歇能譜分析器相結(jié)合的儀器“LEED—Au-ger”裝置），有可能從得到的數(shù)據(jù)資料中分晶體表面的結(jié)構(gòu),推斷原子在材料分析的一個重要工具，近年來發(fā)展很快，研究成果不斷出現(xiàn)于最新的文獻(xiàn)中。本文主要是想要綜合論述俄歇電子能譜的分析方法，以及概述它在各方面的應(yīng)用。[1]晶胞中的位置。因此，俄歇電子能譜儀作為固體=i[1]《俄歇電子能譜儀及其應(yīng)用》許自圖正文

一、俄歇電子能譜分析的原理1.1俄歇電子能譜發(fā)現(xiàn)的歷史=1晶胞中的位置。因此，俄歇電子能譜儀作為固體=iI=J1925年法國科學(xué)家俄歇在威爾遜云室中首次觀察到了俄歇電子的軌跡，并且他正確的解釋了俄歇電子產(chǎn)生的過程，為了紀(jì)念他，就用他的名字命名了這種物理現(xiàn)象。到了1953年，蘭德才從二次電子能量分布曲線中第一次辨識出這種電子的電子譜線，但是由于俄歇電子譜線強度較低，所以當(dāng)時檢測還比較困難。到了1968年，哈里斯應(yīng)用微分法和鎖相放大器，才解決了如何檢測俄歇電子信號的問題，也由此發(fā)展了俄歇電子能譜儀。俄歇電子能譜儀不僅可以作為元素的組分分析儀器，還可以檢測化學(xué)環(huán)境信息。咋很多的領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，比如基礎(chǔ)物理，應(yīng)用表面科學(xué)等等。I=J1.2俄歇效應(yīng)當(dāng)一束具有一定能量的電子束（一次電子）射到固體表面的時候，原子對電子產(chǎn)生了彈性散射和非彈性散射。非彈性散射使得電子和原子之間發(fā)生了能量的轉(zhuǎn)移，發(fā)出X-射線以及二次電子。這個時候如果在固體表面安裝

一個接受電子的探測器，就可以得到反射電子的數(shù)目（強度）按能量分布的電子能譜曲線。茴圖1入射電子在固體中激發(fā)出的二次電子能譜俄歇電子是指外殼層電子填補內(nèi)殼層空茴穴所釋放出來的能量激發(fā)了外殼層的另外一電子，并且使得它脫離原子核，逃逸出固體表面的電子，這個過程被俄歇發(fā)現(xiàn)，所以稱為俄歇電子。

圖3俄歇電子效應(yīng)圖因為不同的元素原子具有它特征的俄歇電子能量，也就是具有特征的俄歇峰，因此可

以用來鑒別元素。i=jl=jl=Jl=J俄歇電子在從固體內(nèi)部逸出進(jìn)入真空之前，遭到表層電子的非彈性碰撞發(fā)生能量損失，所以有一個臨界的深度，在這個深度以下的俄歇電子不能夠逸出固體表面，這個深度用俄歇電子平均自由程來表達(dá)，可以近似的認(rèn)為主要與俄歇電子的能量有關(guān)，與固體材料的性質(zhì)無關(guān)。經(jīng)過科學(xué)家多年的實驗分析擬合，發(fā)現(xiàn)俄歇電子的平均自由程和電子能量有如下的關(guān)系：A=0.44（E廣0.5（入的單位為埃，E的單位為電子伏特），通過這個公式可以估算出不同能量的俄歇電子的逸出深度。所以，俄歇電子成為了表面分析的很有利的工具。[2]圖4俄歇電子平均自由程和能量的關(guān)系l=Jwi=jl=jl=Jl=J圖4俄歇電子平均自由程和能量的關(guān)系l=Jw二、俄歇能譜儀應(yīng)用俄歇效應(yīng)來進(jìn)行研究，需要用到俄歇能譜儀，俄歇能譜儀一般包括以下幾個部分：2.1激發(fā)樣品的電子束源激發(fā)源為同軸電子槍，電子從熱陰極發(fā)出，之后被電場加速，經(jīng)過偏轉(zhuǎn)和聚焦之后打在樣品之上。2.2能量分析器i=j可以將各種不同能量的俄歇電子按能量進(jìn)2.2能量分析器i=j2.3檢測系統(tǒng)包括了俄歇電子的接收，放大和輸出。2.4超高真空系統(tǒng)能譜分析儀器都需要無油超高真空系統(tǒng)。包括冷凝泵、升華泵及離子泵。冷凝泵又稱為吸附泵，主要是利用低溫表面的吸附作用來排除氣體。升華泵主要是利用化學(xué)吸附去除氣體，主要是利用Ti絲加熱后蒸發(fā)，形成Ti膜，這種Ti膜具有很高的化學(xué)活性。它能夠和很多的活性氣體結(jié)合，形成穩(wěn)定的化合物，通過這個方式來達(dá)到抽離空氣的作用。離子泵是一種磁控放電陰極活性材料濺射而達(dá)到抽氣目的的裝置?！抖硇茏V的基本原理及應(yīng)用》任大2.5樣品室金屬樣品通過機(jī)械或者化學(xué)拋光，并且吹干后，可裝入樣品室。樣品室有特制的樣品架，可以放置各種不同樣式的樣品。[3]圖5俄歇能譜儀三、俄歇電子能譜分析的方法及應(yīng)用3.1俄歇能譜的應(yīng)用俄歇電子已經(jīng)成為固體表面元素分析的有力工具，在表面物理化學(xué)、翠花、晶界偏析、電鍍、半導(dǎo)體等等方面都有很廣泛的應(yīng)用。3.1.1測定表面化學(xué)組成任何的表面研究都需要首先對表面的化學(xué)組成有一個清楚的認(rèn)識。俄歇電子能譜給我們提供了這樣一種方法。俄歇電子譜儀可以靈敏的辨別金屬，半導(dǎo)體和絕緣體表層的元素組成。3.1.2元素沿深度方向的分布主要是應(yīng)用于研究各種成分在界面處的變化以及在熱處理過程中不同的深度，組分的變化?！抖硇茏V的基本原理及其應(yīng)用》任大AugerAnalysisofNanoparticles

