俄歇电子能谱
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俄歇电子AES能谱20
分析表面涂层和薄膜的组成、结构和性能，评估其稳定性和耐久性。
03
表面工程中俄歇电子能谱的应用案例
介绍成功应用俄歇电子能谱解决表面工程中关键问题的案例。
生物医学中的俄歇电子能谱应用
生物分子结构和功能的俄歇电子能谱研究
研究生物分子的结构和功能，揭示其在生命过程中的作用和机制。
1955年，美国物理学家罗伯特·穆顿 提出了穆顿模型，为俄歇电子能谱学 的发展提供了重要的模型基础。
1932年，法国物理学家厄内斯特·卢 瑟福提出了著名的卢瑟福散射公式， 为俄歇电子能谱学的发展提供了重要 的理论基础。
1960年，美国物理学家约翰·芬尼根 提出了芬尼根模型，为俄歇电子能谱 学的发展提供了更精确的理论基础。
价带结构分析
通过俄歇电子能谱可以研究半导体材料的价带结构，从而推断材料的导电性能和光学性质。通过分析 俄歇电子的能量分布，可以得到价带结构的能级位置和带宽等信息。
薄膜材料的俄歇电子能谱分析
薄膜厚度和组分分析
俄歇电子能谱可以用来分析薄膜材料的 厚度和组分信息。通过测量不同元素的 俄歇电子能量和强度，可以确定薄膜中 各元素的种类和含量。
AES能谱
通过对俄歇电子的能量进行分析，可 以得到样品的化学成分和结构信息。
AES能谱的实验方法
实验设备
AES能谱仪通常包括X射线源 、离子源、样品室、能量分析
器和检测器等部分。
实验步骤
将样品放置在样品台上，通过离子 束或X射线束对其进行照射，然后 收集俄歇电子并对其进行能量分析 。
数据处理
通过对AES能谱的数据进行处理和 分析，可以得到样品的化学成分和 结构信息。
药物设计和开发的俄歇电子能谱应用
利用俄歇电子能谱研究药物与生物分子的相互作用和结合模式，为新药设计和开发提供支 持。
7-4 俄歇电子能谱(AES)
§7.4 俄歇电子能谱(AES)俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束使原子内层能级电子电离，产生无辐射俄歇跃迁，用电子能谱仪在真空中对它们进行探测。
虽然早在1925年法国的物理学家俄歇（P.Auger ）在用X 射线研究光电效应时就已发现俄歇电子，并对这种电子的产生给予了正确的解释。
但直到1968年哈里斯（L.A.Harris ）采用微分电子线路，首创了微分形式俄歇电子能量分布曲线测定法后，解决了如何从强大的本底和噪声中把俄歇信号检测出来的问题，俄歇电子能谱开始进入实用化阶段。
1969年，帕尔姆堡（Palmberg ）等引进了筒镜能量分析器，进一步提高了信噪比，使AES 达到很高的灵敏度和分析速度，而一年后出现的扫描俄歇显微探针系统（SAM ）使AES 从定点分析发展为二维表面分析。
目前，俄歇电子能谱是表面科学领域中最广泛使用的表面化学成分分析仪器之一。
7.4.1 俄歇过程和俄歇电子能量当原子内层W 能级的一个电子被具有足够能量的光子或入射电子电离时，在W 能级产生一个空穴，该空穴立即就被较高能级的另一电子通过W X →跃迁所填充，多余的能量交给Y 能级上的电子，使之成为俄歇电子发射出去。
这种跃迁过程称为俄歇过程或俄歇效应（图7.4.1）。
一般用原子中出现空穴的能级次序来表示相应的俄歇过程。
上述过程用符号表示就是WXY ，表明W 空穴被Ｘ电子填充使Ｙ电子成为俄歇电子。
通常把来自1s 壳层的电子标记为K ，来自2s 的电子标记为1L ，来自2p 的电子标记为2L 、3L 等；把来自价壳层的电子标记为V 。
一般最明显的俄歇跃迁都是Ｘ、Ｙ主量子数相等，同时Ｘ、Ｙ主量子数比Ｗ大一的过程，如KLL 、LMM 、MNN 和NOO 俄歇跃迁。
由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： φ-∆+--=)()()(Z E Z E Z E E Y X W WXY (7.4.1) 其中φ为功函数，Z 是原子序数)3(≥Z 。
材料科学研究方法-俄歇电子能谱
断口表层
（《材料电子显微分析》P176图5-15）
距断口表层4.5nm深度处
（采用氩离子喷溅技术逐层剥离）
俄歇能谱分析结果表明：
磷在晶界处显著富集，含量高达4.72%，较基体磷高235倍，而在晶界 两侧急剧下降，在距晶界约4.5nm处已下降到基体水平。 所以，磷元素主要集中在晶界2nm的范围内，这不是其它微区分析技 术所能测出来的。（如：普通EPMA的空间分辨率约为1微米左右）
3)能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰 低能侧的拖尾峰。
由于俄歇电子位移机理比较复杂，涉及到 三个能级，不象X射线光电子能谱那样容易识别和 分析，并且通常使用的俄歇谱仪分辨率较低，这方 面的应用受到了很大的限制。
俄歇电子能谱法的应用
优点： ①作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸 出深度(电子平均自由程)。对于能量为50eV~2keV范围内 的俄歇电子，逸出深度为0.4~2nm。深度分辨率约为1nm， 横向分辨率取决于入射束斑大小。 ②可分析除H、He以外的各种元素。 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。
100 Si 80 SiO2 界面层
原子摩尔百分数浓度
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
微区分析
