俄歇电子能谱仪的工作原理及特点
俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种广泛使用的分析方法而显露头角。这种方法的优点是：在
靠近表面5—20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；
能探测周期表上He以后的全部元素。虽然初俄歇电子能谱单纯作为
一种讨论手段，但现在它已成为常规分析手段了。它可以用于很多
领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。
俄歇效应虽然是在1925年时发觉的，但真正使俄歇能谱仪获得应用
却是在1968年以后。
工作原理：
当一个具有充足能量的入射电子使原子内层电离时，该空
穴立刻就被另一电子通过L1→K跃迁所填充。这个跃迁多余的能量EK—EL1如使L2能级上的电子产生跃迁，这个电子就从该原子发射
出去称为俄歇电子。这个俄歇电子的能量约等于EK—EL1—EL2、这
种发射过程称为KL1L2跃迁。另外仿佛的还会有KL1L1、LM1M2、
MN1N1等等。从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参
加俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。同样孤立的
锂原子由于外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。但是在固体
中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发生
的俄歇电子。
产品特点：
1、俄歇电子的能量是靶物质所特有的，与入射电子束的能量无关。右图是一些重要的俄歇电子能量。可见对于Z=3—14的元素，突出的俄歇效应是由KLL跃迁形成的，对Z=14—40的元素是LMM跃迁，对Z=40—79的元素是MNN跃迁。大多数元素和一些化合物的俄歇电子能量可以从手册中查到。
2、俄歇电子只能从20埃以内的表层深度中逃逸出来，因而带有表层物质的信息，即对表面成份特别敏感。正因如此，俄歇电子特别适用于作表面化学成份分析。
标签:能谱仪
测试方法缩写、基本原理、仪器的结构 （一）X射线衍射分析XRD （1）基本原理：x射线的波长和晶体内部原子面之间的间距相近，晶体可以作为X射线的空间衍射光栅，即一束X射线照射到物体上时，受到物体中原子的散射，每个原子都产生散射波，这些波互相干涉，结果就产生衍射。衍射波叠加的结果使射线的强度在某些方向上加强，在其他方向上减弱。分析衍射结果，便可获得晶体结构。 X射线衍射仪是利用衍射原理，精确测定物质的晶体结构，织构及应力，精确的进行物相分析，定性分析，定量分析。 （2）仪器结构：X射线衍射仪主要由X射线机、测角仪、探测器和自动记录显示系统等四部分组成。 1）X射线机的作用是产生X射线，为衍射分析提供X射线源。 2）测角仪是衍射仪的核心，是一个精密的圆盘状机械部件。其作用是支承试样、探测器和光路狭缝系统，使试样与探测器相关地转动并给出它们的角度位置。 3）探测器的作用是探测X射线并将接收到的X光子转变为电脉冲。 4）记录显示系统包括前置放大器、主放大器、波高分析器、计数率仪、定标器、定时器、模数转换器、记录仪、绘图仪、监视器、打印机、计算机等。其作用是将探测器测得的X射线衍射强度和测角仪测得的衍射角度记录下来，形成一张X射线衍射图。 （二）透射电子显微镜TEM （1）基本原理：是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大倍数的电子光学仪器。 （2）结构：电子光学系统（照明系统、图像观察和记录系统）、真空系统、供电系统 1）真空系统：需要真空的原因：高速电子与气体分子相互作用导致电子散射，引起炫光和减低像衬度。电子枪会发生电离和放电，使电子束不稳定；参与气体会腐蚀灯丝，缩短其寿命。2）供电系统：供电系统主要提供两部分电源：一是电子枪加速电子用的小电流高压电源；二是透镜激磁用的大电流低压电源。 3）样品台——透射电镜的主要部件：样品台的作用是承载样品，并使样品能作平移、倾斜、旋转。 4）消像散器——透射电镜主要部件：消像散器可以是机械式的，可以是电磁式的。 机械式的是在电磁透镜的磁场周围放置几块位置可以调节的导磁体，用它们来吸引一部分磁场，把固有的椭圆形磁场校正成接近旋转对称的磁场。 电磁式的是通过电磁极间的吸引和排斥来校正椭圆形磁场。 5）光阑——透射电镜主要部件 TEM有三个主要的光阑：第二聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。 第二聚光镜光阑： 位置：在双聚光镜系统中，安装在第二聚光镜下方的焦点位置；作用：限制照明孔径角 物镜光阑：（又称衬度光阑）位置：它通常被放在物镜的后焦面上 作用：①减小物镜孔径角，从而减小像差；②提高像衬度；③进行暗场成像。 选区光阑：位置：放置在物镜的像平面位置；作用：对样品进行微区电子衍射分析。
