表面分析俄歇电子能谱的应用
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。
俄歇电子能谱分析
俄歇电子能谱分析一、俄歇电子能谱分析的概况与X射线光电子能谱（XPS）一样，俄歇电子能谱（AES）也可以分析除氢氦以外的所有元素，现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段。
三十多年的来，俄歇电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
俄歇电子能谱的应用领域已不再局限于传统的金属和合金，而扩展到现代迅猛发展的纳米薄膜技术和微电子技术，并大力推动了这些新兴学科的发展。
目前AES分析技术已发展成为一种最主要的表面分析工具。
在俄歇电子能谱仪的技术方面也取得了巨大的进展。
在真空系统方面已淘汰了会产生油污染的油扩散泵系统，而采用基本无有机物污染的分子泵和离子泵系统，分析室的极限真空也从10-8Pa提高到10-9Pa量级。
在电子束激发源方面，已完全淘汰了钨灯丝，发展到使用六硼化铼灯丝和肖特基场发射电子源，使得电子束的亮度，能量分辨率和空间分辨率都有了大幅度的提高。
现在电子束的最小束斑直径可以达到20nm，使得AES的微区分析能力和图象分辨率都得到了很大的提高。
AES具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层，其采样深度为1〜2nm，比XPS还要浅。
更适合于表面元素定性和定量分析，同样也可以应用于表面元素化学价态的研究。
配合离子束剥离技术，AES还具有很强的深度分析和界面分析能力。
其深度分析的速度比XPS的要快得多，深度分析的深度分辨率也比XPS的深度分析高得多。
常用来进行薄膜材料的深度剖析和界面分析。
此外，AES 还可以用来进行微区分析，且由于电子束束斑非常小，具有很高的空间分别率。
可以进行扫描和微区上进行元素的选点分析，线扫描分析和面分布分析。
因此AES方法在材料、机械、微电子等领域具有广泛应用，尤其是纳米薄膜材料领域。
二、基本原理俄歇电子能谱的原理比较复杂，涉及到原子轨道上三个电子的跃迁过程。
当X射线或电子束激发出原子内层电子后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。
俄歇电子能谱
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。
俄歇能谱的应用
俄歇能谱是一种表面分析技术，利用高能电子束作为激发源，通过分析逃逸电子的能量，可以获得表面元素的定性和定量结果。
其作用深度仅为几个原子层，具有高灵敏度、高分辨率和高分析速度等特点。
俄歇能谱广泛应用于多个领域，如物理、化学、新材料、半导体材料、失效分析等。
结合离子刻蚀技术，俄歇能谱可以方便地获得材料表面沿深度方向的元素分布状态，是表面成分分析的重要手段之一。
此外，俄歇能谱还可以用于分析固体材料表面纳米深度的元素（部分化学态）成分组成，可以对纳米级形貌进行观察和成分表征。
既可以用于分析原材料（粉末颗粒，片材等）均匀表面组成，又可以用于分析材料表面缺陷如污染、腐蚀、掺杂、吸附等。
XPS和俄歇电子能谱ppt
xps和俄歇电子能谱
xx年xx月xx日
目录
contents
引言xps技术的基本原理aes技术的基本原理xps和aes技术的应用案例xps和aes技术的前景展望
01
引言
1
xps和aes技术的简介
2
3
XPS（X射线光电子能谱）和AES（俄歇电子能谱）是表面科学中常用的两种技术。
XPS用于测量样品表面的元素组成和化学状态，而AES则用于测量表面不同深度层次上的元素组成和化学状态。
太阳能电池
XPS和AES可以用于分析太阳能电池表面的元素组成和化学状态，以优化太阳能电池的性能。
xps和aes技术在新能源领域的应用
锂离子电池
XPS和AES可以用于分析锂离子电池正负极材料的元素组成、化学状态和界面反应，以优化电池性能和寿命。
燃料电池
XPS和AES可以用于分析燃料电池催化剂的元素组成、化学状态和表面反应，以提高燃料电池的效率和稳定性。
俄歇电子能谱的作用S技术的优点包括：高分辨率、高灵敏度、能够提供元素的化学态和电子态信息等。但是，AES技术也存在一些缺点，例如样品制备复杂、测试成本高、测试时间长等。此外，对于某些元素，如氢、氦等，AES技术的检测限较高。