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个 重要功能，可以分为选点分析，线扫描 分析和面扫描分析三个方面。 这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件 研究中最常用的方法，也是纳米材料研 究的主要手段。
WXY俄歇过程示意图
俄歇电子能谱
主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、（样品）分析室、
溅射离子枪和信号处理与记录系统等
5
9
AES应用
AES具有五个有用的特征量：特征能量、强度、峰位移、谱线宽 和线型。 由AES的这五方面特征可获如下：表面特征化学组成、覆盖度键 中的电荷转移、电子态密度和表面键中的电子能级等。
采用俄歇电子能谱可得到的信号种类和知识
13
AES应用---表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是AES分析的一种重要功能。俄歇电子能谱的化学位
移分析在薄膜材料的研究上获得了重要的应用，取得了很好的效果。但是，由于我们很 难找到俄歇化学位移的标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比，这是利 用俄歇电子能谱研究化学价态的不利之处。此外，俄歇电子能谱不仅有化学位移的变化， 还有线形的变化。俄歇电子能谱的线形分析也是进行元素化学价态分析的重要方法。
15
AES应用---微区分析
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为选点分析， 线扫描分析和面扫描分析三个方面。这种功能是俄歇电子能谱在微电子 器件研究中最常用的方法，也是纳米材料研究的主要手段。 俄歇电子能谱的线扫描分析常应用于表面扩散研究，界面分析研究等方 面
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号强 度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的 扩散过程是不一样的。
16
AES应用的优缺点
优点
①作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度(电子平均自由程)。 对于能量为50eV~2keV范围内的俄歇电子，逸出深度为0.4~2nm。深度分辨率 约为1nm，横向分辨率取决于入射束斑大小。 ②可分析除H、He以外的各种元素。 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。
溅射离子枪和信号处理与记录系统等
5
9
AES应用
AES具有五个有用的特征量：特征能量、强度、峰位移、谱线宽 和线型。 由AES的这五方面特征可获如下：表面特征化学组成、覆盖度键 中的电荷转移、电子态密度和表面键中的电子能级等。
采用俄歇电子能谱可得到的信号种类和知识
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AES应用---表面元素的化学价态分析
表面元素化学价态分析是AES分析的一种重要功能。俄歇电子能谱的化学位
移分析在薄膜材料的研究上获得了重要的应用，取得了很好的效果。但是，由于我们很 难找到俄歇化学位移的标准数据，要判断其价态，必须用自制的标样进行对比，这是利 用俄歇电子能谱研究化学价态的不利之处。此外，俄歇电子能谱不仅有化学位移的变化， 还有线形的变化。俄歇电子能谱的线形分析也是进行元素化学价态分析的重要方法。
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AES应用---微区分析
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为选点分析， 线扫描分析和面扫描分析三个方面。这种功能是俄歇电子能谱在微电子 器件研究中最常用的方法，也是纳米材料研究的主要手段。 俄歇电子能谱的线扫描分析常应用于表面扩散研究，界面分析研究等方 面
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号强 度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的 扩散过程是不一样的。
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AES应用的优缺点
优点
①作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度(电子平均自由程)。 对于能量为50eV~2keV范围内的俄歇电子，逸出深度为0.4~2nm。深度分辨率 约为1nm，横向分辨率取决于入射束斑大小。 ②可分析除H、He以外的各种元素。 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。
俄歇电子能谱AES解读ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
4. 俄歇过程中的能量关系： KLL俄歇过程所产生的俄歇电子能量可以用下面
的方程表示：
EKLL (Z)= EK(Z) - EL1(Z) - EL2(Z+) - s
俄歇电子强度不仅与原子多少有关,还与俄歇电子 的逃逸深度、样品的表面光洁度、元素存在的化 学状态有关。因此,AES 技术一般不能给出所分 析元素的绝对含量,仅能提供元素的相对含量
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三、俄歇电子谱分析技术
