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7-4 俄歇电子能谱(AES)

7-4 俄歇电子能谱(AES)

§7.4 俄歇电子能谱(AES)俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束使原子内层能级电子电离，产生无辐射俄歇跃迁，用电子能谱仪在真空中对它们进行探测。

虽然早在1925年法国的物理学家俄歇（P.Auger ）在用X 射线研究光电效应时就已发现俄歇电子，并对这种电子的产生给予了正确的解释。

但直到1968年哈里斯（L.A.Harris ）采用微分电子线路，首创了微分形式俄歇电子能量分布曲线测定法后，解决了如何从强大的本底和噪声中把俄歇信号检测出来的问题，俄歇电子能谱开始进入实用化阶段。

1969年，帕尔姆堡（Palmberg ）等引进了筒镜能量分析器，进一步提高了信噪比，使AES 达到很高的灵敏度和分析速度，而一年后出现的扫描俄歇显微探针系统（SAM ）使AES 从定点分析发展为二维表面分析。

目前，俄歇电子能谱是表面科学领域中最广泛使用的表面化学成分分析仪器之一。

7.4.1 俄歇过程和俄歇电子能量当原子内层W 能级的一个电子被具有足够能量的光子或入射电子电离时，在W 能级产生一个空穴，该空穴立即就被较高能级的另一电子通过W X →跃迁所填充，多余的能量交给Y 能级上的电子，使之成为俄歇电子发射出去。

这种跃迁过程称为俄歇过程或俄歇效应（图7.4.1）。

一般用原子中出现空穴的能级次序来表示相应的俄歇过程。

上述过程用符号表示就是WXY ，表明W 空穴被Ｘ电子填充使Ｙ电子成为俄歇电子。

通常把来自1s 壳层的电子标记为K ，来自2s 的电子标记为1L ，来自2p 的电子标记为2L 、3L 等；把来自价壳层的电子标记为V 。

一般最明显的俄歇跃迁都是Ｘ、Ｙ主量子数相等，同时Ｘ、Ｙ主量子数比Ｗ大一的过程，如KLL 、LMM 、MNN 和NOO 俄歇跃迁。

由WXY 跃迁产生的俄歇电子的动能，可近似地用经验公式估算，即： φ-∆+--=)()()(Z E Z E Z E E Y X W WXY (7.4.1) 其中φ为功函数，Z 是原子序数)3(≥Z 。

第6章 俄歇电子能谱学

第6章 俄歇电子能谱学

第6章．俄歇电子能谱
6.1 基本原理 6.2 基本装置与实验方法 6.2.1 基本装置 AES的仪器主要包括以下几部分： AES的仪器主要包括以下几部分： 作为一次电子束源的电子枪， 作为一次电子束源的电子枪， 分析二次电子能量的电子能谱仪， 分析二次电子能量的电子能谱仪， 二次电子成像用的二次电子探测器， 二次电子成像用的二次电子探测器， 样品操作台， 样品操作台， 使样品表面溅射剥离的离子枪 10-8Pa的超高真空。 Pa的超高真空。 有的设备在真空系统中还配备有样品的 原位断裂附件， 薄膜蒸发沉积装置 ， 原位断裂附件 ， 薄膜蒸发沉积装置， 或 是样品的加热或致冷台， 是样品的加热或致冷台 ， 以便进行高温 研究或用低温维持样品表面的低蒸气压。 研究或用低温维持样品表面的低蒸气压 。 如图6 如图6.2.1所示。 所示。
∫0 I ( x )dx = I0λ
就是说，厚靶等效于只有λ 就是说，厚靶等效于只有λ厚的靶，这也即是逃逸深度的含义。
∞
第6章．俄歇电子能谱
6.1 基本原理 6.1.1 俄歇电子发射 6.1.2 俄歇电子能量 6.1.3 俄歇电子产额 6.1.4 俄歇电子能谱 6.1.5 电子逃逸深度 逃逸深度λ与入射粒子无关，是 逃逸深度λ与入射粒子无关，是 出射电子能量的函数。实验上用 在衬底上沉积不同厚度异质薄膜 的方法来测定，得到了一系列元 素俄歇电子的λ 素俄歇电子的λ，与其他方法测得 的电子平均自由程结果一致。 图6.1.7绘出电子逃逸深度与动能 6.1.7绘出电子逃逸深度与动能 的关系曲线。
第6章．俄歇电子能谱
6.1 基本原理 6.1.1 俄歇电子发射 6.1.2 俄歇电子能量 6.1.3 俄歇电子产额 6.1.4 俄歇电子能谱
图 6.1.5 表示用能量为 1 keV的一 表示用能量为1 keV 的一 次电子束所激发的纯银样品的电 子能谱。 子能谱。

