俄歇电子能谱分析原理及方法
俄歇电子能谱
(3)表面损伤：电子束损伤会严重，限制了对 表面损伤：电子束损伤会严重， 表面损伤 有机物、 生物体和少数陶瓷材料的有效分析； 有机物 、 生物体和少数陶瓷材料的有效分析 ； (4)表面电荷：电子束充电会限制对高绝缘材 表面电荷： 表面电荷 料的检查分析， 料的检查分析 ， 入射电子会导致表面状态发 生变化诱发吸附或脱附等。 生变化诱发吸附或脱附等。
(1) X射线光电子谱术 射线光电子谱术(XPS)给出表面组分和 射线光电子谱术 给出表面组分和 化学态信息，相对地是非破坏性的； 化学态信息，相对地是非破坏性的； (2)离子散射谱术 离子散射谱术(ISS) 信息来自最表层，给 信息来自最表层， 离子散射谱术 出表面组分和结构信息， 出表面组分和结构信息，选区表面原子键特 性及表面成分和深度，成分分布信息； 性及表面成分和深度，成分分布信息；
由于俄歇电子特征能量与原子的原子序数有 关，因此根据电子能量谱中俄歇峰位置所对应 的俄歇电子能量，就可以鉴定原子的种类， 的俄歇电子能量，就可以鉴定原子的种类，即 表面存在的元素。 表面存在的元素。 在一定实验条件下，根据俄歇信号强度，可 在一定实验条件下，根据俄歇信号强度， 以确定含量。 以确定含量。 根据俄歇峰能量位移和线形变化， 根据俄歇峰能量位移和线形变化，可以取得 固体表面化学态的信息。 固体表面化学态的信息。
2、俄歇电子的能量 、
俄歇电子的能量与原子的原子序数有关， 俄歇电子的能量与原子的原子序数有关 ， 为待测样品(靶物质 所特有， 靶物质)所特有 为待测样品 靶物质 所特有，与入射电子的能 量无关。 量无关。 俄歇电子能谱用作表面组分的指纹鉴定时， 俄歇电子能谱用作表面组分的指纹鉴定时 ， 须测定俄歇电子的特征能量。 须测定俄歇电子的特征能量。 根据能谱线中俄歇峰位置所对应的俄歇电 子的能量，来鉴定原子种类，即识别元素。 子的能量，来鉴定原子种类，即识别元素。 原则上， 原则上 ， 俄歇电子的能量可由俄歇跃迁前 后的体系总能量差来估算。 后的体系总能量差来估算。
05-光电子能谱分析XPS和俄歇电子能谱AES-
Al元素由于所处化学环境不 同，其2P电子的结合能不同
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（2）屏蔽效应引起化学位移
屏蔽效应定义：原子的内层电子同时受到原子核的电 场引力和外层电子的斥力作用，外层电子对内层电子 的斥力作用抵消了一部分核电荷，从而削弱了核电荷 对该内层电子的吸引力，这种斥力作用称为屏蔽效应。
当外层电子云密度减少时，屏蔽作用将减弱，内层电 子的结合能增加；反之则结合能将减少。
7
每一壳层的电子轨道又可分为几个亚层
n
1K 2L 3M 4N
1S 2S 2P
3S 3P 3d 4S 4P 4d 4f
➢ 壳层K、L、M、N对应主量子数n=1、2、3、4……
➢ 每一主壳层内，电子分居不同的亚层 亚层s、p、d、f……，分别对应角量子数l=0、1、2、3…… 每个亚层最多能容纳的电子数：s—2个电子；p—6个电子； d—10个电子；f—14个电子
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相关知识回顾
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h Eb 样 Ek
样
φ设备
h Eb 设备 Ek'
Eb h -设备 - Ek'
不同元素的原子各层能级上的电子结合能数值不同
表面元 素分析
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2、化学位移
（1）化学位移的定义 同一原子由于所处的化 学环境不同而引起的内 层电子结合能的变化， 在谱图上表现为谱峰的 位移，这一现象称为化 学位移。
→计算Eb，获得计 数率相对于电 子结合能的光 电子能谱。
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（二）光电子能谱图