2、俄歇谱分析技术
AES具有五个有用的特征量: 特征能量; 强度; 峰位移; 谱线宽;和线型由AES的这五方面特征可获如下表面 特征、化学组成、覆盖度、键中的电荷转移、电子 态密度和表面键中的电子能级
5. 俄歇电子谱的化学效应：
俄歇能谱中出现的化学效应有如下三种:
化学位移 峰形状的变化 峰的低能侧的形状变化
AES中可观察到化学位移,但涉及到的三个电子中 的每一个都可能与多重终态或弛豫效应有关AES数 据非常复杂,比XPS更难于解释,所以AES并不象 XPS那样多地用于化学环境信息而是大量用于定量 组分分析
三、俄歇电子谱分析技术 经营者提供商品或者服务有欺诈行为的，应当按照消费者的要求增加赔偿其受到的损失，增加赔偿的金额为消费者购买商品的价款或接受服务的费用
俄歇电子能谱
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100 Si 80 SiO2 界面层
原子摩尔百分数浓度
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
16
微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能， 可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个 方面。 这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常 用的方法，也是纳米材料研究的主要手段。
18
Ag －Au/Si(111)
计数 / 任意单位
Ag
Au
0
100
200
300
400
500
600
700
距离 / m
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的 样品表面的Ag和Au元素的线扫描分布图
19
俄歇电子能谱的面分布分析也可称为俄歇电子 能谱的元素分布的图像分析。它可以把某个元素在 某一区域内的分布以图像的方式表示出来，就象电 镜照片一样。只不过电镜照片提供的是样品表面的 形貌像，而俄歇电子能谱提供的是元素的分布像。 结合俄歇化学位移分析，还可以获得特定化学 价态元素的化学分布像。俄歇电子能谱的面分布分 析适合于微型材料和技术的研究，也适合表面扩散 等领域的研究。在常规分析中，由于该分析方法耗 时非常长，一般很少使用。
4
积分谱根据能量分辨率的不同设置方式，也有两 种形式，即NE(E)~E和N(E)~E。积分谱的信噪比 优于微分谱，但信背比却低于微分谱。
5
1、表面元素定性鉴定 2、表面元素的半定量分析 3、表面元素的化学价态分析 4、元素沿深度方向的分布分析 5、微区分析 6、选点分析、线扫描分析、元素面分布分析
100 Si 80 SiO2 界面层
原子摩尔百分数浓度
60 O
O
40 Si 20 PZT O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 溅射时间 / min 3.5 4
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
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微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能， 可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个 方面。 这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常 用的方法，也是纳米材料研究的主要手段。
18
Ag －Au/Si(111)
计数 / 任意单位
Ag
Au
0
100
200
300
400
500
600
700
距离 / m
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁移后的 样品表面的Ag和Au元素的线扫描分布图
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俄歇电子能谱的面分布分析也可称为俄歇电子 能谱的元素分布的图像分析。它可以把某个元素在 某一区域内的分布以图像的方式表示出来，就象电 镜照片一样。只不过电镜照片提供的是样品表面的 形貌像，而俄歇电子能谱提供的是元素的分布像。 结合俄歇化学位移分析，还可以获得特定化学 价态元素的化学分布像。俄歇电子能谱的面分布分 析适合于微型材料和技术的研究，也适合表面扩散 等领域的研究。在常规分析中，由于该分析方法耗 时非常长，一般很少使用。
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积分谱根据能量分辨率的不同设置方式，也有两 种形式，即NE(E)~E和N(E)~E。积分谱的信噪比 优于微分谱，但信背比却低于微分谱。
5
1、表面元素定性鉴定 2、表面元素的半定量分析 3、表面元素的化学价态分析 4、元素沿深度方向的分布分析 5、微区分析 6、选点分析、线扫描分析、元素面分布分析
俄歇电子能谱
电子源目前有两种：热电子发射源和场发 射电子源。 热电子发射源，是通过对发射体(阴极)加热， 使电子获得足够能量以克服表面势垒(称功函 数或逸出功)而逸出，电子流密度与发射体的 功函数和温度有关。
场发射电子源，其原理是发射体外施加一 强电场，使发射体的表面势垒降低，宽度变 窄，从而电子得以穿透而逸出。
2、激发源