XRD X 射线衍射 TEM 透射电镜—ED 电子衍射 SEM 扫描电子显微镜—EPMA 电子探针（EDS 能谱仪 WPS 波谱仪） XPS X 射线光电子能谱分析 AES 原子发射光谱或俄歇电子能谱 IR —FT —IR 傅里叶变换红外光谱 RAMAN 拉曼光谱 DTA 差热分析法 DSC 差示扫描 量热法 TG 热重分析 STM 扫描隧道显微镜 AFM 原子力显微镜 测微观形貌：TEM 、SEM 、EPMA 、STM 、AFM 化学元素分析：EPMA 、XPS 、AES （原子和俄歇） 物质结构：远程结构（XRD 、ED ）、近程结构（RAMAN 、IR ）分子结构：RAMAN 官能团：IR 表面结构：AES （俄歇）、XPS 、STM 、AFM X 射线的产生：高速运动着额电子突然受阻时，随着电子能量的消失和转化，就会产生X 射 线。产生条件：1.产生并发射自由电子；2.在真空中迫使电子朝一定方向加速运动，以获得 尽可能高的速度；3.在高速电子流的运动路线上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电 子突然受阻而停止下来。 X 射线荧光：入射的X 射线光量子的能量足够大将原子内层电子击出，外层电子向内层跃迁， 辐射出波长严格一定的X 射线 俄歇电子产生：原子K 层电子被击出，L 层电子如L2电子像K 层跃迁能量差不是以产生一 个K 系X 射线光量子的形式释放，而是被临近的电子所吸收，使这个电子受激发而成为自由 电子，即俄歇电子 14种布拉菲格子特征：立方晶系（等轴）a=b=c α=β=γ=90°；正方晶系（四方）a=b ≠c α=β=γ=90°；斜方晶系（正交）a ≠b ≠c α=β=γ=90°；菱方晶系（三方）a=b=c α=β=γ≠90°；六方晶系a=b ≠c α=β=90°γ=120°；单斜晶系a ≠b ≠c α=β=90°≠ γ；三斜晶系a ≠b ≠c α≠β≠γ≠90° 布拉格方程的推导 含义：线照射晶体时，只有相邻面网之间散 射的X 射线光程差为波长的整数倍时，才能 产生干涉加强，形成衍射线，反之不能形成 衍射线。λθn d hkl =sin 2 讨论 1.当λ一定，d 相同的晶面，必然在θ相 同的情况下才能获得反射。 2.当λ一定，d 减小，θ就要增大，这说 明间距小的晶面，其掠过角必须是较大的，否则它们的反射线无法加强，在考察多晶体衍射 时，这点由为重要。 3.在任何可观测的衍射角下，产生衍射的条件为：d 2≤λ，但波长过短导致衍射角过 小，使衍射现象难以观测，常用X 射线的波长范围是0.25~0.05nm 。 4.波长一定时，只有2/λ≥d 的晶面才能发生衍射—衍射的极限条件。 X 射线衍射方法：1.劳埃法，采用连续的X 射线照射不动的单晶体，用垂直入射的平板底片 记录衍射得到的劳埃斑点，多用于单晶取向测定及晶体对称性研究。2.转晶法：采用单色X 射线照射转动的单晶体，并用一张以旋转轴为轴的圆筒形底片来记录，特点是入射线波长不 变，靠旋转单晶体以连续改变个晶体与入射X 射线的θ角来满足布拉格方程。转晶法可以确 定晶体在旋转轴方向的点阵周期，确定晶体结构。3.粉末法，采用单色X 射线照射多晶试样， 利用多晶试样中各个微晶不同取向来改变θ角来满足布拉格方程。用于测定晶体结构，进行 物相定性、定量分析，精确测量警惕的点阵参数以及材料的应力、织构、晶粒大小。 谢乐公式：30.890.89cos cos N d L λ βθθ==说明了衍射线宽度与晶块在反射晶面法线方向上尺度
1.扫描电子显微镜的成像原理： 与透射电镜完全不同，它不用电磁透镜放大成像。 而是以类似电视摄影显像的方式。 利用细聚焦高能电子束在样品表面扫描时激发出来的各种物理信号来调制成像的。 扫描电子显微镜的特点： ①高分辨率：普通钨灯丝扫描电镜其二次电子像的分辨率达3～4nm；而场发射扫描电镜可达1～2nm。 ②高放大倍数：10倍～50万连续可调，原位放大。 ③高景深：适合于粗糙表面及断口形貌的显微分析。 ④多功能：可与其它分析仪器相组合，能在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。 2电子束与固体样品作用 高能入射电子束轰击固体样品，与样品物质中的原子核、核外电子相互作用，而发生散射和吸收。 原子对电子散射：也分弹性散射与非弹性散射。 1)、弹性散射：入射电子与原子核的相互作用。 2). 非弹性散射： 入射电子与原子中核外电子作用。 入射电子能量传给原子而发生变化，并引起原子结构变化，产生各种电子激发或辐射。 3)吸收：入射电子在固体中散射比X 射线强得多，固体对电子的“吸收”强烈。 吸收表现：随着激发次数增多，入射电子动能逐渐减小，引起强度衰减，直到耗尽，最终被固体吸收（束缚）。 电子束与固体样品作用时产生的信号 1)．背散射电子： 指被固体样品中原子核反弹回的一部分入射电子。 含弹性的和非弹性的 ①弹性背散射电子：指被样品物质中原子核反弹回来，散射角>90o的部分入射电子，其能量基本无损失，只改变方向。 特点：能量高，能达数千～数万电子伏。 ②非弹性背散射电子：入射电子和核外电子相互作用，不仅方向改变、能量有不同程度损失，经多次散射后仍能回表面（散射角> 90o ）的电子。 背散射电子特点： 能量：从数十eV～数千eV很宽。 数量：弹性的远比非弹性的所占份额多。 来源：样品表层几百nm深度。 产额：随原子序数Z增大而增多。 2)．二次电子： 指被入射电子击出，并离开样品表面的样品物质核外电子。 二次电子特点： ①大多（90％）是来自样品原子外层的价电子。 ②能量较低(<50eV) ，大多只有几个eV。 一个能量很高的入射电子射入样品，可产生许多二次电子， ③从表层5～10nm深度内发射的，对样品表面形貌十分敏感，因此，能有效地显示样品的表面形貌。