03
aes技术的基本原理
AES（Auger Electron Spectroscopy）是一种表面分析技术，它通过测量俄歇电子的能量分布来推断样品表面的元素组成和化学状态。俄歇电子是高能电子与样品原子或分子相互作用后，从样品中发射出的次级电子。AES技术利用能量分析器测量俄歇电子的能量分布，以获得样品的化学信息。
xps技术在材料表面分析中的应用
03
表面掺杂
AES可以用于改变材料表面的元素组成，如掺杂金属或非金属元素，以改变材料的性质。
材料科学XPS 、AES、UPS、EDS 四大能谱分析介绍
材料科学XPS 、AES、UPS、EDS四大能谱分析介绍能谱分析能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来（这些自由电子带有样品表面信息），然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法，广泛应用于材料表面分析技术。
主要有：俄歇电子能谱分析（AES）、X射线光电子能谱分析(XPS) 、紫外光电子能谱（UPS），能谱仪-电镜联用等方法。
仪器厂家1俄歇电子能谱法（AES）俄歇电子能谱法是用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。
利用受激原子俄歇跃迁退激过程发射的俄歇电子对试样微区的表面成分进行的定性定量分析。
AES可以用于研究固体表面的能带结构、表面物理化学性质的变化（如表面吸附、脱附以及表面化学反应）；用于材料组分的确定、纯度的检测、材料尤其是薄膜材料的生长等。
原理：俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程：一定能量的电子束轰击固体样品表面，将样品内原子的内层电子击出，使原子处于高能的激发态。
外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以两种方式释放能量：发射特征X射线；或引起另一外层电子电离，使其以特征能量射出固体样品表面，此即俄歇电子。
俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。
上图所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。
如 KLL跃迁：K层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2，KL2L3…等K系俄歇电子。
应用方向：1、通过俄歇电子谱研究化学组态：原子“化学环境”指原子的价态或在形成化合物时，与该(元素)原子相结合的其它(元素)原子的电负性等情况。
2、定性分析：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。
由此，可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。
3、定量分析或半定量分析：俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。
AES应用部分
(3) 吸附和催化方面的应用
(a) 吸附和脱附的研究 在表面吸附研究中，可以用俄歇电子微分谱dN(E)/dE的峰-峰高来监视吸附物质在表 面的覆盖度。
(b) 催化作用的研究
许多物质的催化作用也是一种表面现象，它受物质的表面结构和化学状态的强烈影 响，因此杂质的吸附、分凝、污染等都会影响催化活性。 例如用在氧化和脱氧反应中的铜催化剂，经AES检验后发现，在催化作用很差时， 催化剂中含有4.9%原子数的铅，这个数量是正常催化剂的三倍，这些铅是在催化剂 的制造过程中迁移到表面来的。 再如，合成甲烷中采用50%Ni-50%Al合金做催化剂，AES分析表明，当合金表面为 少量硫所覆盖时，会使催化剂失效，而且AES还表明，这些硫特别喜欢集聚在Ni的 位置上。
(c) 氧化物膜、氮化物膜、碳化物膜、硫化物膜、硅化物膜、卤化物膜等表面无机变 质层 (d) 不挥发性有机污染
(2). 在金属半导体方面的应用
金属材料的许多性质，如腐蚀 、氧化、 应力 、疲劳 、磨损 、脆性、 粘着 、形变、 摩擦等，不但与金属的表面形貌有关，也同表面组成以及吸附分凝扩散等表面现象 有关，跟金属晶界和界面情况有关，AES是这方面的一个有力的分析工具。