样品原子的激发可以用不同的方式完成。作 为常规分析用的激发源都为具有一定能量的电 子束，其原因是电子束易实现聚焦和偏转，另 外它不破坏真空度。
某些特殊场合也可使用光子束作为激发源。 其优点是二次电子背景可大大减少，辐射损伤 小于电子束。 另外，离子轰击也可以激发俄歇过程。
(1) 电子源
(2)尺寸：能分析的单颗粉末粒子直径小至1μm， 最大试样尺寸取决于具体的仪器，通常是直径 1.5cm及高0.5cm。
(3)表面：最好是平整表面，但是粗糙表面可以 在局部小面积上(约1μm)分析或者在大面积上(直 径0.5mm)取平均值。
(4)制备：通常不需要制备，试样不能有手指印、 油类和其它高蒸气压物质。
1925年俄歇(Auger)用X射线在威尔逊云室中 研究气体光电效应时，观察到一种先前未被人 们辨认出的电子径迹。
他认为此种电子是通过原子能级间非辐射跃 迁而发射出来的。 1953年朗特(Lander)首次用电子作激发源， 进行表面分析，并从材料背散射电子能量分布 中辨认出俄歇谱线。 但是由于俄歇信号强度低，探测困难，因此 在相当长时期未能实际运用。
(5)研究表面化学过程，包括反应产物和反应动 力学的研究。涉及吸附、多相催化、腐蚀、钝化、 氧化等。
3、样品
(1)形式：具有较低蒸气压(室温下<10-8Torr)的 固体，如金属、陶瓷和有机材料。蒸气压高的材 料可以用试样冷却进行处理。 同样，许多液体样品也可用试样冷却方法或者 作为薄膜涂在导电物质上进行处理。
场发射电子源，其原理是发射体外施加一 强电场，使发射体的表面势垒降低，宽度变 窄，从而电子得以穿透而逸出。
2、激发源
样品原子的激发可以用不同的方式完成。作 为常规分析用的激发源都为具有一定能量的电 子束，其原因是电子束易实现聚焦和偏转，另 外它不破坏真空度。
某些特殊场合也可使用光子束作为激发源。 其优点是二次电子背景可大大减少，辐射损伤 小于电子束。 另外，离子轰击也可以激发俄歇过程。
(1) 电子源
(2)尺寸：能分析的单颗粉末粒子直径小至1μm， 最大试样尺寸取决于具体的仪器，通常是直径 1.5cm及高0.5cm。
(3)表面：最好是平整表面，但是粗糙表面可以 在局部小面积上(约1μm)分析或者在大面积上(直 径0.5mm)取平均值。
(4)制备：通常不需要制备，试样不能有手指印、 油类和其它高蒸气压物质。
1925年俄歇(Auger)用X射线在威尔逊云室中 研究气体光电效应时，观察到一种先前未被人 们辨认出的电子径迹。
他认为此种电子是通过原子能级间非辐射跃 迁而发射出来的。 1953年朗特(Lander)首次用电子作激发源， 进行表面分析，并从材料背散射电子能量分布 中辨认出俄歇谱线。 但是由于俄歇信号强度低，探测困难，因此 在相当长时期未能实际运用。
(5)研究表面化学过程，包括反应产物和反应动 力学的研究。涉及吸附、多相催化、腐蚀、钝化、 氧化等。
3、样品
(1)形式：具有较低蒸气压(室温下<10-8Torr)的 固体，如金属、陶瓷和有机材料。蒸气压高的材 料可以用试样冷却进行处理。 同样，许多液体样品也可用试样冷却方法或者 作为薄膜涂在导电物质上进行处理。
俄歇电子能谱
俄歇电子能谱
AES Auger Electron Spectroscopy
AES：概述（1）
特点： 表面灵敏度高： 0~3nm 元素分析范围广：Z≥3 微区分析能力强：给出元素在表面上的一维和二维分
布图象，横向分辨率为~15nm
经离子溅射可进行深度剖析：给出元素三维分布 化学态信息丰富
wunderbar
KL2,3L2,3——2s22p4(1D,3P,1S)Βιβλιοθήκη wunderbar7
AES：原理（3）
俄歇电子能量
俄歇电子的动能： 与入射粒子的类型 和能量无关，只是 发射原子的特征。 =可由跃迁前后原 子系统总能量的差 求出 实心代表强度 高的俄歇电子
wunderbar 8
AES：原理（4）
俄歇电子能量
wunderbar 6
AES：原理（2）
KLL型跃迁的初始态为K层有 1空穴，终态可用电子组态 和光谱项表示：6种
S、P、D表示总轨道角动量量 子数为1、2、3； 左上角的1或3表示总自旋的取 向不同造成的单态或三重态。
KL1L1——2s02p6(1S)
KL1L2,3——2s12p5(1P,3P)
wunderbar 5
AES：原理（1）
俄歇电子发射
原子在高能粒子（ x 射 线、电子、离子或中 性粒子）照射下，内 层电子获得足够能量 而电离，并流下空穴 →原子处于激发态 外层电子向内层空穴 跃迁，原子多余的能 量或发射 x 射线（辐射 跃迁），或发射第三 个电子，即俄歇电子 （俄歇跃迁）。 俄歇电子发射涉及3个 能级
wunderbar 9
AES：原理（5）
俄歇电子产额（跃迁几 率）：决定谱峰高度
俄歇电子的产额：可用 量子力学计算。 低Z元素：俄歇过程占主 导，且变化不大 高Z元素：X射线发射成 为优先的过程。
AES Auger Electron Spectroscopy
AES：概述（1）
特点： 表面灵敏度高： 0~3nm 元素分析范围广：Z≥3 微区分析能力强：给出元素在表面上的一维和二维分
布图象，横向分辨率为~15nm
经离子溅射可进行深度剖析：给出元素三维分布 化学态信息丰富
wunderbar
KL2,3L2,3——2s22p4(1D,3P,1S)Βιβλιοθήκη wunderbar7
AES：原理（3）
俄歇电子能量
俄歇电子的动能： 与入射粒子的类型 和能量无关，只是 发射原子的特征。 =可由跃迁前后原 子系统总能量的差 求出 实心代表强度 高的俄歇电子
wunderbar 8
AES：原理（4）
俄歇电子能量
wunderbar 6