光电子能谱图： 光电子产额（强度）对 光电子结合能（或动能） 的分布图
光电子能谱谱线（谱峰） 以被激发出电子原来所 在能级命名。
光电子谱线：不同结合能的一系列峰组成的电子 能谱图，即元素的特征谱峰群，每个峰对应于一 个原子能级；在XPS中，很多强的光电子谱线一般 是对称的，并且很窄。
第三章 俄歇电子能谱(AES)
要点如下：
(1)入射e能量E1处出现 一很尖的,此为入射e与 原子弹性碰撞后产生的 散射峰，能量保持不变； (2)在低能端出现一个 十eV的宽峰，此为入射e 与原子非弹性碰撞所产生 的二次e，这些二次e又链式诱发出更多的二次级电子； (3)二峰之间间有一个广阔区域，但e数目少,产生原因亦很多， 其中包括本节关心的Auger e峰； (4)将俄歇峰能量段选出并进行微分记录，得到俄歇能谱下。 @
七、AES定量分析
1．标样法 从强度公式计算NA是困难的。 (1)原子浓度：单位体积内A元素的原子数为nA，所有各 种元素总数 为 ，则原子浓度(for A)
(2)标样法(y以纯元素作标样)
IAs和Ijs别为元素A和j的纯元素所获得的Auger强度，
标样法优点：准确度相对高，缺点：标样难获得
(3)灵敏度因素法
五、俄歇峰精细结构
产生精细结构的主要因素是化学效应，终态效应 和等离子激元损失。前者对表面化学状态分析重要， 后者对表面清洁情况反应映敏(当入射e 单色性好，分 析器分辨率高时)。
1．化学效应
由于化学状态变化，核外电荷分布改变影响对内层电 子的屏蔽作用，使e的结合能增加或减少的现象。 以In和Si(SiO2)为例： @
(1) e束能量高，对绝热材料易致损伤;
(2) e束带电荷，对绝缘材料有荷电现象，影响分析。 @
二、俄歇效应
俄歇电子
X 射 线
C
B
A
电子激发引起的X-射线和俄歇电子发射
俄歇过程如图：当原子受外来高能e轰击(Ep5EK)时，内 壳层e电离，原子内层轨道出现空穴而处于激发态，电离原子 通过发射X-ray或发射Auger e去而去激发。
（注： e=2.78183 e-1 =0.3678 e-3 =0.04978）
能谱分析
1．俄歇电子产额
K
俄歇电子产额或俄歇跃迁几率 决定俄歇谱峰强度，直接关系 到元素的定量分析。俄歇电子 与特征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 图13-1 俄歇电子产额与原子序数的关系 荧光产额(K)和俄歇电子产额 由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇 ( K )满足 电子的几率在90％以上；随Z的增加，X射 =1－K (13-1)
图13-5 俄歇电子能量图
主要俄歇峰的能量用空心 圆圈表示， 实心圆圈代表每个元素的 强峰
定性分析的一般步骤：
(1)利用“主要俄歇电子能量图”，确定实测谱中最强峰可能对应的几 种(一般为2、3种)元素； (2)实测谱与可能的几种元素的标淮谱对照，确定最强峰对应元素的所 有峰； (3)反复重复上述步骤识别实测谱中尚未标识的其余峰。 注意：化学环境对俄歇谱的影响造成定性分析的困难(但又为研究样 品表面状况提供了有益的信息)，应注意识别。
图2-8 Ag的光电子能谱图 （Mg K激发）
二、X射线光电子能谱仪
主要组成部分：X光源(激发源)， 样品室，电子能量分析器和信 息放大、记录(显示)系统等组 成。
图13-9 (X射线)光电子能谱仪方框图
三、X射线光电子能分析与应用
1．元素(及其化学状态)定性分析 方法：以实测光电子谱图与标准谱图相对照，根据元素特征峰位置 (及其化学位移)确定样品(固态样品表面)中存在哪些元素(及这些元素 存在于何种化合物中)。 常用Perkin-Elmer公司的X射线光电子谱手册 定性分析原则上可以鉴定除氢、氦以外的所有元素。 分析时首先通过对样品(在整个光电子能量范围)进行全扫描，以确定 样品中存在的元素；然后再对所选择的峰峰进行窄扫描，以确定化学 状态。
俄歇电子能谱仪(AES)