圖6俄歇電子對深度很敏感3.1.3元素化學(xué)狀態(tài)的分析i=jl=J

w俄歇電子的能量只取決于原子的特性，與入射電子的能量無關(guān)。所以測量俄歇電子的能量分布，就可以確定材料表面的元素分布了。原則上，AES可以鑒定除氫和氮以外的所有元素。例如，已經(jīng)用AES測定了月球表面的樣品，發(fā)現(xiàn)存在Al，Si，S，Cl，K，C，Ca，Ti，O和Fe。i=jl=J

w用AES檢測表面元素組成具有很高的靈敏度。理論上可檢測的面濃度可低至10的10次方個/平方厘米。[4]l=J3.1.4定量分析I三」定量分析的主要目標(biāo)是要求出指定的區(qū)域內(nèi)單位體積中某種元素的原子數(shù)，就是原子密度你n（個/cm2）或者單位體積內(nèi)某種元祖的原子數(shù)占總原子數(shù)的百分比，就是原子濃度C（%）l=JI三」C=n/N（N表示單位體積內(nèi)的所有原子數(shù)目）當(dāng)然，目前計算n和C有很多種方法，比如純元素標(biāo)樣法、相對靈敏因子法及多元素標(biāo)樣法，但是這些方法受到的影響都很多，雖然可以采取一些措施來彌補，但是目前的技術(shù)，影響還

liiJ是相對較大的，不能讓人滿意?，F(xiàn)在的俄歇分析儀器通過計算機(jī)處理之后可以給出樣品中所含元素的原子濃度C。[5]《俄歇電子能譜簡介》趙良仲liiJ《俄歇電子能譜分析方法及其應(yīng)用》王文生天津大學(xué)總結(jié)與展望l=j

wl=j

w俄歇電子能譜儀近年來已經(jīng)在各方各面獲得很廣泛的應(yīng)用，但是分析技術(shù)本身也是在慢慢的不斷發(fā)展與完善的過程中。俄歇電子能譜儀存在的一些問題主要是：①由于入射電子長時間對樣品進(jìn)行轟擊，在樣品的表面造成了吸附現(xiàn)象，原子擴(kuò)散和升溫等等，因此影響了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測量的結(jié)果不能夠真是的反映樣品表面的本來面貌，所以，我們應(yīng)該降低入射電子的強度，提高分析的靈敏度和分析的速度，這是提高分析精度的一種途徑。同時努力提高空間的分析精度和能量的分辨率也是俄歇電子能譜儀發(fā)展的一個方面。②俄歇電子能譜儀只能夠給出定性和半定量的分析，所以提高俄歇電子能譜儀的測量精

1^1度，讓其實現(xiàn)定量分析，是俄歇電子能譜儀研究的另外一個發(fā)展方向，也是擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域的必由之路。③近年來，各種表面分析的儀器發(fā)展迅速，比如俄歇電子譜、掃描電子顯微鏡、光電子譜、二次離子譜等。這些設(shè)備的出現(xiàn)，給表面研究提供了可靠的，強有力的工具，也給表面科學(xué)注入了新的活力。[6