俄歇电子能谱简介
摘要：本文介绍了俄歇电子的产生、表示、俄歇电子的过程和能量、样品制备技术、以及俄歇电子能谱仪的应用。
由此得出俄歇电子能谱仪在材料表面性质研究方面, 有着不可替代的作用。
关键词：俄歇电子；俄歇电子能谱仪；样品制备；应用
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。
30年后它被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。
1.俄歇电子的产生
原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或X射线的照射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴（受激）。
当外层电子跃入内层空位时，将释放多余的能量（退激）释放的方式可以是：发射X射线（辐射跃迁退激方式）；发射第三个电子─俄歇电子（俄歇跃迁退激方式）。
如下图：
例如，原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子[1]。
在上述跃迁过程中一个电子能量的降低，伴随另一个电子能量的增高，这个跃迁过程就是俄歇效应。
从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参与俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。
同样孤立的锂原子因为最外层只有一个电子，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。
俄歇电子的动能取决于元素的种类。
2.俄歇电子的表示
每一俄歇电子的发射都涉及3个电子能级，故常以三壳层符号并列表示俄歇跃迁和俄歇电子。
如KL1L1，L1M1M1，L2, 3VV，如下图：
3.俄歇过程和俄歇电子能量
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：E WXY=E W—E X —E Y,如下图（WXY俄歇过程示意图）：
4.俄歇电子能谱
显然，俄歇电子与特征X射线一样，其能量与入射粒子无关，而仅仅取决于受激原子核外能级，所以，根据莫塞莱定律，可以利用此信号所携带的能量特征和信号强度，对试样进行元素组成的定性定量分析。
俄歇电子能谱仪(AES) 就是建立在电子技术、弱信号检测技术和超高真空技术基础上的一种研究材料表面组成元素的新型分析仪器。
俄歇电子能谱仪，就是根据分析俄歇电子的基本特性所得到材料有关表层化学成分的定性或定量信息的仪器。
主要应用于表层轻微元素分析。
今年来，由于超高真空和能谱检测技术的发展，俄歇谱仪作为一种极为有效的表面分析工具，为探索和澄清许多涉及表面现象的理论和工艺问题，做出了十分可贵的贡献，日益受到人们的普遍重视[2]。
AES 有很多优点如下：（1）在距表面0. 5~ 2nm 范围内，灵敏度高、分析速度快；（2）能探测周期表上He 以后的所有元素；（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。
5.样品制备技术
俄歇电子能谱仪对分析样品有特定的要求，在通常情况下只能分析固体导电样品。
经过特殊处理，绝缘体固体也可以进行分析。
粉体样品原则上不能进行俄歇电子能谱分析，但经特殊制样处理也可以进行分析[3] 。
由于涉及到样品在真空中的传递和放置，所以待分析样品一般都需要经过一定的预处理。
5.1.样品的尺寸
在实验过程中，样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，送到样品分析室，所以样品的尺寸必须符合一定规范，以利于真空系统的快速进样。
块状样品和薄膜样品，长宽最好小于10 mm，高度小于5 mm。
体积较大的样品，必须通过适当方法制备成大小合适的样品。
5.2.粉末样品的处理
粉体样品有两种常用的制样方法：一是用导电胶带直接把粉体固定在样品台上
[4]，一是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上[5] 。
5.3. 挥发性样品的处理
对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系统前必须清除挥发性物质。
一般可以对样品进行加热或用溶剂清洗。
对含有油性物质的样品，一般依次用正己烷、丙酮和乙醇超声清洗[6]，然后红外烘干，才可以进入真空系统。
5.4.表面污染样品的处理
对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前，必须用油溶性溶剂，如环己烷，丙酮等清洗样品表面的油污，最后再用乙醇洗去有机溶剂。
为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥[7]。
有些样品可以进行表面打磨等处理。
6.俄歇电子能谱仪的应用
俄歇电子能谱可以用来研究固体表面的能带结构、态密度等。
俄歇电子能谱还常用来研究表面的物理化学性质的变化。
如表面吸附、脱附以及表面化学反应。
在材料科学领域，俄歇电子能谱主要应用于材料组分的确定，纯度的检测，材料特别是薄膜材料的生长。
俄歇电子能谱可以研究表面化学吸附以及表面化学反应。
在物理学，化学，材料科学以及微电子学等方面有着重要的应用。
6.1.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。
6.2.表面吸附和化学反应的研究
由于俄歇电子能谱具有很高的表面灵敏度，可以检测到10-3原子单层，因此可以很方便和有效地用来研究固体表面的化学吸附和化学反应。
6.3.薄膜厚度测定
通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以获得多层膜的厚度。
由于溅射速率与材料的性质有关，这种方法获得的薄膜厚度一般是一种相对厚度。
但在实际过程中，大部分物质的溅射速率相差不大，或者通过基准物质的校准，可以获得薄膜层的厚度。
这种方法对于薄膜以及多层膜比较有效。
对于厚度较厚的薄膜可以通过横
截面的线扫描或通过扫描电镜测量获得。
6.4.薄膜的界面扩散反应研究
在薄膜材料的制备和使用过程中，不可避免会产生薄膜层间的界面扩散反应。
对于有些情况下，希望薄膜之间能有较强的界面扩散反应，以增强薄膜间的物理和化学结合力或形成新的功能薄膜层。
而在另外一些情况则要降低薄膜层间的界面扩散反应。
如多层薄膜超晶格材料等。
通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以研究各元素沿深度方向的分布，因此可以研究薄膜的界面扩散动力学。
同时，通过对界面上各元素的俄歇线形研究，可以获得界面产物的化学信息，鉴定界面反应产物。
俄歇电子能谱仪作为一种检测和研究材料表面有关性能的现代精密分析仪器，其应用领域早已突破传统的金属和合金范围，扩展到纳米薄膜技术、微电子技术和光电子技术领域。
未来将朝着高空间分辨率、大束流密度的方向发展。
俄歇电子能谱仪未来在新材料研制、材料表面性能测试与表征中都将发挥不可估量的作用。
参考文献
[1]周玉。
材料分析方法。
北京：机械工业出版社，2009：13。
[2]周玉。
材料分析方法。
北京：机械工业出版社，2009：256。
[3]代海洋，王治安，黄宁康。
核技术，2007，30( 5) ：419—422。
[4]钱卫江，徐炜新，郭林娣等。
现代科学仪器，2000，( 3) ：50—54。
[5]赵丽华，李锦标，周明辉等。
半导体技术，2002，27( 5)：73—76。
[6]雷雯。
真空与低温，1994，13( 2) ：122—125。
[7]潘孝仁，朱以华，赵海波等。
华东化工学院学报，1996，16( 5) ：589—594。