AES：原理（2）
KLL型跃迁的初始态为K层有 1空穴，终态可用电子组态 和光谱项表示：6种
S、P、D表示总轨道角动量量 子数为1、2、3； 左上角的1或3表示总自旋的取 向不同造成的单态或三重态。
KL1L1——2s02p6(1S)
KL1L2,3——2s12p5(1P,3P)
wunderbar 5
AES：原理（1）
俄歇电子发射
原子在高能粒子（ x 射 线、电子、离子或中 性粒子）照射下，内 层电子获得足够能量 而电离，并流下空穴 →原子处于激发态 外层电子向内层空穴 跃迁，原子多余的能 量或发射 x 射线（辐射 跃迁），或发射第三 个电子，即俄歇电子 （俄歇跃迁）。 俄歇电子发射涉及3个 能级
wunderbar 9
AES：原理（5）
俄歇电子产额（跃迁几 率）：决定谱峰高度
俄歇电子的产额：可用 量子力学计算。 低Z元素：俄歇过程占主 导，且变化不大 高Z元素：X射线发射成 为优先的过程。
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1896
1920
1987
2006
俄歇电子能谱（AES）
一、方法原理 二、仪器结构 三、数据分析与表征 CO N TA N T S
四、AES的应用
历史与现状
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。 1953年，兰德从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电
2.激发源
样品原子的激发可以用不同的方式完成。作为常规分析 用的激发源都为具有一定能量的电子束，其原因是电子 束易实现聚焦和偏转，另外它不破坏真空度。 某些特殊场合也可使用光子束作为激发源。其优点是二 次电子背景可大大减少，辐射损伤小于电子束。 另外，离子轰击也可以激发俄歇电子。
（1）电子源
电子源目前有两种：热电子发射源和场发射电子源。 热电子发射源，是通过对发射体（阴极）加热，使垫子 获得足够能量以克服表面势垒（称功函数或逸出功）而 逸出，电子流密度与发射体的功函数和温度有关。 场发射电子源，其原理是发射体外施加一强电场，是发 射体的表面势垒降低，宽度变窄，从而电子得以逸出。
俄歇电子从入口位置进入两圆 筒夹层，因外筒加有偏转电压 ，最后使电子从出口进入检测 器。若连续的改变外筒上的偏 转电压，就可在检测器上依次 接收到具有不同能量的俄歇电 子。 从能量分析器输出的电子经电 子倍增器、前置放大器后进入 脉冲计数器，最后由x-y记录 仪或荧光屏显示俄歇谱。
不同能量的电子通过分析器后最大限度的被分离，以便 选出某种能量的电子（色散特性——获得高分辨率） 具有相同能量、不同发射角的电子尽可能会聚于一点（ 聚焦特性——获得高灵敏度） 上述两方面要求相互矛盾，应根据具体问题，做折中选 择。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为使工作正常进行，上述部分部件必须在超高真 空条件下运转，为此必须适配适当的真空系统。
目前俄歇电子能谱仪大多实现了计算机在线控制 ，AES的工作已经实现了自动化。
1.超高真空
超高真空是为了保持样品表面的原始状态，并保证在分 析过程中不变。 俄歇电子能谱仪用的典型真空系统主要有：溅射离子泵 、扩散泵、涡轮分子泵，AES大多采用离子泵系统。
式。因此具有广阔的应用前景。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应有三类：
原子发生电荷转移引起内层能级移动；
化学环境变化引起价电子态密度变化，从而引起价带谱的峰形变 化；
俄歇电子逸出表面时由于能量损失机理引起的低能端形状改变，
同样也与化学环境有关。 原子因“化学环境”变化而引起俄歇峰的位移成为化学位移。
俄歇电子的能量和入射电子的能量无关，只依赖于原子 的能级结构和俄歇电子发射前所处的能级位置！
一、方法原理
俄歇过程的表示
俄歇电子用原子中出现的空穴的X射线能级符号次序表示。
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。
一、方法原理
原子中的一个K层电子被入射光击出后，L层的一个电子跃入K层填补空位，
所在的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，每一个群又有间隔很近的若干条谱线组成，如KLL群包括
KL1L2，KL2L3等谱线。
所有俄歇电子谱线中，K系列最简单。L和M系列的谱线要复杂的多， 这是因为原子初态的多样性和多重电离的原因。 由于俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以除了H和He原子， 其他原子都可以产生俄歇电子。
（2）电子枪
电子枪是AES的激发源,它产生具有一定能量的电子束。 提供入射电子束的电子枪主要有三个技术要求:①能产生 足够大的电流,调制方便,有较高的调制灵敏度;②聚焦性能 良好;③结构简单,制造装配方便。 电子枪主要包括两个部分:一个能发射电子并能初步聚焦 的发射系统,又称第一透镜,或者预透镜;一个能把发射系统 出来的电子束聚焦成像的主聚焦系统,又称第二透镜,或者 主透镜。
（2）半球型能量分析器
样品、G1接地——形成无场空 间，电子按原有方向前进
G2、G3接负电位-Vr——对电 子形成拒斥场
G4接地——减小电场渗透和电 位畸变，提高分辨率 收集极接正电压——收集电子
缺点：分辨率不高，检测灵敏 度低
4.锁相放大器