3、化学效应分析
化学效应是指俄歇电子峰的能量和形状因原子的化学环境变化而引起的改变。 它携带了固体表面原子所处的化学环境的信息，可作为化学状态分析的参考。 俄歇电子谱化学效应主要表现为；化学位移、谱峰形状的变化、主峰强度的变化和 伴随主峰的电子能量损失峰的变化。
二、深度剖析(Depth Profile)和显微分析
为了研究晶界的化学成分，必须在超高真空样品室内用液氮冷却的条件下，直 接敲断试样，以便提供末受玷污的原始晶界表面供分析。
表面分析技术(成分分析)
0.39%C、3.5%Ni、1.6%Cr、0.06%Sb合金钢的俄歇电子能谱曲线
LOGO
俄歇电子的检测-局限性
对元素H和He不灵敏
定量分析准确度不高，用元素 灵敏度因子方法为± 30%， 用成分相似的标样为±10%
对多数元素的探测灵敏度为原子 摩尔分数的0. 1~ 1.0 % 电子束充电会限制对高绝 缘材料的分析
EKLM=EK-EL-EM-EW
LOGO
俄歇电子的产生
原子受激发之后，俄歇电子的产 能与原子序数有关： •Z＜15的原子，俄歇电子产额很高 •Z≤14，检测KLL •Z＞14，检测LMM •Z≥42，检测MNN MNO
俄歇电子特点： •特征能量，原子序数衬度 •穿透能力，0-3nm •横向分辨率，~5nm
EELS原理及特点
EELS
EELS谱图分析
EELS应用举例
LOGO
EELS原理
将要研究的材料置于电子显微镜中， 用一束动能分布很窄的电子轰击。一部 分入射电子经历非弹性散射，其动能发 生改变（通常是减小）。动能损失的机 理有很多，包括：电子-声子相互作用, 带内或带间散射, 电子-等离子体相互作 用, 内壳层电子电离, 及轫致辐射。电子 的能量损失可以被电子谱仪定量的测量 出来。内壳层电子电离引起的非弹性散 射对于分析材料的元素构成尤为有用。 比方说，碳原子的1s电子电离能为 285eV。如果285eV的动能损失被探 测到，则材料中一定存在碳元素。
LOGO
LEED设备
低能电子枪：发射单色、能量为20~500eV 的入射电子； 清洗离子枪：Ar离子轰击清洗材料表面结合 不牢固的附作物； 拒斥场分析器：由2~4只半球形栅极和1只 半球形荧光屏构成。其中G1栅接地，与接地 的样品和分析室壁共同形成无场区；G2栅为 拒斥栅，接比电子枪阴极略高一点的电位； G1G2之间形成拒斥场，可滤去非弹性散射电 子；留下的弹性散射电子在G2和屏幕之间的 电场作用下加速打在荧光屏上，产生衍射斑点； 超真空系统：维持分析室内真空度为 1.33×10-7Pa； 检测器和样品台。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
微区分析
选点分析 俄歇电子能谱由于采用电子束作为激发源，其束斑面积可 以聚焦到非常小。从理论上，俄歇电子能谱选点分析的空 间分别率可以达到束斑面积大小。因此，利用俄歇电子能 谱可以在很微小的区域内进行选点分析，当然也可以在一 个大面积的宏观空间范围内进行选点分析。微区范围内的 选点分析可以通过计算机控制电子束的扫描，在样品表面 的吸收电流像或二次电流像图上锁定待分析点。对于在大 范围内的选点分析，一般采取移动样品的方法，使待分析 区和电子束重叠。这种方法的优点是可以在很大的空间范 围内对样品点进行分析，选点范围取决于样品架的可移动 程度。利用计算机软件选点，可以同时对多点进行表面定 性分析，表面成分分析，化学价态分析和深度分析。这是 一种非常有效的微探针分析方法。
5
深度分析
如图所示Ni-Cu合金在离子溅射 过程中的浓度变化。从图上可见， 在样品的表面，Ni的表面原子浓 度为42%。随着溅射时间的增加， Ni的原子浓度逐渐增加并达到一 个稳定值。在实际的俄歇深度分 析中，如果采用较短的溅射时间 以及较高的溅射速率，“择优溅 射”效应可以大大降低。
Ni-Cu合金的择优溅射效应
6
深度分析
图是PZT/Si薄膜界面反应后 的典型的俄歇深度分析图。
横坐标为溅射时间，与溅射
深度有对应关系。纵坐标为
元素的原子百分比。从图上
可以清晰地看到各元素在薄
膜中的分布情况。在经过界 面反应后，在PZT薄膜与硅 基底间形成了稳定的SiO2界 面层。这界面层是通过从样
品表面扩散进的氧与从基底 上扩散出的硅反应而形成的
3
深度分析
