俄歇电子能谱分析原理及方法

俄歇电子能谱分析原理及方法XXX【摘要】近年来，俄歇电子能谱（AES）分析方法发展迅速，它具有很多的优点，比如分析速度快、精度高、需要样品少等等，也因此在很多研究领域的表面分析中都得到了广泛的应用。可以不夸张的说，这个技术为表面物理和化学定量分析奠定了基础。本文主要是介绍俄歇电子能谱分析的主要原理及其在科学研究中的主要应用，旨在让读者对俄歇电子能谱有一个初步的了解。关键词：俄歇电子能谱；表面物理；化学分析。前言近些年来，俄歇电子能谱分析发展如火如荼，在各个领域都有很抢眼的表现。目前有很多的人在研究，将俄歇电子分析技术应用到电子碰撞以及微纳尺度加工等高技术领域，俄歇电子能谱分析方法表现出强大的生命力，同目前已为很人熟悉和赞赏的强有力的分析仪器电子探针相比俄歇电子能仪可能有几个独到之处:(1)能分析固体表面薄到只有几分之一原子层内的化学元素组成，这里说的“表面”指的不只是固体的自然表面,也指固体内颗粒的分界面,(2)俄歇电子谱的精细结构中包含有许多化学信自,借此可以推断原子的价态;(3)除氢和氦外所有元素都可以分析,特别是分析轻元素最为有利;(4)利用低能电子衍射装置和俄歇能谱分析器相结合的仪器(“LEED一Au-ger”装置),有可能从得到的数据资料中分晶体表面的结构,推断原子在晶胞中的位置。因此,俄歇电子能谱仪作为固体材料分析的一个重要工具,近年来发展很快,研究成果不断出现于最新的文献中。本文主要是想要综合论述俄歇电子能谱的分析方法，以及概述它在各方面的应用。[1][1]《俄歇电子能谱仪及其应用》许自图正文一、俄歇电子能谱分析的原理1.1俄歇电子能谱发现的历史1925年法国科学家俄歇在威尔逊云室中首次观察到了俄歇电子的轨迹，并且他正确的解释了俄歇电子产生的过程，为了纪念他，就用他的名字命名了这种物理现象。到了1953年，兰德才从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电子谱线，但是由于俄歇电子谱线强度较低，所以当时检测还比较困难。到了1968年，哈里斯应用微分法和锁相放大器，才解决了如何检测俄歇电子信号的问题，也由此发展了俄歇电子能谱仪。俄歇电子能谱仪不仅可以作为元素的组分分析仪器，还可以检测化学环境信息。咋很多的领域都得到了应用，比如基础物理，应用表面科学等等。1.2俄歇效应当一束具有一定能量的电子束（一次电子）射到固体表面的时候，原子对电子产生了弹性散射和非弹性散射。非弹性散射使得电子和原子之间发生了能量的转移，发出X-射线以及二次电子。这个时候如果在固体表面安装一个接受电子的探测器，就可以得到反射电子的数目（强度）按能量分布的电子能谱曲线。图1入射电子在固体中激发出的二次电子能谱俄歇电子是指外壳层电子填补内壳层空穴所释放出来的能量激发了外壳层的另外一电子，并且使得它脱离原子核，逃逸出固体表面的电子，这个过程被俄歇发现，所以称为俄歇电子。图2入射电子束示意图图3俄歇电子效应图因为不同的元素原子具有它特征的俄歇电子能量，也就是具有特征的俄歇峰，因此可以用来鉴别元素。俄歇电子在从固体内部逸出进入真空之前，遭到表层电子的非弹性碰撞发生能量损失，所以有一个临界的深度，在这个深度以下的俄歇电子不能够逸出固体表面，这个深度用俄歇电子平均自由程来表达，可以近似的认为主要与俄歇电子的能量有关，与固体材料的性质无关。经过科学家多年的实验分析拟合，发现俄歇电子的平均自由程和电子能量有如下的关系：λ=0.44（E）^0.5(λ的单位为埃，E的单位为电子伏特)，通过这个公式可以估算出不同能量的俄歇电子的逸出深度。所以，俄歇电子成为了表面分析的很有利的工具。[2]图4俄歇电子平均自由程和能量的关系二、俄歇能谱仪应用俄歇效应来进行研究，需要用到俄歇能谱仪，俄歇能谱仪一般包括以下几个部分：2.1激发样品的电子束源激发源为同轴电子枪，电子从热阴极发出，之后被电场加速，经过偏转和聚焦之后打在样品之上。