以电子束激发的俄歇过程，其 俄歇电子数值大致为二次电子 背景的1/10，在俄歇分析中的 最大困难是如何从强大的背景 中检测出微弱的俄歇信号。 采用锁相放大技术实现对俄歇 谱的能量微分，并通过频率和 相位的选择性放大，是解决上 述困难的关键。
的束缚电子发射出来。这时，外层能量高的电子 会跃迁到内层填补这个空穴，并释放出能量。释
放方式有两种：一种以光子形式辐射出，如发射
X射线；另一种是将该能量转移，转移给另一个 电子，得到能量的电子会从原子中激发出来，这 就是具有特征能量的俄歇电子。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。
一、方法原理
俄歇电子产额
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定
了俄歇谱峰强度，直接关系到元素 的定量分析。
俄歇电子与荧光X射线是两个互相关
联和竞争的发射过程。对同一K层空 穴，退激发过程中荧光X射线与俄歇 电子的相对发射几率，即荧光产额 (ω k)和俄歇电子产额(α k)满足
由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇电子的几率在90%以上；随Z
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。
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。 1 9 6 9 年 ， P a l m b e r g , B o h n a n d Tr a c e y 引 进 了 镜 筒 能 量 分 析 器 ( C M A ) ， 提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。 70年代中期，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄 歇微探针(SAM)配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头，兼有 扫描电影和电子探针的功能。 近十年，俄歇电子能谱适应纳米材料的特点，6nm空间分辨率。
定义
优点
缺点
获取方式
积分谱
N(E)-E
保证信息量 高信噪比 高信背比 （俄歇电子 信号强度占 比小），易 识别
背景难以直接 处理 可能失去部分 有用信息且解 释复杂
可以直接获得
微分谱
dN(E)/dE-E
通过微分电路或 计算机数字微分 获得
三、数据分析与表征
负峰尖锐，正峰较小
三、数据分析与表征
俄歇电子峰叠加在二次电子谱和散射电子谱上， 俄歇峰出现在非弹性散射区域。 二次电子 非弹性散射 弹性散射
三、数据分析与表征
三、数据分析与表征
俄歇电子动能
俄歇电子能谱主要依靠俄歇电子 的能量来识别元素，因此准确了 解俄歇电子的能量对俄歇电子能
谱是非常重要的。
通常有关元素的俄歇电子能量可 以从俄歇手册上直接查得，不需
要人工进行计算。
俄歇电子的强度除了与元素的存 在量有关外，还与原子的电离截 面，俄歇产率以及逃逸深度等因 素有关。（半定量）
3.电子能量分析器
电子能量分析器是俄歇谱仪的核心部分，用以测量俄歇 电子的动能。 目前AES使用的静电偏转型分析器主要有两种：筒镜型分 析器、半球型分析器。
（1）筒镜分析器
两个同心的圆筒。样品和 内筒同时接地，在外筒上 施加一个负的偏转电压， 内筒上开有圆环状的电子 入口和出口。
激发电子枪放在筒镜分析 器的内腔中，也可以放在 筒镜分析器外。
如图是电子枪的结构示意图。 其预透镜包括四个电极:灯丝、 栅极V0和阳极V1和V2-1。在 阴极和阳极之间是控制电子束 电流密度的调制极V0,习惯上 也称之为栅极,它通常具有较阴 极为负的电位,电子束会在栅极 附近会聚,形成最小截面圆。阳 极2-1是使电子获得动能的加 速极。电极V1和V2-1同样具 有较阴极为正的电位,其作用主 要是控制电子束流密度和电子 束张角。
5.离子枪和预处理室
离子枪是进行样品表面剖离的装置，主要用于样品的清 洗和样品表层成分的深度剖层分析。常用Ar作为剖离离 子，能量在1~5keV。 样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。一般 可完成清洗、断裂、镀膜、退火等一系列预处理工作。
三、数据分析与表征
俄歇谱一般有两种形式：积分谱和微分谱。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应
虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道所决定，但由于原 子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道的电子结合能 在不同的化学环境中是有微小的差异。
这种轨道结合能的微小差异导致俄歇电子能量的变化，称为俄歇化学
位移，因为它取决于元素在样品中所处的化学环境。 利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形
三、数据分析与表征
俄歇电子能谱能提供的信息
1、定性分析
定性分析是进行AES分析的首要内容，是根据 测得的Auger电子谱峰的位置和形状识别分析 区域内所存在的元素。 方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进 行对比，来识别分析区域内的未知元素。 由于微分谱具有比较好的信背比，利于元素的
的增加，X射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。Z<33时，俄歇发 射占优势。