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其它贡献： 核裂变理论解释 获奖：U.S. Fermi Prize（1966年）
Lise Meitner, 1878~1968
合 作 者 ： Nobel 奖 获 得 者 Max Planck 、 Otto
Hahn
5
Otto Hahn：德国化学家
在Lise Meitner的协助下，发现了重核裂变 而获1944年Nobel化学奖
10
对轻元素有高的灵敏度
Auger发射与特征X射线发射是激发态原子退激活的两个不同过程，是
辐射与非辐射两个相互竞争的过程。Auger发射几率（WA）与特征X射
线发射几率（WX）总和等于1，即WA+WX =1W
WA 特征X射线发射对轻元素不灵敏，其跃迁
WX
K 线
几率WX较低
系
Auger发射则对轻元素有高的产额和灵敏 度，作为成分分析方法，这是一个很宝贵 W 的性能，也是较EPMA优越的特性之一
电子衰减长度可用来估计出射电子在固体中的逸出深度（escape depth）， 用来估计表面电子谱中的信息深度（information depth）
12
衰减长度在表面电子谱中是很重要的，人们设计了许多实验去测量不同 能量的电子在不同材料中的衰减长度
Tracy 于 1971年 把 当 时 已知
实验数据的不同能量电子在 （Å）
15
直到1968年Harris采用电势调制技术，Auger电子才获得实用，既采用微
分谱d N ( E )
dE
d或2dNE(2E )
，从而大大提高了灵敏度和分辨率。因此AES是一
种微分谱
铅的Auger电子N(E)－E图谱
铅的Auger电子微分图谱
16

俄歇电子能谱分析+光电子能谱

俄歇电子能谱分析+光电子能谱
分析层薄 分析信息来自固体样品表面0.5～2nm区域薄层。为什么得
到的是表面信息呢？
24
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这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产 生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全 一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损
SA IA/IAg
(12-2)
12
当前你正在浏览到的事第十二页PPTT，共四十二页。
如果测得俄歇谱中所有存在元素（A, B, C, …N）的相 对灵敏度因子，则A元素的原子百分浓度可由下式计算 ：
CA
IA /SA
N
(I j/S j )j来自A(12-3)13
当前你正在浏览到的事第十三页PPTT，共四十二页。
分析层薄，能提供固体样品表面0～3nm区域薄层的成分信息
； 可分析元素范围广，可分析出H和He以外的所有元素，对轻 元素敏感；
分析区域小，可用于材料中≤50nm区域内的成分变化的分析
；
能对元素的化学态进行分析；
定量分析精度较低。目前，利用俄歇电子能谱仪进行表面成分 的定量分析，基本上只是半定量的水平。常规情况下，相对精度 仅为30%左右。如果能对俄歇电子的有效发射深度估计较为准 确，相对精度可提高到约5%。
9
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❖ 俄歇电子能谱分析
定性分析 实际分析的俄歇电子图谱是样品中所有元素俄歇电 子图谱的组合，根据测试获得的俄歇电子谱中的位置 和形状与手册中提供的纯元素的标准图谱进行对比来 识别元素的种类，是俄歇电子能谱仪定性分析的主要 内容。 标准俄歇图谱提供了各元素俄歇峰的能量位置、 形状和相对强度。每种元素一般都有数个俄歇峰。

XPS和俄歇电子能谱ppt

XPS和俄歇电子能谱ppt

xps和俄歇电子能谱
xx年xx月xx日
目录
contents
引言xps技术的基本原理aes技术的基本原理xps和aes技术的应用案例xps和aes技术的前景展望
01
引言
1
xps和aes技术的简介
2
3
XPS（X射线光电子能谱）和AES（俄歇电子能谱）是表面科学中常用的两种技术。
XPS用于测量样品表面的元素组成和化学状态，而AES则用于测量表面不同深度层次上的元素组成和化学状态。
太阳能电池
XPS和AES可以用于分析太阳能电池表面的元素组成和化学状态，以优化太阳能电池的性能。
xps和aes技术在新能源领域的应用
锂离子电池
XPS和AES可以用于分析锂离子电池正负极材料的元素组成、化学状态和界面反应，以优化电池性能和寿命。
燃料电池
XPS和AES可以用于分析燃料电池催化剂的元素组成、化学状态和表面反应，以提高燃料电池的效率和稳定性。
俄歇电子能谱的作用S技术的优点包括：高分辨率、高灵敏度、能够提供元素的化学态和电子态信息等。但是，AES技术也存在一些缺点，例如样品制备复杂、测试成本高、测试时间长等。此外，对于某些元素，如氢、氦等，AES技术的检测限较高。
03
aes技术的基本原理
AES（Auger Electron Spectroscopy）是一种表面分析技术，它通过测量俄歇电子的能量分布来推断样品表面的元素组成和化学状态。俄歇电子是高能电子与样品原子或分子相互作用后，从样品中发射出的次级电子。AES技术利用能量分析器测量俄歇电子的能量分布，以获得样品的化学信息。
xps技术在材料表面分析中的应用
03
表面掺杂
AES可以用于改变材料表面的元素组成，如掺杂金属或非金属元素，以改变材料的性质。