俄歇电子能谱分析 一、俄歇电子能谱分析的概况 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，现已发展成为表面元素定性、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发展。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，而扩展到现代迅猛发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发展。目前AES分析技术已发展成为一种最主要的表面分析工具。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，而采用基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，发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达到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具有很高的表面灵敏度，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。更适合于表面元素定性和定量分析，同样也可以应用于表面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应用，尤其是纳米薄膜材料领域。 二、基本原理 俄歇电子能谱的原理比较复杂，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，并逃离样品表面，这种出射电子就是俄歇电子。其俄歇跃迁过程
第8章表面分析和表面性能的检测 现代科学技术的迅速发展为表面分析和检测提供了有力的手段，电测技术、超高真空技术、计算机技术以及表面（或薄膜）制备等一系列先进技术的迅速发展，各种显微镜和分析谱仪不断的出现和完善，为表面研究提供了良好的实验条件，可精确地直接获取各种表面信息，有条件地从电子、原子、分子水平去认识表面现象。在工程技术上各种表面检测对保证产品质量，分析产品失效原因是必要和重要的。 本章首先简要介绍表面分析的类别、特点和功能，然后介绍一些重要的表面分析技术，最后用实例说明以上内容。 8.1 表面分析 8.1.1概述 表面分析与表征研究，包括对各种表面形貌、表面层显微组织、表面层的晶体结构、表面层的化学成分与成分分布、表面原子态与表面电子态等的分析。这些分析对表面工程的设计、制造、研究和使用都是极为重要的。 表面分析测试是以获得固体表面(包括薄膜、涂层)成分、组织、结构及表面电子态等信息为目的的试验技术和方法。基于电磁辐射和运动粒子束(或场)与物质相互作用的各种性质而建立起来的各种分析方法构成了现代表面分析方法的主要部分，大致可分为衍射分析、电子显微分析、扫描探针分析、电子能谱分析、光谱分析及离子质谱分析等几类。由陆家和、陈长彦编著的《表而分析技术》一书中整理的常用表面分析方法名称及用途列于表8-1。 表8-1 常用表面分析方法名称及用途
8.1.2表面分析分类 表面分析依据表面性能的特征和所要获取的表面信息的类别可分为：表面形貌分析、表面成分分析、表面结构分析、表面电子态分析和表面原子态分析等几方面。同一分析目的可能有几种方法可采用，而各种分析方法又具有自己的特性(长处和不足)。因此，必须根据被测样品的要求来正确选择分析方法。如有需要甚至需采用几种方法对同一样品进行分析，然后综合各种分析方法所测得的结果，作出最终结论。 1．表面形貌分析 材料及表面层形貌分析，主要由各种微细物相放大成像的显微镜来完成。利用各种不同原理而构成的各类显微镜，具有不同的分辨率，适应各种不同要求的用途。随着显微技术的发展，目前一些显微镜，如高分辨率电子显微镜(HRTEM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)和场离子显微镜等(FIM)，已达到原子分辨能力，可直接在显微镜下观察到表面原子的排列。这样不但能获得表面形貌的信息，而且可进行真实晶格的分析。 表8-2为目前使用的显微镜及其特点和功能。 表8-2 目前使用的显微镜及其特点和功能
俄歇电子能谱仪的工作原理及特点 俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种广泛使用的分析方法而显露头角。这种方法的优点是：在 靠近表面5—20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快； 能探测周期表上He以后的全部元素。虽然初俄歇电子能谱单纯作为 一种讨论手段，但现在它已成为常规分析手段了。它可以用于很多 领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。 俄歇效应虽然是在1925年时发觉的，但真正使俄歇能谱仪获得应用 却是在1968年以后。 工作原理： 当一个具有充足能量的入射电子使原子内层电离时，该空 穴立刻就被另一电子通过L1→K跃迁所填充。这个跃迁多余的能量EK—EL1如使L2能级上的电子产生跃迁，这个电子就从该原子发射 出去称为俄歇电子。这个俄歇电子的能量约等于EK—EL1—EL2、这 种发射过程称为KL1L2跃迁。另外仿佛的还会有KL1L1、LM1M2、 MN1N1等等。从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参 加俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。同样孤立的 锂原子由于外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。但是在固体 中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发生 的俄歇电子。 产品特点：