2.2能量分析器可以将各种不同能量的俄歇电子按能量进行分离，并且聚焦到收集极。2.3检测系统包括了俄歇电子的接收，放大和输出。2.4超高真空系统能谱分析仪器都需要无油超高真空系统。包括冷凝泵、升华泵及离子泵。冷凝泵又称为吸附泵，主要是利用低温表面的吸附作用来排除气体。升华泵主要是利用化学吸附去除气体，主要是利用Ti丝加热后蒸发，形成Ti膜，这种Ti膜具有很高的化学活性。它能够和很多的活性气体结合，形成稳定的化合物，通过这个方式来达到抽离空气的作用。离子泵是一种磁控放电阴极活性材料溅射而达到抽气目的的装置。[2]《俄歇能谱的基本原理及应用》任大刚2.5样品室金属样品通过机械或者化学抛光，并且吹干后，可装入样品室。样品室有特制的样品架，可以放置各种不同样式的样品。[3]图5俄歇能谱仪三、俄歇电子能谱分析的方法及应用3.1俄歇能谱的应用俄歇电子已经成为固体表面元素分析的有力工具，在表面物理化学、翠花、晶界偏析、电镀、半导体等等方面都有很广泛的应用。3.1.1测定表面化学组成任何的表面研究都需要首先对表面的化学组成有一个清楚的认识。俄歇电子能谱给我们提供了这样一种方法。俄歇电子谱仪可以灵敏的辨别金属，半导体和绝缘体表层的元素组成。3.1.2元素沿深度方向的分布主要是应用于研究各种成分在界面处的变化以及在热处理过程中不同的深度，组分的变化。[3]《俄歇能谱的基本原理及其应用》任大刚图6俄歇电子对深度很敏感3.1.3元素化学状态的分析俄歇电子的能量只取决于原子的特性，与入射电子的能量无关。所以测量俄歇电子的能量分布，就可以确定材料表面的元素分布了。原则上，AES可以鉴定除氢和氦以外的所有元素。例如，已经用AES测定了月球表面的样品，发现存在Al，Si，S，Cl，K，C，Ca，Ti，O和Fe。用AES检测表面元素组成具有很高的灵敏度。理论上可检测的面浓度可低至10的10次方个/平方厘米。[4]3.1.4定量分析定量分析的主要目标是要求出指定的区域内单位体积中某种元素的原子数，就是原子密度你n（个/cm2）或者单位体积内某种元祖的原子数占总原子数的百分比，就是原子浓度C（%）两者之间的关系是：C=n/N（N表示单位体积内的所有原子数目）当然，目前计算n和C有很多种方法，比如纯元素标样法、相对灵敏因子法及多元素标样法，但是这些方法受到的影响都很多，虽然可以采取一些措施来弥补，但是目前的技术，影响还是相对较大的，不能让人满意。现在的俄歇分析仪器通过计算机处理之后可以给出样品中所含元素的原子浓度C。[5][4]《俄歇电子能谱简介》赵良仲[5]《俄歇电子能谱分析方法及其应用》王文生天津大学总结与展望俄歇电子能谱仪近年来已经在各方各面获得很广泛的应用，但是分析技术本身也是在慢慢的不断发展与完善的过程中。俄歇电子能谱仪存在的一些问题主要是：①由于入射电子长时间对样品进行轰击，在样品的表面造成了吸附现象，原子扩散和升温等等，因此影响了测量结果的准确性。测量的结果不能够真是的反映样品表面的本来面貌，所以，我们应该降低入射电子的强度，提高分析的灵敏度和分析的速度，这是提高分析精度的一种途径。同时努力提高空间的分析精度和能量的分辨率也是俄歇电子能谱仪发展的一个方面。②俄歇电子能谱仪只能够给出定性和半定量的分析，所以提高俄歇电子能谱仪的测量精度，让其实现定量分析，是俄歇电子能谱仪研究的另外一个发展方向，也是扩大其应用领域的必由之路。③近年来，各种表面分析的仪器发展迅速，比如俄歇电子谱、扫描电子显微镜、光电子谱、二次离子谱等。这些设备的出现，给表面研究提供了可靠的，强有力的工具，也给表面科学注入了新的活力。[6]参考文献：《俄歇电子能谱仪及其应用》许自图《俄歇能谱的基本原理及应用》任大刚《俄歇电子能谱简介》赵良仲《俄歇电子能谱分析方法及其应用》王文生天津大学《俄歇电子谱及其应用》伍乃娟《微纳尺度表征的俄歇电子能谱新技术》徐富春厦门大学《俄歇电子能谱仪的研制和Ar的快点子碰撞》任林茂中国科学技术大学[6]《俄歇电子谱及其应用》伍乃娟