材料表面分析技术

材料成分分析技术—俄歇电子谱技术（AES）俄歇电子能谱是用聚焦电子束激发样品，由于俄歇过程，在样品的表明发射出的俄歇电子作为信号，进行能量分析，简称为AES。AES主要用作表面元素的成分分析，是如今表面科学研究的重要工具之一。本文主要从俄歇电子谱仪的物理原理、表征系统构成、适用范围三个方面来简要介绍一下AES,并会针对一个典型结果进行初步的分析。1、物理原理：俄歇电子的发射过程，可用能级图来描述，如图1：当用一束电子轰击靶材时，可使K能级的一个电子离化，产生空穴，再由高能级例如M能级的电子落入此空穴，使系统恢复平衡，此时有能量放出，若剩余的能量不以光发射而是以N能级的电子放出而损耗，把这个过程称为KMN俄歇过程（俄歇跃迁）。发出AES电子的过程是一个非辐射复合过程，接受剩余能量飞出的电子称为KMN俄歇电子。作为一般化讨论，任一个俄歇跃迁包含WXY三个能级，W能级产生空穴，X能级的电子填充空穴，Y能级发射出俄歇电子。考虑电子结合能是相对于费米能级而言，所以俄歇电子的逸出动能为：()()()WXYWXYSEEZEZEZΔ，其中S是试样的功函数。通过能谱仪能量分析器后测量到的俄歇电子的能量，还要添加一个附加项[()]SPS，它是能量分析器功函数SP和试样材料功函数S之差。故()()()WXYWXYSPEEZEZEZΔ。由上式可知，俄歇电子具有的能量决定于该原子能级，是该原子固有量，与激发源的能量无关，这是俄歇能谱仪分析鉴定表面元素成分的重要的物理基础。2、AES谱仪的构成AES谱仪的主要构成部件有激发源（电子枪）、离子枪、电子能量分析器、电子检测器和真空系统等，为了提高检测微弱电子信号的灵敏度，通常测量二次电子分布的微分谱，下面为AES谱仪的结构图。图2俄歇电子谱仪示意图3、适用范围（1）俄歇电子发射至少要涉及3个电子，2个能级，因此AES可分析研究原子序数Z≥3的元素，且对轻元素有较高的灵敏度；（2）对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm，高度小于5mm，对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成大小合适的样品；（3）适用于表面5-20埃的范围成分状态研究。俄歇电子能量很小，从试样内发射逸出的过程中，经吸收、散射等衰减过程，能量迅速减弱，并最后被湮灭，不能射出试样表面而被检测到。4、结果的初步分析元素的定性分析，由于俄歇电子的能量只与原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关，对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。因此，可以根据俄歇电子的动能来定性分析样品表面物质的元素种类，如下图中元素的俄歇能谱：当得到如上图所示的俄歇电子能谱时，我们只需要对比《俄歇电子能谱手册》，就可以很轻松的得到278ev-CKLL,385ev-TiKLL,415ev-Ti,511ev-OKLL,同时，由于俄歇跃迁过程涉及到多个能级，可以同时激发出多种俄歇电子，所以AES谱图上会发现两个峰对应于Ti元素。从而得到试样表面有C、Ti、O元素。