俄歇电子能谱分析+光电子能谱

可分析出H和He以外的所有元素。
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具有测试深度-成分分布曲线的能力
如果用离子溅射枪溅射剥蚀表面，用X射线光电子能 谱进行分析，两者交替进行，就可以得到元素及其化学 状态的深度分布情况。

空间分辨率差
由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区 分析。XPS的空间分辨率大约为10~100μm。

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X射线光电子能谱仪的基本工作原理是：
用一定能量的光子束（X射线）照射样品，使样品原 子中的内层电子以特定几率产生光电子，光电子从表面 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电子束能量及原子种类确 定。因此，
在一定的照射光子能量条件下测试光电子的能量，可 以进行定性分析，确定原子种类；
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复合材料界面成分的分析
复合材料中增强纤维与基体金属之间的结合力，与界 面上杂质元素的种类及含量有着极密切的关系，为了获 得所要求的基体和纤维的相容性，必须控制基体成分和 杂质含量。在选择扩散阻挡层的成分、种类的研究中， 俄歇谱仪都成为一种必须的试验手段。
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二、 X射线光电子能谱分析
K.Siegbahn 1981年获诺贝尔物理学奖
表面成分分析的主要技术


俄歇电子能谱分析（AES）
X射线光电子能谱分析（XPS）
场离子显微分析（FIM）
原子探针（Atom Probe） 离子探针（IMA） 低能电子衍射（LEED）
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一、 俄歇电子能谱分析
俄歇(Auger)过程和俄歇电子
1925年，法国科学家Pierre Auger 在用X射线研究某 些惰性气体的光电效应时，意外地发现了一些短小的电 子轨迹。轨迹的长度不随入射X射线的能量而变化，但 随原子的不同而变化。Auger认为：这一现象是原子受 激后的另一种退激过程所至。过程涉及原子内部的能量 转换，而后使外层电子克服结合能向外发射。他的发现 与所做的相应解释被证明是正确的。因此，用他的名字 来命名这种过程和发射的电子。
群——是在系列下以填补电子与发射电子在基态时的
位臵来划分。
K 系列
L 系列 LMM LMN LNN N系列
KLL KLM KMM M系列
MNN MNO
NOO
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俄歇电子的能量
由于俄歇电子是由原 子各壳层电子的跃迁而 产生的，而不同原子各 壳层的能级都具有特定 的值，因此，不同原子 所产生的俄歇电子具有 相应的特征能量。
俄歇峰的这一现象正好与光电子的情况相反。对 于光电子峰，在以结合能为横坐标的的XPS谱线全 图中，其位臵不会因X射线激发源的改变而发生变动。 显然，利用这一点，在区分光电子与俄歇谱线有困 难时，利用换靶的方法就可以区分出光电子峰和俄 歇峰。

X射线伴峰和鬼峰
X射线伴峰产生的原因是：在用于辐射的X射线中， 除特征X射线外，还有一些光子能量更高的成分。鬼 峰主要是由于靶受到污染而导致。
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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 够能量无损地输运到表面。用来进行分析的光电子能量 范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样， 从X射线光电子谱得到的也是表面的信息。

分析元素范围广
(12-2)
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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
I A /S A
( I /S
j A j
N
j
)
(12-3)
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俄歇电子能谱仪的应用
从自由能的观点来看，不同温度和加工条件下材料内 部某些合金元素或杂质元素在自由表面或内界面(例如 晶界)处发生偏析，以及它们对于材料性能的种种影响、 早巳为人们所猜测或预料到了。

由于俄歇电子具有特征能量，其特征能量主要由原子
的种类确定。因此，测定俄歇电子的能量，就可以确定 原子的种类，即进行定性分析；根据俄歇电子信号的强 度，可确定元素含量，即进行定量分析。再根据俄歇电 子能量峰的位移和形状变化，可获得样品表面信息。 8

俄歇电子能谱分析的特点
分析层薄，能提供固体样品表面0～3nm区域薄层的成 分信息；
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可见，表界面的元素偏聚问题是金属及合金中影响其 性能的一个很重要的问题，而表界面的成分分析研究中， 俄歇谱仪具有其它分析仪器不可替代的作用。
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了解微合金元素的分布特征
早在五六十年代，人们就发现微合金化对材料组织和 性能有很大影响。如结构钢加硼可以提高淬透性，高温 合金加B、Zr、稀土元素可提高抗蠕变性能等。 但金相观察或化学分析均无法查知这些元素的存在形 式和分布状态。有人推测，可能由于表面吸附现象，使 这些元素富集在晶界上，从而改善晶界状态，进而影响 相变过程及提高高温下晶界的强度。俄歇谱仪为研究这 些微量元素的作用机理提供了有效的手段。
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钢在550℃左右回火时的脆 性、难熔金属的晶界脆断、镍 基合金的硫脆、不锈钢的脆化 敏感性、结构合金的应力腐蚀 和腐蚀疲劳等等，都是杂质元 素在晶界偏析引起脆化的典型 例子。引起晶界脆性的元素可 能商S、P、Sb、Sn、As、O、 Te、Si、CI、I等，有时它们的 平均含量很低 ，但在晶界附近 的几个原于层内浓度竞富集到 10 ~ 104倍。
电子能谱仪作为有效的表面分析工具的依据。显然，在 这样的浅表层内，入射电子束的侧向扩展几乎完全不存 在，其空间分辨率直接与束斑尺寸dp相当。目前，利用 细聚焦入射电于束的“俄歇探针仪”可以分析大约50nm 的微区表面化学成分。
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俄歇电子能谱仪基本原理
俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spetroscopy, AES） 的基本原理是：用一定能量的电子束轰击样品，使样品 内电子电离，产生俄歇电子，俄歇电子从样品表面逸出 进入真空，被收集和进行分析。