俄歇电子能谱AES解读ppt课件

俄歇电子能谱AES解读ppt课件

经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
4. 俄歇过程中的能量关系： 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)= EK(Z) - EL1(Z) - EL2(Z+) - s
俄歇电子强度不仅与原子多少有关,还与俄歇电子 的逃逸深度、样品的表面光洁度、元素存在的化 学状态有关。因此,AES 技术一般不能给出所分 析元素的绝对含量,仅能提供元素的相对含量
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三、俄歇电子谱分析技术
2、俄歇谱分析技术
AES具有五个有用的特征量: 特征能量; 强度; 峰位移; 谱线宽;和线型由AES的这五方面特征可获如下表面 特征、化学组成、覆盖度、键中的电荷转移、电子 态密度和表面键中的电子能级
5. 俄歇电子谱的化学效应：
俄歇能谱中出现的化学效应有如下三种:
化学位移 峰形状的变化 峰的低能侧的形状变化
AES中可观察到化学位移,但涉及到的三个电子中 的每一个都可能与多重终态或弛豫效应有关AES数 据非常复杂,比XPS更难于解释,所以AES并不象 XPS那样多地用于化学环境信息而是大量用于定量 组分分析
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用

和俄歇电子能谱

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2．定量分析
❖ 基本上是半定量的水平(常规情况下，相对精度仅 为30%左右)
❖ 常用的定量分析方法是相对灵敏度因子法。该法 准确性较低，但不需标样，因而应用较广。
3.化学价态分析
由于俄歇电子能谱的分辨率低以及化学位移理 论分析的困难，因而这一应用未能得到足够重视。
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缺点:
由于X射线不易聚焦，因而照射面积不大，不 适宜微区分析。
4
光电子能谱的应用
1．元素及其化学状态的定性分析
❖ 方法：以实测光电子谱图与标准谱图相对照，根据元 素特征峰位置(及其化学位移)确定样品中存在哪些元 素(及这些元素存在于何种化合物中)。
❖ 定性分析原则上可以鉴定除氢、氦以外的所有元素。 ❖ 分析时首先通过对样品进行全扫描，以确定样品中存
9
俄歇电子产额与原子序数的关系
• 逃逸深度 逃逸出的俄歇电子的强度与样品的取样深度
存在指数衰减关系。 N=N0e-z/λ
N为到达表面的俄歇电子数，No为所有的俄 歇电子数，Z为样品取样深度，λ为非弹性散射平 均自由程。
10
俄歇电子能谱的优点：
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。
方法：理论模型法、灵敏度因子法、标样法等。
应用最广的是元素(原子)灵敏度因子法
,
一般误差可以不超过20％.

第六章俄歇电子能谱47页PPT


固体表面清洁程度的测定
在研究工作中，经常需要获得清洁的表面。 一般对于金属样品可以通过加热氧化除去 有机物污染，再通过真空热退火除去氧化 物而得到清洁表面。而最简单的方法则是 离子枪溅射样品表面来除去表面污染物。 样品的表面清洁程度可以用俄歇电子能谱 来实时监测。
固体表面清洁程度的测定
图显示了在磁控溅射制备的铬薄膜表面清洁前 后的俄歇谱。从图上可见，在样品的原始表面 上，除有Cr元素存在外，还有C、O等污染杂 质存在。在经过Ar离子溅射清洁后，其表面的 C杂质峰基本消失。样品表面的C污染并不是在 制备过程中形成的，而是在放置过程中吸附的 大气中的污染。但氧的特征俄歇峰即使在溅射 清洁很长时间后，仍有小峰存在。该结果表明 有少量O存在于制备的Cr薄膜层中。该氧可能 是由靶材的纯度或薄膜样品制备过程中的真空 度较低有关，而不仅仅是表面污染。
C o u n ts [a .u .]
512.0 eV
Pure ZnO
3000 L
30 L
508.6 eV
Energy [eV]
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]。

