6_俄歇电子能谱_680304978

对于原子序数高的原子，为：j－j耦合（KLL有6种终态）。 对于原子序数低的原子，为：L－S耦合（KLL有5种终态）。 对于中间序数的原子，为：中间耦合。（KLL有9种终态）。 在实用的俄歇谱仪中 ，具有空态的电离原子是用电子束轰击产生的。一 次电子束的能量Ep通常为3 keV～10 keV。用来分析的俄歇电子的能量一 般在0～2000 eV左右。一般说来，对于原子序数低的原子，用KLL线； 中等时用LMM线，高序数用MNN线，更高的用NOO线。
下周实验安排
（11月27日）AES 实验。
时间地点，咨询助教。
内容回顾
X－光反射：薄膜的厚度、密度、粗糙度等信息
红外和喇曼光谱：分子振动光谱，分子结构信息。
XPS：材料的化学结构、成分等
LEED：材料的表面（晶体）结构、吸附等特性 RHEED：材料的表面（晶体）结构、形貌等 AES＋EDS：材料的化学结构、成分等 RBS：（厚）薄膜材料的密度、厚度、成分等 C-RBS: 原子的添隙位置，晶体性的好坏等 SIMS： 材料的成分等
3 0 3/2 4 L3 ½ 2 M1 ½ 2 M2 1 3/2 4 M3 2 3/2 5/2 4 M4 6 M5
俄歇效应
真空能级与电子所处能级的能量差，或者说电子所处能级能量的相反数，近似就 是电子的结合能（？）。 如果原子内层由于某种原因失去了一个电子， 则产生一个空位，原子处于激发态。（XPS 使用软X射线， AES使用电子束）。电离原 子的去激发，有如下方式： 1、辐射跃迁过程：一个电子填充此空位， 同时发出特征X射线（EDS） 2、俄歇过程：一个电子填充此空位，同时 另一个电子脱离原子发射出去。发射出去的 电子就是俄歇电子。 K 俄歇过程是一个三能级过程。例如右上图所示的KL1L3俄歇跃迁：K上有1个 空位（外加能量束激发产生），L1上的1个电子填充此空位，同时L3上的1个 电子脱离原子发射出去。发射出去的就是俄歇电子。其能量带有能级信息。
俄歇效应
产生上述现象的原因在于终态有两个空位。所以角动量的耦合情况比较复 杂。
例如：KL1L3的终态，是在n＝2的两个支壳层上（l＝0；l＝1）各自出 现一个空位。原来这两个壳层都是填满的，所以其总的轨道角动量量子数 L，总的自旋角动量量子数S，以及L和S合成的总角动量量子数J都等于 零。 产生空位后，两个支壳层的L，S，J都不为零，而与缺少的电子的l，s， j相同。 所以，俄歇终态两个空位之间的角动量耦合，就是两个各有一个空位 的壳层之间的角动量耦合，与两个电子之间的角动量耦合情况相同。
电子能谱：俄歇电子的 数量按照能量的分布 输入电子 输出电子
样品受到一定能量的电子束辐照后，发射出俄歇电子，被探测器收集后经过计 算机处理，得到该样品的AES能谱图。
俄歇效应
对于一个多电子的原子，考虑自旋－轨道耦合后，电子的状态可以通过n，l，j， mj四个量子数描述。其中，n：主量子数；l：角量子数；j是自旋和轨道合成后 的总角动量量子数；mj：由j确定的量子数。
EWXY EW Z EX Z EY Z
实际上，对于有空位的壳层，能级同充满时有所不同。
' Z EY Z 1 EY Z EY
' Y
E Z EY Z EY Z 1 EY Z EWXY EW Z EX Z EY Z EY Z 1 EY Z
本节内容
俄歇电子能谱： Auger Electron Spectroscopy，简称为AES。 根据俄歇电子的能量确定：表面存在的元素种类 根据俄歇电子的数量确定：元素在表面的含量。
电子束（可以聚焦得很细）在表面扫描，得到元素在表面上的分布； 利用离子束溅射，可以得到元素沿着深度的分布； 不同化学环境下的元素AES谱不同，可以得到化学结构信息。
俄歇电子的能量
用来作表面分析的俄歇电子的能量在0～2000 eV之间。俄歇谱仪是根据俄歇 电子的能量来识别元素的，也就是说，俄歇电子的能量带有元素本身的信息。 所以，准确知道俄歇电子的能量很重要。实用上，俄歇电子能量可以准确查 到，无需进行计算。例如：Perkin－Elmer公司的俄歇手册上，对于每一种 元素，有一张俄歇图谱，表标明了主要俄歇峰的能量。 考虑孤立原子，假设原子序数为Z，Βιβλιοθήκη 迁为WiXpYq。有如下公式成立：
这种估算结果和实际测量的结果很接近。
俄歇电子的能量
对于固体材料，如果不考虑涉及价带的俄歇过程，则俄歇电子还要克服 逸出功才能发射出去。因此，俄歇电子的能量为：
EWXY Z EWYX Z EW Z 1 E X Z 1 E X Z 1 EY Z 1 EY Z s 2 2
2、俄歇电子的发射方向是各项同性的。能量分析器所接收的占方向总数的 /4，近似等于能量分析器的传输率。
I A I P QW ni PWXY 0 4 I P QW ni PWXY cos 4

Z cos dZ e
QW是电离截面。PWXY表示产 生WiXpYq俄歇跃迁的几率。Z 是到表面的垂直距离。
俄歇电流的计算公式
I A I P QW ni PWXY 0 4 I P QW ni PWXY cos 4