1、俄歇电子的能量是靶物质所特有的，与入射电子束的能量无关。右图是一些重要的俄歇电子能量。可见对于Z=3—14的元素，突出的俄歇效应是由KLL跃迁形成的，对Z=14—40的元素是LMM跃迁，对Z=40—79的元素是MNN跃迁。大多数元素和一些化合物的俄歇电子能量可以从手册中查到。 2、俄歇电子只能从20埃以内的表层深度中逃逸出来，因而带有表层物质的信息，即对表面成份特别敏感。正因如此，俄歇电子特别适用于作表面化学成份分析。 标签:能谱仪
波谱分析和能谱分析之间的对比 https://www.doczj.com/doc/5419318824.html,2010年01月28日来源：说仪网 在电子探针或扫描电子显微镜中进行微区分析可以采用两种方法：波谱分析或能谱分析。波谱分析发展较早，但近年来没有太大的进展；能谱分析虽然只有将近20 年的历史，但发展迅速，成为微区分析的主要手段。以下为两种方法的比较。 （a）通常的能谱仪探测器采用8μm 厚的铍窗口，由于它对入射X 射线的吸收无法探测到超轻元素的特征X 射线，元素探测范围为Na （11）到U（92）。而波谱仪的探测范围为B （5）到U（92）。 虽然能谱仪过去也曾采用过超薄窗口（UTW）或无窗探测器扩大元素探测范围，但由于种种原因实际上无法推广。近年来出现了一种单窗口轻元素探测器，可以探测B（5）到U （92）之间的元素，甚至还可探测Be。 （b）波谱仪的瞬间接收范围约为5eV ，即在同一瞬间只能接收某一极窄的波长范围内的X 射线信号。因此采集一个全谱往往需要几十分钟。在此期间要求整个系统的工作条件（加速电压、束流等）有较高的稳定度。因此波谱分析不能用于束流不稳定的系统（如冷场发射电子枪的系统）中。 能谱仪在瞬间可以接收全部有效范围内的X 射线信号，亦即在一短时间内（例如1 秒）可接收成千上百个各种能量的X 射线光子。由于其随机性，所以对整个系统的稳定度无严格要求，而且采集一个谱通常只需1～2min 。 （c）波谱仪的几何收集效率（接收信号的立体角）较低（<0.2%），而且随X 射线的波长变化。量子效率（进入谱仪和被计数的X 射线之比）也较低（< 30 %）。为了增加接收到的信号强度，不得不加大束流，束斑也随之加大，因此当扫描电子显微镜观察高分辨图像时，或透射电镜中由于薄膜样品的X 射线信号强度太低，均无法进行波谱分析。
材料分析技术知识点例题精析练习题(含答案) 第一章节知识点 1.名词解释： 晶面指数 用于表示一组晶面的方向，量出待定晶体在三个晶轴的截距并用点阵周期a,b,c度量它们，取三个截距的倒数，把它们简化为最简的整数h,k,l，就构成了该晶面的晶面指数。 晶向指数 表示某一晶向（线）的方向。 干涉面 为了简化布拉格公式而引入的反射面称为干涉面。 2下面是某立方晶系物质的几个晶面，试将它们的面间距从大到小按次序重新排列：（123），（100），（200），（311），（121），（111），（210），（220），（130），（030），（221），（110）。 排序后： （100）（110）（111）（200）（210）（121）（220）（221）（030）（130）（311）（123） 3当波长为λ的x射线照射到晶体并出现衍射线时，相邻两个（hkl）反射线的波程差是多少？相邻两个（hkl）反射线的波程差又上多少？ 相邻两个（hkl）晶面的波程差为nλ，相邻两个（HKL）晶面的波程差为λ。 4原子散射因数的物理意义是什么？某元素的原子散射因数与其原子序数有何关系？ 原子散射因数f是以一个电子散射波的振幅为度量单位的一个原子散射波的振幅。它表示一个原子在某一方向上散射波的振幅是一个电子在相同条件下散射波振幅的f倍。它反应了原子将X射线向某一方向散射时的散射效率。 关系：z越大，f越大。因此，重原子对X射线散射的能力比轻原子要强。 第二章节知识点 1、名词解释： （1）物相 在体系内部物理性质和化学性质完全均匀的一部分称为“相”。在这里，更明白的表述是：成分和结构完全相同的部分才称为同一个相。 （2）K系辐射 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。当K电子被打出K层时，原
透射电子显微镜（TEM） 原理：由电子枪发射出来的电子束，在真空通道中沿着镜体光轴穿越聚光镜，通过聚光镜将之会聚成一束尖细、明亮而又均匀的光斑，照射在样品室内的样品上；透过样品后的电子束携带有样品内部的结构信息，样品内致密处透过的电子量少，稀疏处透过的电子量多；经过物镜的会聚调焦和初级放大后，电子束进入下级的中间透镜和投影镜进行综合放大成像，最终被放大了的电子影像投射在观察室内的荧光屏板上；荧光屏将电子影像转化为可见光影像以供使用者观察。 应用：分析样品内部结构信息 信号：透射电子 构造：照明系统、成像系统、记录系统、真空系统和电器系统。 选区电子衍射：通过在物镜像平面上插入选区光栏实现，其作用如同在样品所在平面内插入一虚光栏，使虚光栏孔以外的照明电子束被挡掉，当电镜在成像模式时，中间镜的物品面与像镜的物平面重合，插入选区光栏便可选择感兴趣的区域。 样品制备 要求：对电子束透明，厚度控制在100~200nm；样品具有代表性，能反应材料的真实特征。 方法：复型、电解双喷、离子薄化 成像操作 明成像：选用直射电子成像；暗成像：选用散射电子成像。 像衬度：图像上，不同区域间明暗程度的差别，投射电镜的来源于样品对入射电子束的散射。 质厚衬度：非晶样品透射电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在的原子序数或厚度的差异而形成的，其本质上是一种散射吸收衬度。 