表面分析俄歇电子能谱的应用PPT文档54页


31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
表部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 ——罗·伯顿
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主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、（样品）分析室、
溅射离子枪和信号处理与记录系统等
5
9
AES应用
AES具有五个有用的特征量：特征能量、强度、峰位移、谱线宽 和线型。
由AES的这五方面特征可获如下：表面特征化学组成、覆盖度键 中的电荷转移、电子态密度和表面键中的电子能级等。
采用俄歇电子能谱可得到的信号种类和知识
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AES应用的优缺点
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0.4~2n②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。
俄歇电子能谱（AES）简介
1
引言 AES原理 俄歇电子能谱仪 AES应用
AES应用的优缺点
5
2
引言
俄歇过程是法国科学家Pierre Auger首先发现的。1922年俄歇完成大 学学习后加入物理化学实验室，在其准备光电效应论文实验时首先发 现这一现象。几个月后，于1923年他发表了对这一现象(其后以他的名 字命名)的首次描述。 1952年舒沃茨教授推出了用于超真空技术的离子泵，为俄歇电子能谱 学的创立开辟了道路。 1953年兰德博士在他的实验室里观察到了二次电子能谱的峰值，并将 这些峰确定为俄歇跃迁。 1967年，哈里斯提出了在相敏检波中采用扇形静电分析仪。并于1968 年正式发表在《应用物理》上，俄歇电子能谱学从此诞生了。并发展 成一种研究原子和固体表面的有力工具。尽管从理论上仍然有许多工 作要做，然而俄歇电子能谱现已被证明在许多领域是非常富有成果的。 如基础物理、原子分子碰撞过程的研究或基础和应用表面科学。P. Auger有幸长寿看到了他的发现的科学和技术影响。
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AES应用---表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是AES分析的一种重要功能。俄歇电子能谱的化学位
移分析在薄膜材料的研究上获得了重要的应用，取得了很好的效果。但是，由于我们很 难找到俄歇化学位移的标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比，这是利 用俄歇电子能谱研究化学价态的不利之处。此外，俄歇电子能谱不仅有化学位移的变化， 还有线形的变化。俄歇电子能谱的线形分析也是进行元素化学价态分析的重要方法。
14
AES应用---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
剥离样品表面的深度分析的方法。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。其分析原理是先用Ar离子把表面一定厚度的表面 层溅射掉，然后再用AES分析剥离后的表面元素含量，这样就可以获得元素在样品中沿深 度方向的分布。
5
3
AES原理
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 。
5
4
原子外层电子结构
5
5
AES原理
俄歇电子：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
的芯能级上产生一个空穴，从能量上看是不稳定的，并发生弛豫，K空穴被高能态L1 的一个电子填充，剩余的能量(Ek—El)用于释放一个电子即俄歇电子。
5
6
AES原理
俄歇电子能量：
首先考虑孤立原子，设原子序数为Z， 俄歇跃迁为WXY。 根据俄 歇过程从能量上看WXY俄歇电子能量(动能): 对从固体中发射的俄歇电子能量，如果俄歇过程不涉及价带，只需考 虑俄歇电子必须克服逸出功才能逸出就行了。所以俄歇电子能量
5
7
AES俄歇电子能谱仪
5
8
AES工作原理
5
10
AES应用---表面元素定性鉴定
这是一种最常规的分析方法，也是俄歇电子能谱最早的应用之一。一般利用俄歇 能谱仪的宽扫描程序, 收集从20～1700 eV动能区域的俄歇谱。为了增加谱图的 信背比，通常采用微分谱来进行定性鉴定。在分析俄歇能谱图时，必须考虑荷 电位移问题。一般来说，金属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。但 对于绝缘体薄膜样品，有时必须进行校准，以C 的KLL峰的俄歇动能为278.0 eV作为基准。
5
11
各元素的俄歇能量
K系列对于原子序数Z在3(Li)和13(Al)之间 L系列对于原子序数Z在11(Na)和35(Br)之间 M系列对于原子序数Z在19(K)和70(Yb)之间 N系列对于原子序数Z在39(Y)和94(Pu)之间
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AES应用---表面元素的半定量分析
首先应当明确的是AES不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅是一 种半定量的分析结果，即相对含量而不是绝对含量。由AES提供的定量 数据是以原子百分比含量表示的，而不是我们平常所使用的重量百分比。 这种比例关系可以通过下列公式换算：
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AES应用---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。 俄歇电子能谱的线扫描分析常应用于表面扩散研究，界面分析研究等方 面
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号强 度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的 扩散过程是不一样的。
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。
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