一、方法原理
二、仪器结构
俄歇电子能谱(AES)仪是测 量俄歇电子及其能量分布 的装置。包括：激发源， 样品台及样品传送装置， 电子能量分析器，信号采 集、数据处理和显示系统。 辅助设备：离子枪，以及 电源供给和工作参数控制 系统。
电极V2-2、V3、V4、V5 和V6组成主聚焦系统。 在电极V2-1和V2-2之间, 以及V4和V6上装有带小 孔的钼片,该钼片具有限 制束收敛角的作用,也可 以在电子枪的调试中当束 偏心时进行防护和显示。 为了补偿机械上的非准直 性和杂散磁场的影响,在 电极V4和V6上各装有一 组偏转板。
1920
1987
2006
俄歇电子能谱（AES）
一、方法原理 二、仪器结构 三、数据分析与表征 CO N TA N T S
四、AES的应用
历史与现状
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。 1953年，兰德从二次电子能量分布曲线中第一次辨识出这种电子的电
2.激发源
样品原子的激发可以用不同的方式完成。作为常规分析 用的激发源都为具有一定能量的电子束，其原因是电子 束易实现聚焦和偏转，另外它不破坏真空度。 某些特殊场合也可使用光子束作为激发源。其优点是二 次电子背景可大大减少，辐射损伤小于电子束。 另外，离子轰击也可以激发俄歇电子。
（1）电子源
电子源目前有两种：热电子发射源和场发射电子源。 热电子发射源，是通过对发射体（阴极）加热，使垫子 获得足够能量以克服表面势垒（称功函数或逸出功）而 逸出，电子流密度与发射体的功函数和温度有关。 场发射电子源，其原理是发射体外施加一强电场，是发 射体的表面势垒降低，宽度变窄，从而电子得以逸出。
俄歇电子从入口位置进入两圆 筒夹层，因外筒加有偏转电压 ，最后使电子从出口进入检测 器。若连续的改变外筒上的偏 转电压，就可在检测器上依次 接收到具有不同能量的俄歇电 子。 从能量分析器输出的电子经电 子倍增器、前置放大器后进入 脉冲计数器，最后由x-y记录 仪或荧光屏显示俄歇谱。
不同能量的电子通过分析器后最大限度的被分离，以便 选出某种能量的电子（色散特性——获得高分辨率） 具有相同能量、不同发射角的电子尽可能会聚于一点（ 聚焦特性——获得高灵敏度） 上述两方面要求相互矛盾，应根据具体问题，做折中选 择。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
为使工作正常进行，上述部分部件必须在超高真 空条件下运转，为此必须适配适当的真空系统。
目前俄歇电子能谱仪大多实现了计算机在线控制 ，AES的工作已经实现了自动化。
1.超高真空
超高真空是为了保持样品表面的原始状态，并保证在分 析过程中不变。 俄歇电子能谱仪用的典型真空系统主要有：溅射离子泵 、扩散泵、涡轮分子泵，AES大多采用离子泵系统。
式。因此具有广阔的应用前景。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应有三类：
原子发生电荷转移引起内层能级移动；
化学环境变化引起价电子态密度变化，从而引起价带谱的峰形变 化；
俄歇电子逸出表面时由于能量损失机理引起的低能端形状改变，
同样也与化学环境有关。 原子因“化学环境”变化而引起俄歇峰的位移成为化学位移。
俄歇电子的能量和入射电子的能量无关，只依赖于原子 的能级结构和俄歇电子发射前所处的能级位置！
一、方法原理
俄歇过程的表示
俄歇电子用原子中出现的空穴的X射线能级符号次序表示。
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。
一、方法原理
原子中的一个K层电子被入射光击出后，L层的一个电子跃入K层填补空位，
所在的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，每一个群又有间隔很近的若干条谱线组成，如KLL群包括
KL1L2，KL2L3等谱线。
所有俄歇电子谱线中，K系列最简单。L和M系列的谱线要复杂的多， 这是因为原子初态的多样性和多重电离的原因。 由于俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以除了H和He原子， 其他原子都可以产生俄歇电子。
（2）电子枪
电子枪是AES的激发源,它产生具有一定能量的电子束。 提供入射电子束的电子枪主要有三个技术要求:①能产生 足够大的电流,调制方便,有较高的调制灵敏度;②聚焦性能 良好;③结构简单,制造装配方便。 电子枪主要包括两个部分:一个能发射电子并能初步聚焦 的发射系统,又称第一透镜,或者预透镜;一个能把发射系统 出来的电子束聚焦成像的主聚焦系统,又称第二透镜,或者 主透镜。
（2）半球型能量分析器
样品、G1接地——形成无场空 间，电子按原有方向前进
G2、G3接负电位-Vr——对电 子形成拒斥场
G4接地——减小电场渗透和电 位畸变，提高分辨率 收集极接正电压——收集电子
缺点：分辨率不高，检测灵敏 度低
4.锁相放大器
以电子束激发的俄歇过程，其 俄歇电子数值大致为二次电子 背景的1/10，在俄歇分析中的 最大困难是如何从强大的背景 中检测出微弱的俄歇信号。 采用锁相放大技术实现对俄歇 谱的能量微分，并通过频率和 相位的选择性放大，是解决上 述困难的关键。
的束缚电子发射出来。这时，外层能量高的电子 会跃迁到内层填补这个空穴，并释放出能量。释
放方式有两种：一种以光子形式辐射出，如发射
X射线；另一种是将该能量转移，转移给另一个 电子，得到能量的电子会从原子中激发出来，这 就是具有特征能量的俄歇电子。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。
