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《材料分析与表征》
俄歇电子能谱(AES)实验报告
学院：材料学院 班级：xxx 姓名：xx 学号：xxxxxxxx
一．实验目的
1. 了解俄歇电子能谱的背景知识和基本原理； 2. 了解俄歇电子能谱的基本实验技术及其主要特点； 3. 了解俄歇谱仪的基本结构和操作方法； 4. 了解俄歇电子能谱在材料表面分析中的应用。
二．实验原理
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. 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，就在原子的芯能级上产生一个空穴。这一芯空穴导致外壳层收缩。这种情形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-EL1)用于释放一个电子，即俄歇电子。如图1所示。
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图1 固体KLL俄歇作用过程示意图[1]
俄歇过程是一三电子过程，终态原子双电离。俄歇电子用原子中出现空穴的X射线能级符号次序表示，俄歇过程可以用图2表示：
图2 俄歇过程图示
通常俄歇过程要求电离空穴与填充空穴的电子不在同一个主壳层内，即W≠X。若W=X≠Y，称为C-K跃迁(Coster-Kronig跃迁)，(p>i)，如L1L2M；若
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W=X=Y 称为超C-K跃迁，(p>i q>i)，如N5N6N6。
俄歇过程根据初态空位所在的主壳层能级的不同，可分为不同的系列，如K系列L系列，M系列等。同一系列中又可按参与过程的电子所在主壳层的不同分为不同的群，如K系列包含KLL、KLM、KMM等俄歇群。每一群又有间隔很近的若干条谱线组成，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。但这并不影响分析。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，但是在理论上有意义。
元素H和He是不能发生俄歇跃迁的。 3. 俄歇电子能量
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，跃迁为WiXpYq。有如下公式成立：
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。
'?EY?Z??EY?Z??EY?Z?1?'?EY?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z???
?EWXY?EW?Z??EX?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z???其中0
跃迁WiXpYq同跃迁为WiYpXq是同一种俄歇跃迁，无法分辨。则： WiXpYq跃迁：EWXY?EW?Z??EX?Z??EY?Z?????EY?Z?1??EY?Z??? WiYpXq跃迁：EWYX?EW?Z??EY?Z??EX?Z???'??EX?Z?1??EX?Z??? 因为EWXY(Z)＝EWYX(Z)，作为一种半经验近似，可以取上述两式的平均
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值作为俄歇电子的能量，并且取?＝??＝1。此时有：
11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ?EY?Z?1??EY?Z??,??????XX????22这种估算结果和实际测量的结果很接近。
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：
11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ?EY?Z?1??EY?Z????s ??????XX????22?s是材料的逸出功,即费米能及至真空能级的能量差。
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,其中?a为分析器材料的逸出功。所以，最终俄歇电子的能量为：
11EWXY?Z??EWYX?Z??EW?Z???EZ?1?EZ??????XX?2??EY?Z?1??EY?Z?????a 2?由于设备材料的逸出功已知，所以可以很容易的知道俄歇电子的能量。 如果俄歇过程涉及到价带，由于价带有一定的宽度，则俄歇峰会变宽。原因是:设价带的宽度是△Ev，当X，Y位于价带顶与X，Y位于价带底，则峰宽至少为2△Ev。
另外：H不可能发生俄歇过程，He一般也不能发生俄歇过程。Li的KLL俄歇过程其实就是KVV过程(V代表价带)。
利用俄歇电子的能量可以定性判断元素的种类。 4. 俄歇电流的计算
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：
⑴ 只有深度在3?cos?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。
⑵ 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。
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IA???0??IP?QW?ni??PWXY????4?????Z?cos???edZ?I?Q?n?P??cos? PWiWXY?4??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：
??IA?B?R??sec???IPniPQWXYW??4????cos? ?入射角度与表面法线成?角。
5. 俄歇电子能谱仪
在实用的俄歇谱仪(图3和图4)中， 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。
图3俄歇电子能谱仪原理示意图
三．实验仪器及样品的制备
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AES实验报告-材料分析与表征
