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俄歇电子能谱(AES) 俄歇电子能谱法 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。 俄歇电子能谱(AES) 俄歇过程和俄歇电子能量 俄歇电子产额 俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度,直接关系到元素的定量分析。俄歇电子与荧光X射线是两个互相关联和竞争的发射过程。对同一K层空穴,退激发过程中荧光X射线与俄歇电子的相对发射几率,即荧光产额(?K)和俄歇电子产额( )满足 =1-?K 俄歇分析的选择 通常 对于Z≤14的元素,采用KLL俄歇电子分析; 14Z42的元素,采用LMM俄歇电子较合适; Z42时,以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。 为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且空间分辨率高? 大多数元素在50~1000eV能量范围内都有产额较高的俄歇电子,它们的有效激发体积(空间分辨率)取决于入射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射深度。 能够保持特征能量(没有能量损失)而逸出表面的俄歇电子,发射深度仅限于表面以下大约2nm以内,约相当于表面几个原子层,且发射(逸出)深度与俄歇电子的能量以及样品材料有关。 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。 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]。 化学位移效应 2)当俄歇跃迁涉及到价电子能带时,情况就复杂了,这时俄歇电子位移和原子的化学环境就不存在简单的关系,不仅峰的位置会变化,而且峰的形状也会变化。 3)能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰低能侧的拖尾峰。 由于俄歇电子位移机理比较复杂,涉及到 三个能级,不象X射线光电子能谱那样容易识别和 分析,并且通常使用的俄歇谱仪分辨率较低,这方 面的应用受到了很大的限制。 俄歇电子能谱法的应用 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。 在材料科学研究中的应用 ①材料表面偏析、表面杂质分布、晶界元素分析; ②金属、半导体、复合材料等界面研究; ③薄膜、多层膜生长机理的研究; ④表面的力学性质(如摩擦、磨损、粘着、断裂等)研究; ⑤表面化学过程(如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等)研究; ⑥集成电路掺杂的三维微区分析; ⑦固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。 局限性 ①不能分析氢和氦元素; ②定量分析的准确度不高; ③对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%; ④电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料中的应用; ⑤对样品要求高,表面必须清洁(最好光滑)等。 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。 深度分析 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品表面扩散进的氧与从基底上扩散出的硅反应而形成的 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。 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。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。
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