透射电镜衍射衬度：由样品底表面不同部位的衍射束强度存在差异造成。 扫描电子显微镜（SEM） 原理：光栅扫描，逐点成像。利用细聚焦电子束在样品表面逐行扫描，每一物像点都会激发出带有样品表面形貌信息的信号（如二次电子等），经过收集放大转换成电讯号，得到反映试样表面形貌的二次电子像。 应用：样品表面形貌分析,比如，样品端口形貌。 信号：二次电子 像衬原理 ?像的衬度就是像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化。 ?SEM可以通过样品上方的电子检测器检测到具有不同能量的信号电子有背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子等。?扫描电镜像的衬度来源有三个方面：a)由试样本身性质（表面凸凹不平、成分差别、位向差异表面电位分布）；b)信号本身性质（二次电子、背散射电子、吸收电子）；c)对信号的人工处理 二次电子像衬度及特点 二次电子：在单电子激发过程中，被入射电子轰击出来的核外电子。 二次电子像的衬度分类 （1)形貌衬度；(2)成分衬度；(3)电压衬度；(4)核电衬度 二次电子像衬度的特点： 立体感强；最小衬度。 背散射电子：是被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子 背散射电子形貌衬度特点（与二次电子形貌像的区别） 由于在较大的作用体积内激发出，分辨率远比二次电子低； 试描述韧窝断口、解理断口和沿晶断口的特点及其断口形貌衬度图像特点 a.韧窝短口：在拉伸试验时发生。断裂前有明显的塑性变形，断裂后断口上有许多韧 窝（微孔坑），断口宏观形貌为纤维状。韧窝短口是韧性穿晶断裂。 图像特点：韧窝周边形成塑性变形程度较大的突起撕裂棱，故韧窝边缘类似尖棱，亮度
第九章：材料表面分析技术（俄歇电子能谱分析、X射线光电子能谱分析） 1、俄歇电子能谱仪（AES） 俄歇电子能谱仪的基本原理：用一定量的电子轰击样品，使样品原子的内层电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出来进入真空，被收集和进行分析。由于俄歇电子具有特征能量，其特征能量主要是由原子的种类确定，因此测试俄歇电子能量，就可以进行定性分析，确定原子种类，即样品中存在的元素；在一定条件下，根据俄歇电子信号的强度，可以确定元素含量，进行定量分析；再根据俄歇电子能量峰的位移和形状的变化，获得样品表面化学态的信息。 特点：（1）分析层薄，能提供样品表面0~3nm区域薄层的成分信息。（2）分析元素广，可以分析除H和He以外的所有元素。（3）分析区域小，可用于材料中小于等于区域内的成分变化的分析。（4）有提供元素化学态的能力。（5）具有测定深度—成分分布的能力。（6）定量检测灵敏度高w（0.1—1.0）%【w，质量分数】 为什么不能检测H和He？ 答：俄歇电子是由原子各壳层电子的跃迁产生的，内层电子向外层电子传递多余的能量并使其作为俄歇电子发射出来，由于H和He只有一层电子，不能产生俄歇电子，所以俄歇电子能谱仪无法检测H和He。 俄歇电子的激发源：电子束作为激发源。 相对灵敏度因子法：相对灵敏度因子法是将各元素产生的俄歇电子信号均换算成Ag当量来进行比较计算。（Sx=Ix/Iag即为元素X的相对灵敏度因子，表示元素X产生俄歇电子信号与纯Ag产生的相当程度。 元素X原子分数的计算公式：Cx=Ix/Sx/∑Ii/Si，（P140，可能是这个计算题） 成分深度分析：成分深度分析主要分析样品的元素及含量随深度的变化，一般采用能量为500eV—5KeV的惰性气体氩离子测射逐层剥离样品，并用俄歇电子能谱仪对样品原味进行分析。 俄歇电子能谱技术的应用：俄歇电子能谱仪主要是研究固体表面及各种化学的变化，通过成分分布的规律来研究和解释许多与表面吸附及偏聚的物理现象，从而来改变和控制元素在表面的分布，达到改善材料性能的目的。（1.研究金属及合金脆化的本质 2.了解微合金化元素的分布特性3.复合材料界面成分分析4.物相鉴别5.断口表层元素分析6.定量分析计算） 2.X射线光电子能谱仪（XPS/ESCA） XPS的原理：用一定量的光子束照射样品，使样品原子中的内层电子以特定几率电离产生光电子，光电子从样品表面逸出进入真空，被收集和分析。由于光电子具有特征能量，其特征能量主要由出射光子束及原子种类确定。因此，在一定的照射光子能量条件下，测定光电子的能量，可以进行定性分析，确定原子的种类。在一定条件下，根据光电子能量峰的位移和形态变化，可获得样品表面元素的化学态信息。根据光电子信号的强弱，可半定量地分析元素含量。 Xps特点：1.分析层薄，分析信息可来自固体样品表面0.5—2.0nm区域薄层。2.分析元素广，可分析出H和He以外的所有元素。3.主要用于样品表面的各类物质的化学态鉴别，能进行各种元素的半定量分析。4.具有测定深度—成分分布曲线的能力5.由于x射线不易聚集，其空间分辨率较差，在um量级。6.数据收集速度慢，对绝缘体样品有一个充电效应问题。Xps对金属和金属氧化物来说其测量深度为0.5—2.5nm，对有机物和聚合物的测量深度为4—10nm。 电子结合能：是指原子中某个电子吸收了一个光子的全部能量后，消耗一部分能量以克服原子核的束缚而到达样品的费米能级，这一过程消耗的能量也就是这个电子所在的费米能级，
