第19章俄歇电子能谱分析.docx

第 19 章 俄歇电子能谱分析 引言 俄歇电子的发现可以追溯到 1925 年， 1953 年开始研究俄歇电子能谱， 直到 1967 采用了微分方式，才开始出现了商业化的俄歇电子能谱仪，并开展成为一 种研究固体外表成分的分析技术。 由俄歇电子的信号非常弱， 二次电子的背景又 很高，再加上积分谱的俄歇峰又比拟宽，其信号根本被二次电子的背底所掩盖。 因此， 刚开始商业化的俄歇电子能谱仪均采用锁相放大器， 记录微分信号。 该技 术可以大大提高俄歇电子能谱的信背比。 随着电子技术和计算机技术的开展， 现 在的俄歇电子能谱已不再采用锁相模拟微分技术，直接采用计算机采集积分谱， 然后再通过扣背底或数字微分的方法提高俄歇电子能谱的信背比。 扫描俄歇电子 微探针谱仪也开展到可以进行样品外表扫描分析，大大增加了微区分析能力。 与 X 射线光电子能谱〔 XPS〕一样，俄歇电子能谱〔 AES〕也可以分析除 氢氦以外的所有元素。 现已开展成为外表元素定性、 半定量分析、 元素深度分布 分析和微区分析的重要手段。 三十多年的来， 俄歇电子能谱无论在理论上和实验 技术上都已获得了长足的开展。 俄歇电子能谱的应用领域已不再局限于传统的金 属和合金， 而扩展到现代迅猛开展的纳米薄膜技术和微电子技术， 并大力推动了 这些新兴学科的开展。目前 AES 分析技术已开展成为一种最主要的外表分析工 具。 在俄歇电子能谱仪的技术方面也取得了巨大的进展。 在真空系统方面已淘汰 了会产生油污染的油扩散泵系统， 而采用根本无有机物污染的分子泵和离子泵系 统，分析室的极限真空也从 10-8Pa 提高到 10-9Pa 量级。在电子束激发源方面， 已完全淘汰了钨灯丝， 开展到使用六硼化铼灯丝和肖特基场发射电子源， 使得电 子束的亮度， 能量分辨率和空间分辨率都有了大幅度的提高。 现在电子束的最小 束斑直径可以到达 20nm，使得 AES 的微区分析能力和图象分辨率都得到了很大 的提高。 AES 具有很高的外表灵敏度，其检测极限约为 10-3 原子单层，其采样深度 为 1～2nm，比 XPS 还要浅。更适合于外表元素定性和定量分析，同样也可以应 用于外表元素化学价态的研究。配合离子束剥离技术， AES 还具有很强的深度 分析和界面分析能力。 其深度分析的速度比 XPS 的要快得多，深度分析的深度 分辨率也比 XPS 的深度分析高得多。常用来进行薄膜材料的深度剖析和界面分 析。此外， AES 还可以用来进行微区分析，且由于电子束束斑非常小，具有很 高的空间分别率。 可以进行扫描和微区上进行元素的选点分析， 线扫描分析和面 分布分析。因此， AES 方法在材料，机械，微电子等领域具有广泛的应用，尤 其是纳米薄膜材料领域。 19.2 方法原理 俄歇电子能谱的原理比拟复杂， 涉及到原子轨道上三个电子的跃迁过程。 当 X 射线或电子束激发出原子内层电子后， 在原子的内层轨道上产生一个空穴， 形 成了激发态正离子。 在这激发态离子的退激发过程中， 外层轨道的电子可以向该 空穴跃迁并释放出能量， 而这种释放出的能量又激发了同一轨道层或更外层轨道 的电子被电离， 并逃离样品外表， 这种出射电子就是俄歇电子。 其俄歇跃迁过程 可图解为图。 俄歇电子 从 K 到 L 填充 K L M 出射电子 轰击电子 aaa 图俄歇电子的跃迁过程 俄歇过程产生的俄歇电子峰可以用它激发过程中涉及的三个电子轨道符号 来标记，如图俄歇过程激发的俄歇峰可被标记为 KLL 跃迁。从俄歇电子能谱的 理论可知， 俄歇电子的动能只与元素激发过程中涉及的原子轨道的能量及谱仪的 功函有关，而与激发源的种类和能量无关。 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)= E K(Z) - EL1(Z) - EL2(Z+ ) - s 〔〕 式中 EKLL (Z) -- 原子序数为 Z 的原子的 KLL 跃迁过程的俄歇电子的动能 , eV； EK(Z) -- 内层 K 轨道能级的电离能 , eV； EL1(Z) -- 外层 L1 轨道能级的电离能 ,eV； EL2(Z+ ) --