Z cos dZ e
WiXpYq跃迁
俄歇电子的能量
跃迁WiYpXq同跃迁为WiXpYq是同一种俄歇跃迁，无法分辨。则： WiXpYq跃迁： WiYpXq跃迁：
EWYX EW Z EY Z EX Z ' EX Z 1 EX Z
EWXY EW Z EX Z EY Z EY Z 1 EY Z
0 : j 1 2; 0 : j 1 2;
m j j , j 1,......, j
n l j
电子数 符号 1 0 ½ 2 K 0 ½ 2 L1 ½ 2 L2 2 1
由左式知道，对应于同一个n，l，j数值， mj可以取2j＋1个数值。每个状态可以填 充1个电子（？）所以，共可以填充2j＋1 个电子。
EWXY Z EWYX Z
s是材料的逸出功。另外，由于从样品中发射出去的俄歇电子，到达分 析仪器后才能分析。由于两者之间存在着接触电位差，俄歇电子的能量 还要损失： a －s。所以，最终俄歇电子的能量为：
1 1 EW Z E X Z 1 E X Z EY Z 1 EY Z a 2 2
I A B R sec I P ni P cos WXY QW 4
K 终态
K
俄歇效应
对于KLL俄歇系列，根据其终态，可以分为：KL1L1， KL1L2， KL1L3，KL2L2， KL2L3，KL3L3六种类型。因为，根据粒子的全同性，无法分辨KL3L1和KL1L3， 以及KL2L3和KL3L2等。这样，在俄歇谱上，表现为六根谱线。 Coster－Kroning（C－K）跃迁： 终态空位之一与始态空位处于同一主壳层内，即：WiWpYq型。明显的，p>i。此类 跃迁速度非常快。根据能量测不准原理：（E）×（t）～h知道，系统的能量测 不准程度很大，所以C－K跃迁的俄歇电子能量比较分散：俄歇峰较宽（几个eV～ 10eV）。称为“寿命展宽”现象。 此类跃迁的发生，例如LiLpYq将使得LiXY类型跃迁几率减小，而LpXY跃迁增加。 超Coster－Kroning（C－K）跃迁： 两个终态空位与始态空位都处于同一主壳层内，即：WiWpWq型: q >i, p >i。 上述讨论仅仅限于原子序数高的原子。对于低原子序数或者中等原子序数，并不正 确。例如：对于KLL过程，用高分辨率俄歇谱仪观察时发现，高原子序数有6根线， 中等原子序数有9根线，而低原子序数只有5根线。 这并不影响分析。因为俄歇分析主要利用主要的峰进行。不需要搞清楚每个小峰。 而且商品仪器的分辨率也不高。但是，理论上有意义。
EWXY实测
a Vacuum
俄歇电流的计算
根据俄歇电流的大小，也就是俄歇峰所包含的电子的多少，可以进行元素的定 量分析。下面讨论影响俄歇电流大小的因素。 俄歇电子从固体发射，有三个过程：
1、所需电离原子的产生。一般用电子束诱导（一次电子束）。
2、发生俄歇跃迁。两种过程：辐射特征X射线（荧光过程）＋俄歇过程。假 设荧光过程几率为Px，俄歇过程几率为Pa，则：Px＋Pa＝1。 3、俄歇电子从产生处输运到表面，从固体表面逸出。 俄歇电子从产生处向表面输运，可能会遇到弹性或者非弹性散射，方 向会发生改变。如果是非弹性散射，则能量也会损失（失去了所携带 的元素特征信息）。所以用来进行分析的俄歇电子，应当是能量无损 的输运到表面的电子。也只能是在深度很浅处产生的。 作为一个粗略估计：N＝No· e－Z/。如果俄歇电子向表面输运的方向与法线成 角，则可以认为深度Z超过3cos处产生的俄歇电子无法无损的到达表面。 很小，一般在0.3~2 nm左右，称为衰减长度。
俄歇电子能谱进行表面分析只有几十年的历史，但是发展迅速。 三种重要表面分析手段 俄歇电子能谱、X射线光电子能谱和二次离子质谱仪。 X射线光电子谱：对表面损伤最小，从化学位移获取丰富化学信息 二次离子质谱仪：灵敏度非常高，可以测量H、He等。 俄歇电子能谱： 很高的微区分析能力、深度与横向分辨能力。
俄歇效应
俄歇电流的计算公式
如何计算俄歇电流呢？ 假设一次电子能量为Ep，束流为Ip。入射方向与固体表面垂直。假定能量分析 器只能接受出射方向与表面法线方向夹角在范围内的电子。这样的电子处 于立体角内。特作如下近似： 1、只有深度在3cos范围内产生的俄歇电子，才对俄歇电流有贡献。在此区 域内，EP与IP保持不变。ni表示表面i元素的单位体积原子数。
QW是电离截面。PWXY表示产 生WiXpYq俄歇跃迁的几率。Z 是到表面的垂直距离。
上式中未考虑背散射电子的贡献，因而是不准确的。一次电子轰击材料的表面， 会遇到弹性和非弹性散射。其中有的一次电子，经过一次或者多次散射后被散 射回来。这就是背散射电子。假如背散射电子的能量大于EW，也能使得Wi能 级的电子电离，促使俄歇跃迁发生。这样，就增强了俄歇电流。定义B为“背 散射增强因子”。 另外，表面粗糙度对俄歇电流也有影响。光滑表面比粗糙表面俄歇电流大。定 义R为“表面粗糙度因子”，R一般不大于1。最后有：