第18章X射线光电子能谱分析引言 固体表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS）, 俄歇电子能谱(AES)，静态二次离子质谱(SIMS)和离子散射谱(ISS)。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。本章主要介绍X射线光电子能谱的实验方法。 X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn教授发展起来的。由于在光电子能谱的理论和技术上的重大贡献，1981年，Kai Siegbahn获得了诺贝尔物理奖。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。 在XPS谱仪技术发展方面也取得了巨大的进展。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小的束斑直径已能达到6?m大小, 使得XPS在微区分析上的应用得到了大幅度的加强。图像XPS技术的发展，大大促进了XPS在新材料研究上的应用。在谱仪的能量分析检测器方面，也从传统的单通道电子倍增器检测器发展到位置灵敏检测器和多通道检测器，使得检测灵敏度获得了大幅度的提高。计算机系统的广泛采用，使得采样速度和谱图的解析能力也有了很大的提高。 由于XPS具有很高的表面灵敏度，适合于有关涉及到表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此外，配合离子束剥离技术和变角XPS技术，还可以进行薄膜材料的深度分析和界面分析。因此，XPS方法可广泛应用于化学化工，材料，机械，电子材料等领域。 方法原理 X射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。在光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示： E k = h?- E b - ?s （） 式中 E k?出射的光电子的动能, eV; h??X射线源光子的能量, eV； E b?特定原子轨道上的结合能, eV； ?s?谱仪的功函, eV。 谱仪的功函主要由谱仪材料和状态决定，对同一台谱仪基本是一个常数，与样品无关，其平均值为3～4eV。 在XPS分析中，由于采用的X射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与入射光子的能量及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。当固定激发
材料分析与表征作业俄歇电子能谱实验报告 B组 2010/12/16 清华大学材料系
目录 俄歇电子能谱分析实验报告 (2) 1. 实验目的 (2) 2．实验原理 (2) 2.1 AES简介 (2) 2.2 俄歇效应 (2) 2.3 俄歇电子能量 (4) 2.4 俄歇电流的计算 (5) 2.5 俄歇电子能谱仪 (6) 2.6俄歇电子能谱在材料分析中的应用 (7) 3．实验仪器及样品的制备 (8) 4．实验内容 (8) 5．数据分析 (9) 参考文献 (10)
俄歇电子能谱分析实验报告 1. 实验目的 本次实验的目的是了解AES 电子能谱的基本原理；完整记录实验曲线；了解AES 电子能谱的基本实验技术及其主要特点，分析待测样品的成分、化学价态。 2．实验原理 2.1 AES简介 俄歇电子能谱，英文全称为Auger Electron Spectroscopy，简称为AES，是材料表面化学成分分析、表面元素定性和半定量分析、元素深度分布分析及微区分析的一种有效的手段。俄歇电子能谱仪具有很高表面灵敏度，通过正确测定和解释AES 的特征能量、强度、峰位移、谱线形状和宽度等信息，能直接或间接地获得固体表面的组成、浓度、化学状态等信息。 当原子的内层电子被激发形成空穴后，原子处于较高能量的激发态。这一状态是不稳定的，它将自发跃迁到能量较低的状态——退激发过程，存在两种退激发过程：一种是以特征X射线形式向外辐射能量——辐射退激发；另一种通过原子内部的转换过程把能量交给较外层的另一电子，使它克服结合能而向外发射——非辐射退激发过程(Auger过程)。向外辐射的电子称为俄歇电子。其能量仅由相关能级决定，与原子激发状态的形成原因无关，因而它具有“指纹”特征，可用来鉴定元素种类。 2.2 俄歇效应 处于基态的原子若用光子或电子冲击激发使内层电子电离后，就在原子的芯
俄歇电子能谱仪（AES）分析方法介绍 1.俄歇电子能谱仪（AES） 俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种最广泛使用的表面分析方法而显露头角,通过检测俄歇电子信号进行分析样品表面，是一种极表面（0-3nm）分析设备。这种方法的优点是：在靠近表面5-20埃范围内化学分析的灵敏度高，很高的空间分辨率，最小可达到6nm；能探测周期表上He以后的所有元素及元素分布；通过成分变化测量超薄膜厚。它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。 2.俄歇电子能谱仪（AES）工作原理 (1)原子内某一内层电子被激发电离从而形成空位， (2)一个较高能级的电子跃迁到该空位上， (3)再接着另一个电子被激发发射，形成无辐射跃迁过程，这一过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger电子。 (4)俄歇电子能谱仪通过分析Auger电子的能量和数量，信号转化为元素种类和元素含量。