一、方法原理
俄歇电子产额
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定
了俄歇谱峰强度，直接关系到元素 的定量分析。
俄歇电子与荧光X射线是两个互相关
联和竞争的发射过程。对同一K层空 穴，退激发过程中荧光X射线与俄歇 电子的相对发射几率，即荧光产额 (ω k)和俄歇电子产额(α k)满足
由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇电子的几率在90%以上；随Z
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。
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。 1 9 6 9 年 ， P a l m b e r g , B o h n a n d Tr a c e y 引 进 了 镜 筒 能 量 分 析 器 ( C M A ) ， 提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。 70年代中期，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄 歇微探针(SAM)配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头，兼有 扫描电影和电子探针的功能。 近十年，俄歇电子能谱适应纳米材料的特点，6nm空间分辨率。
定义
优点
缺点
获取方式
积分谱
N(E)-E
保证信息量 高信噪比 高信背比 （俄歇电子 信号强度占 比小），易 识别
背景难以直接 处理 可能失去部分 有用信息且解 释复杂
可以直接获得
微分谱
dN(E)/dE-E
通过微分电路或 计算机数字微分 获得
三、数据分析与表征
负峰尖锐，正峰较小
三、数据分析与表征
俄歇电子峰叠加在二次电子谱和散射电子谱上， 俄歇峰出现在非弹性散射区域。 二次电子 非弹性散射 弹性散射
三、数据分析与表征
三、数据分析与表征
俄歇电子动能
俄歇电子能谱主要依靠俄歇电子 的能量来识别元素，因此准确了 解俄歇电子的能量对俄歇电子能
谱是非常重要的。
通常有关元素的俄歇电子能量可 以从俄歇手册上直接查得，不需
要人工进行计算。
俄歇电子的强度除了与元素的存 在量有关外，还与原子的电离截 面，俄歇产率以及逃逸深度等因 素有关。（半定量）
3.电子能量分析器
电子能量分析器是俄歇谱仪的核心部分，用以测量俄歇 电子的动能。 目前AES使用的静电偏转型分析器主要有两种：筒镜型分 析器、半球型分析器。
（1）筒镜分析器
两个同心的圆筒。样品和 内筒同时接地，在外筒上 施加一个负的偏转电压， 内筒上开有圆环状的电子 入口和出口。
激发电子枪放在筒镜分析 器的内腔中，也可以放在 筒镜分析器外。
如图是电子枪的结构示意图。 其预透镜包括四个电极:灯丝、 栅极V0和阳极V1和V2-1。在 阴极和阳极之间是控制电子束 电流密度的调制极V0,习惯上 也称之为栅极,它通常具有较阴 极为负的电位,电子束会在栅极 附近会聚,形成最小截面圆。阳 极2-1是使电子获得动能的加 速极。电极V1和V2-1同样具 有较阴极为正的电位,其作用主 要是控制电子束流密度和电子 束张角。
5.离子枪和预处理室
离子枪是进行样品表面剖离的装置，主要用于样品的清 洗和样品表层成分的深度剖层分析。常用Ar作为剖离离 子，能量在1~5keV。 样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。一般 可完成清洗、断裂、镀膜、退火等一系列预处理工作。
三、数据分析与表征
俄歇谱一般有两种形式：积分谱和微分谱。
三、数据分析与表征
俄歇化学效应
虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道所决定，但由于原 子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道的电子结合能 在不同的化学环境中是有微小的差异。
这种轨道结合能的微小差异导致俄歇电子能量的变化，称为俄歇化学
位移，因为它取决于元素在样品中所处的化学环境。 利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形
三、数据分析与表征
俄歇电子能谱能提供的信息
1、定性分析
定性分析是进行AES分析的首要内容，是根据 测得的Auger电子谱峰的位置和形状识别分析 区域内所存在的元素。 方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进 行对比，来识别分析区域内的未知元素。 由于微分谱具有比较好的信背比，利于元素的
的增加，X射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。Z<33时，俄歇发 射占优势。
一、方法原理
二、仪器结构
俄歇电子能谱(AES)仪是测 量俄歇电子及其能量分布 的装置。包括：激发源， 样品台及样品传送装置， 电子能量分析器，信号采 集、数据处理和显示系统。 辅助设备：离子枪，以及 电源供给和工作参数控制 系统。
电极V2-2、V3、V4、V5 和V6组成主聚焦系统。 在电极V2-1和V2-2之间, 以及V4和V6上装有带小 孔的钼片,该钼片具有限 制束收敛角的作用,也可 以在电子枪的调试中当束 偏心时进行防护和显示。 为了补偿机械上的非准直 性和杂散磁场的影响,在 电极V4和V6上各装有一 组偏转板。