离子的溅射过程非常复杂，不仅会改变样 品表面的成分和形貌，有时还会引起元素 化学价态的变化。此外，溅射产生的表面 粗糙也会大大降低深度剖析的深度分辨率。 一般随着溅射时间的增加，表面粗糙度也 随之增加，使得界面变宽。目前解决该问 题的方法是采用旋转样品的方法，以增加 离子束的均匀性。
4
13
线扫描分析
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元素的线扫描分布见图 20。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。此外，其扩散是单向性，取决于电场 的方向。由于俄歇电子能谱的表面灵敏度很高， 线扫描是研究表面扩散的有效手段。同时对于膜 层较厚的多层膜，也可以通过对截面的线扫描获 得各层间的扩散情况。
表面分析 俄歇电子能谱的应用
朱永法 2003.12.23
1
俄歇电子能谱的信息
元素沿深度方向的分布分析 AES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有 用的分析功能。一般采用Ar离子束进行样 品表面剥离的深度分析方法。该方法是一 种破坏性分析方法，会引起表面晶格的损 伤，择优溅射和表面原子混合等现象。但 当其剥离速度很快时和剥离时间较短时， 以上效应就不太明显，一般可以不用考虑。
10
微区分析
图18 和19分别是正常区 与损伤点的俄歇深度分析 图。从图上可见，在正常 区，Si3N4薄膜的组成是 非常均匀的，N/Si原子比 为0.53。而在损伤区，虽 然Si3N4薄膜的组成也是 非常均匀的，但其N/Si原 子比下降到0.06。N元素 大量损失，该结果表明 Si3N4薄膜在热处理过程 中，在某些区域发生了氮 化硅的脱氮分解反应，并 在样品表面形成结碳。 图18 Si3N4薄膜表面正常点的俄歇深度分析
11
微区分析
图19 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇深度分析
12
线扫描分析
在研究工作中，不仅需要了解元素在不同 位置的存在状况，有时还需要了解一些元 素沿某一方向的分布情况，俄歇线扫描分 析能很好地解决这一问题，线扫描分析可 以在微观和宏观的范围内进行（1～6000 微米）。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。
2
深度分析
其分析原理是先用Ar离子把表面一定厚度的表面 层溅射掉，然后再用AES分析剥离后的表面元素 含量，这样就可以获得元素在样品中沿深度方向 的分布。由于俄歇电子能谱的采样深度较浅，因 此俄歇电子能谱的深度分析比XPS的深度分析具 有更好的深度分辨率。由于离子束与样品表面的 作用时间较长时，样品表面会产生各种效应。为 了获得较好的深度分析结果，应当选用交替式溅 射方式，并尽可能地降低每次溅射间隔的时间。 此外，为了避免离子束溅射的坑效应，离子束/电 子束的直径比应大于100倍以上，这样离子束的 溅射坑效应基本可以不予考虑。
原子摩尔百分数浓度
100
Si
80
SiO2 界面层
60 O
O
40
Si 20 PZT
O 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
溅射时间 / min
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
7
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。
9
微区分析
图17为Si3N4薄膜经 850℃快速热退火处理后表 面不同点的俄歇定性分析 图[14]。从表面定性分析 图上可见， 在正常样品区， 表面主要有Si, N以及C和O 元素存在。而在损伤点， 表面的C,O含量很高，而Si, N元素的含量却比较低。 这结果说明在损伤区发生 图17 Si3N4薄膜表面损伤点的体表面发生相互作用，从而引起表面 粒子的发射，即离子溅射。对于常规的俄歇深度 剖析，一般采用能量为500 eV到5keV的离子束 作为溅射源。溅射产额与离子束的能量、种类、 入射方向、被溅射固体材料的性质以及元素种类 有关。多组分材料由于其中各元素的溅射产额不 同，使得溅射产率高的元素被大量溅射掉，而溅 射产率低的元素在表面富集，使得测量的成分变 化，该现象就称为“择优溅射”。在一些情况下， 择优溅射的影响很大。