3.俄歇电子能谱仪（AES）可获取的参数 （1）定性分析：定性除H和He以外的所有元素及化合态。 （2）元素分布：元素表面分布和深度分布，能获极小区域（表面最小6nm，深度最小0.5nm）的元素分布图。 （3）半定量分析：定量除H和He以外的所有元素，浓度极限为10-3。 （4）超薄膜厚：通过成分变化能测量最薄0.5nm薄膜的膜厚。 4.案例分析 案例背景：样品为客户端送检LED碎片，客户端反映LED碎片上Pad表面存在污染物，要求分析污染物的类型。 失效样品确认：将LED碎片放在金相显微镜下观察，寻找被污染的Pad，通过观察，发现Pad表面较多小黑点，黑点直径3μm左右，考虑分析区域大小后选择分析区域最小AES进行分析，能准确分析污染物位置。
XPS分析技术及其在材料微分析方面中的应用 摘要：本文介绍了X 射线光电子能谱（XPS）分析技术的基本原理、技术特点、研究进展、分析仪器构成以及在材料微分析方面的实际应用。 关键词：XPS分析技术；微分析；应用 1、引言： 近年来，利用各种物理、化学或机械的工艺过程改变基材表面状态、化学成分、组织结构或形成特殊的表面覆层，优化材料表面，以获得原基材表面所不具备的某些性能，如高装饰性、耐腐蚀、抗高温氧化、减摩、耐磨、抗疲劳性及光、电、磁等，达到特定使用条件对产品表面性能的要求的各种表面特殊功能处理技术得到迅速发展；对表面分析技术发展提出更高要求[1]。 材料表面分析业已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：X射线光电子能谱（XPS），俄歇电子能谱（AES），静态二次离子质谱（SIMS）和离子散射谱（ISS）。AES分析主要应用于物理方面的固体材料科学的研究，而XPS的应用面则广泛得多，更适合于化学领域的研究[2]。SIMS和ISS由于定量效果较差，在常规表面分析中的应用相对较少[3]。但近年随着飞行时间质谱（TOF-SIMS）的发展，使得质谱在表面分析上的应用也逐渐增加。X射线光电子能谱（XPS）也被称作化学分析用电子能谱（ESCA）。该方法是在六十年代由瑞典科学家Kai Siegbahn 教授发展起来。三十多年的来，X射线光电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。XPS已从刚开始主要用来对化学元素的定性分析，业已发展为表面元素定性、半定量分析及元素化学价态分析的重要手段。XPS的研究领域也不再局限于传统的化学分析，而扩展到现代迅猛发展的材料学科。目前该分析方法在日常表面分析工作中的份额约50%，是一种最主要的表面分析工具。在X射线源上，已从原来的激发能固定的射线源发展到利用同步辐射获得X射线能量单色化并连续可调的激发源[6]；传统的固定式X射线源也发展到电子束扫描金属靶所产生的可扫描式X射线源；X射线的束斑直径也实现了微型化，最小 - 1 -
扫描电镜经典总结(总14页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1 -CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除
• 扫描电镜（SEM） • 透射电镜（TEM）• 原子力显微镜（AFM）• X射线衍射（XRD） • 元素分析（EA）显微分析技术——电子显微镜 一束电子射到试样上，电子与物质相互作用，当电子的运动方向被改变，称为散射。 透射电子直接透射电子，以及弹性或非弹性散射的透射电子用于透射 电镜(TEM)的成像和衍射 二次电子 入射电子与样品中原子的价电子发生非弹性散射作用而损 失的那部分能量（30～50eV）激发核外电子脱离原子，能量 大于材料逸出功的价电子可从样品表面逸出，成为真空中的 自由电子，此即二次电子。在电场的作用下它可呈曲线运动 进入检测器，使表面凹凸的各个部分都能清晰成像。 二次电子试样表面状态非常敏感，能有效显示试样表面的 微观形貌；二次电子的分辨率可达5～10nm，即为扫描电镜 的分辨率。 二次电子的强度主要与样品表面形貌相关。二次电子和背 景散射电子共同用于扫描电镜(SEM)的成像。 当探针很细，分辨高时，基本收集的是二次电子而背景电 子很少，称为二次电子成像(SEI)。 背景散射电子 入射电子穿达到离核很近的地方被反射，没有能量损失；
既包括与原子核作用而形成的弹性背散射电子，又包括与样 品核外电子作用而形成的非弹性背散射电子，前者的份额远 大于后者。 背散射电子反映样品表面的不同取向、不同平均原子量的 区域差别，产额随原子序数的增加而增加；利用背散射电子 为成像信号，可分析形貌特征，也可显示原子序数衬度而进 行定性成分分析。 特征X射线入射电子和原子中的内层电子发生非弹性散射作用而损失一 部分能量（几百个eV），激发内层电子发生电离，形成离 子，该过程称为芯电子激发。除了二次电子外，失去内层电 子的原子处于不稳定的较高能量状态，将依一定的选择定则 向能量较低的量子态跃迁，跃迁过程中发射出反映样品中元 素组成信息的特征X射线，可用于材料的成分分析。 俄歇(Auger)电子如果入射电子把外层电子打进内层，原子被激发了．为释放能量而电离出次外层电子，叫俄歇电子。主要用于轻元素和超轻元素(除H和He)的分析，称为俄歇电子能谱仪。 阴极荧光如果入射电子使试样的原于内电子发生电离，高能级的电子向低能级跃迁时发出的光波长较长(在可见光或紫外区)，称为阴极荧光，可用作光谱分析，但它通常非常微弱。 各种信号的深度与区域大小高能电子束受到物质原子的散射作用偏离入射方向，向外发散；随着深度的增加，分布范围增大，动能不断降低、直至为0，形成一个作用区。“梨形作用体积”：对轻元素样品，入射电子经多次小角散射，在未达到较大散射角之前已深入样品内部；最后散射角增大，达到漫散射的程度。“半球形作用体积”：对重元素样品，入射电子在样品表面不很深的位置就达到漫反射的程度。电子在样品内散射区域的形状主要取决于原子序数，改变电子能量只引起作用体积大小的改变而不会显著改变形状。