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定量分析
目前，俄歇电子图谱的实用定量分析方法有两 类：标准样品法和相对灵敏度因子法。其中应用 较多的是相对灵敏度因子法。
相对灵敏度因子法是将各元素产生的俄歇电子信
号换算成Ag当量来进行比较计算的。 测量纯元素A与纯Ag的主要俄歇峰的强度IA和 IAg，则元素A的相对灵敏度因子为：
SA I A /I Ag
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XPS适用的X射线，主要考虑谱线的宽度和能量。目 前最常用的X射线是Al和Mg的Kα射线，都是未分解的 双重线。Al的Kα射线的能量为1486.6eV，线宽为0.85 eV； Mg的Kα射线的能量为1253.6eV，线宽为0.70 eV。

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定性分析的一般过程为：
(1) 根据对样品材质和工艺的了解，选一个或数个最 强峰，初步确定样品表面可能存在的元素，然后利 用标准俄歇图谱对这几种可能得到元素进行对比分 析；
(2) 若谱图中已无未有归属的峰，则定性分析结束； 若还有其它峰，则把已标定的峰去除之后再重复前 一步骤标定剩余的峰。
目前俄歇电子能谱仪上，对样品的定性分析，可 通过能谱仪中的计算机软件来自动完成。但对某些 重叠峰和微量元素弱峰需通过人工分析确定。

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研究金属及合金脆化的本质
晶间断裂是脆性断裂的一种特殊形式，有的是由于片 状沉淀在晶界析出而引起的，我们可以用扫描电镜、选 区电子衍射、电子探针等手段确认晶界析出物的形貌、 晶体结构和化学成分，从而找出产生脆断的原因。 但是还有一些典型的晶间脆断，如合金钢的回火脆断 及难熔金属的脆断，在电子显微镜放大几十万倍下观察， 仍未能在晶界处发现任何沉淀析出，人们一直怀疑这可 能是一些有害杂质元素在晶界富集而引起脆断，但一直 苦于拿不出直接的证据。直到在俄歇能谱对断口表面进 行分析后，合金钢回火脆性本质才被揭开。

可是，由于这种偏析有时仅仅发生在界面的几个原子 层范围以内，在俄歇电子能谱分析方法出现以前，很难 得到确凿的实验证据。具有极高表面灵敏性的俄歇谱仪 技术，为成功地解释各种和界面化学成分有关的材料性 能特点，提供了极其有效的分析手段。
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目前，在材料科学领域内，许多金属和合金晶界脆断、 蠕变、腐蚀、粉末冶金、金属和陶瓷的烧结、焊接和扩 散连接工艺、复合材料以及半导体材料和器件的制造工 艺等，都是俄歇谱仪应用得十分活跃的方面。

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基本原理
(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。
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俄歇过程的系列和系列所包含的群系列——是以受激产生的空穴在哪一个主壳层来划分

数据收集速度慢
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X射线光电子谱中峰的种类

光电子峰和俄歇峰
光电子峰在谱图中是最主要的，它们是具有特征 能量的光电子产生。光电子峰的特点是：谱图中强 度最大、峰宽最小、对称性最好。 由于光电子的产生，随后必然会产生俄歇电子， 俄歇电子的能量具有特征值，在光电子谱中也会产 生俄歇峰。 由于俄歇电子的动能与激发源无关，因而对于同 一样品，在以动能为横坐标的XPS谱线全图中，俄 歇谱线的位臵不会因改变X射线激发源而发生变动。 27
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X射线光电子能谱仪
XPS一般由激发源、样品台、电子能量分析器、 检测系统以及超高真空系统等部分组成。

X射线源
X射线源由灯丝及阳极靶等组成，作用是产生特征X 射线。 因为光电子的动能取决于入射X射线的能量及电子的 结合能，因此，最好用单色X射线源，否则轫致辐射和 X射线的“伴线”均会产生光电子，对光电子谱产生干 扰，造成识谱困难。为此采用X射线单色器。
原子序数3-10的原子产生ＫＬＬ俄歇 电子，对于原子序数大于14的原子可 以产生KLL、LMM、MNN等俄歇电 子