XPS基本原理 1. XPS是什么？它是定性分析手段还是定量分析手段？ XPS,全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱）, 早期也被称为ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis),是一种使用电子谱仪测量X-射线光子辐照时样品表面所发射出的光电子和俄歇电子能量分布的方法。 XPS可用于定性分析以及半定量分析, 一般从XPS图谱的峰位和峰形获得样品表面元素成分、化学态和分子结构等信息，从峰强可获得样品表面元素含量或浓度。 2. XPS表征的是样品的表面还是体相？为什么？ XPS是一种典型的表面分析手段。其根本原因在于：尽管X射线可穿透样品很深, 但只有样品近表面一薄层发射出的光电子可逃逸出来。 样品的探测深度（d）由电子的逃逸深度（λ,受X射线波长和样品状态等因素影响）决定，通常，取样深度d = 3λ。对于金属而言λ为0.5-3 nm;无机非金属材料为2-4 nm; 有机物和高分子为4-10 nm。 3. XPS可用于定性分析什么信息？其基本原理是什么？ XPS可以定性分析：1) 样品表面元素组成；2) 样品表面元素的化学态和分子结构。
1）. XPS定性分析元素组成 基本原理——光电离作用：当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。根据爱因斯坦光电发射定律有：E k=hν- E B 式中，E k为出射的光电子动能；hν为X射线源光子的能量；E B为特定原子轨道上的结合能（不同原子轨道具有不同的结合能）。 从式中可以看出，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道，其光电子的能量是特征的。当固定激发源能量时，其光电子的能量仅与元素的种类和所电离激发的原子轨道有关。因此，我们可以根据光电子的结合能定性分析物质的元素种类。 2）．XPS定性分析元素的化学态与分子结构 基本原理：原子因所处化学环境不同，其内壳层电子结合能会发生变化，这种变化在谱图上表现为谱峰的位移（化学位移）。 这种化学环境的不同可以是与原子相结合的元素种类或者数量不同，也可能是原子具有不同的化学价态。 一般规律(下期会举例说明)： 1) 氧化作用使内层电子结合能上升,氧化中失电子愈多,上升幅度愈大; 2)还原作用使内层电子结合能下降,还原中得电子愈多,下降幅度愈大;3) 对于给定价
紫外吸收光谱UV 分析原理：吸收紫外光能量，引起分子中电子能级的跃迁谱图的表示方法： 相对吸收光能量随吸收光波长的变化提供的信息：吸收峰的位置、强度和形状，提供分子中不同电子结构的信息 荧光光谱法FS 分析原理：被电磁辐射激发后，从最低单线激发态回到单线基态，发白卄、|/. 射荧光谱图的表示方法：发射的荧光能量随光波长的变化提供的信息：荧光效率和寿命，提供分子中不同电子结构的信息红外吸收光谱法IR 分析原理：吸收红外光能量，引起具有偶极矩变化的分子的振动、转动能级跃迁谱图的表示方法：相对透射光能量随透射光频率变化提供的信息：峰的位置、强度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率 拉曼光谱法Ram 分析原理：吸收光能后，引起具有极化率变化的分子振动，产生拉曼散射 谱图的表示方法：散射光能量随拉曼位移的变化提供的信息：峰的位置、强 度和形状，提供功能团或化学键的特征振动频率 核磁共振波谱法NMR 分析原理：在外磁场中，具有核磁矩的原子核，吸收射频能量，产生核自旋能级的跃迁谱图的表示方法：吸收光能量随化学位移的变化提供的信息：峰的化学位移、强度、裂分数和偶合常数，提供核的数目、所处化学环境和几何构型的信息电子顺磁共振波谱法ESR 分析原理：在外磁场中，分子中未成对电子吸收射频能量，产生电子自旋能级跃迁谱图的表示方法：吸收光能量或微分能量随磁场强度变化提供的信息：谱线位置、强度、裂分数目和超精细分裂常数，提供未成对电子密度、分子键特性及几何构型信息质
谱分析法MS 分析原理：分子在真空中被电子轰击，形成离子，通过电磁场按不同m/e 分离谱图的表示方法：以棒图形式表示离子的相对峰度随m/e 的变化提供的信息：分子离子及碎片离子的质量数及其相对峰度，提供分子量，元素组成及结构的信息气相色谱法GC 分析原理：样品中各组分在流动相和固定相之间，由于分配系数不同而分离谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化 提供的信息：峰的保留值与组分热力学参数有关，是定性依据；峰面积与组分含量有关反气相色谱法IGC 分析原理：探针分子保留值的变化取决于它和作为固定相的聚合物样品之间的相互作用力 谱图的表示方法：探针分子比保留体积的对数值随柱温倒数的变化曲线提供的信息：探针分子保留值与温度的关系提供聚合物的热力学参数裂解气相色谱法PGC 分析原理：高分子材料在一定条件下瞬间裂解，可获得具有一定特征的碎片 谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化 提供的信息：谱图的指纹性或特征碎片峰，表征聚合物的化学结构和几何构型 凝胶色谱法GPC 分析原理：样品通过凝胶柱时，按分子的流体力学体积不同进行分离，大分子先流出 谱图的表示方法：柱后流出物浓度随保留值的变化提供的信息：高聚物的平均分子量及其分布热重法TG 分析原理：在控温环境中，样品重量随温度