由图可知，随着原子序数Z的增加，X射线荧光产额增加， 而俄歇电子的产额下降。Z<33时，俄歇发射占优势。
2.俄歇过程的命名 2.俄歇过程的命名
每一俄歇电子的发射都涉及3个电子能级，故常以三壳层 符号并列表示俄歇跃迁和俄歇电子。若W表示最初空穴能级， X表示填充空穴的 电子能级，Y表示俄歇电子发射能级，则该 过程称为WXY俄歇跃迁。
KL1L1 L1M1M1 L2, 3VV
3.俄歇电子的能量 3.俄歇电子的能量
俄歇电子发射涉及三个电子能级WXY， 对于基态原子，俄歇电子能量为：
俄歇电子
EWXY (Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z)
事实上，原子发射俄歇电子时已处于激发态，此时需 要在公式中引入能级修正项。经验公式为： EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z)-[EX(Z+1)-EX(Z)+EY(Z+1)-EY(Z)]/2 由于束缚能强烈依赖于原子序数，所以，用确定能量 的俄歇电子来鉴别元素是明确而不易混淆的。通过经验公式 及各元素不同能级的束缚能，可以绘制出俄歇电子能量图。
二、AES的结构
三、AES应用举例
1.AES的定性分析——元素组成 1.AES的定性分析——元素组成 的定性分析—— ★ 特定的元素具有特定的俄歇跃迁过程，其俄歇 电子的能量是特征的。 ★ 特定元素在俄歇电子能谱上的多组俄歇峰的峰 位、峰数、各峰相对强度大小由特定元素原子结构 确定。 因此可以通过AES实测的直接谱或微分谱与 “俄歇电子能量图”及“俄歇电子标准谱”进行对 比，从而识别元素。
4.AES的深度剖析——元素的深度分布 4.AES的深度剖析——元素的深度分布 的深度剖析—— 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。
俄歇电子能谱原理及其应用.刘圣利。0907020047
俄歇电子俄歇电子是由于原子中的中子被激发而产生的次级电子.处于激发态的原子可能发生两类过程.一类是内壳层空穴被外壳层电子所填充,由此释放出能量而产生X射线荧光.另一类是电子由外壳层落到内壳层,用所释放出来的能量打出一个其电离势更低的轨道电子（通常为价电子）.后一个过程称为俄歇过程,以发现此过程的法国科学家P.-V.俄歇命名.被打出来的电子称为俄歇电子.用光或电子轰击固体表面,都能产生俄歇效应.俄歇电子具有特征性能量,其能量与释放俄歇电子的原子中的电子转移有关.俄歇电子的释放是释放特征性x射线的替代形式.俄歇电子能量E（A）可由下面式子得出：E(A)=E（1）-E（2）-E（3）,其中,E（1）为具有内壳层空位的原子能量,E（2）为具有外壳层空缺的原子能量,而E（3）为俄歇电子的结合能.3. 俄歇过程中的能量关系：俄歇电子激发时,内层存在一个空壳层,状态不同于基态原子.虽然俄歇过程十分复杂,涉及到2个电子,3个能级,但是该过程任只与元素种类有关,不同元素俄歇电子动能决定于元素种类和俄歇过程涉及的能级,因此俄歇电子动能仍是元素种类的特征函数.俄歇电子能谱俄歇电子的谱线即是俄歇电子能谱.俄歇电子能谱(AES、Auger)是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术.可以从俄歇电子能谱来分析物质的元素组成.俄歇电子能谱的应用一．AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子原理入射电子束和物质作用,可以激发出原子的内层电子.外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量,可能以X光的形式放出,即产生特征X射线,也可能又使核外另一电子激发成为自由电子,这种自由电子就是俄歇电子引.对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子.原子序数大的元素,特征X射线的发射几率较大,原子序数小的元素,俄歇电子发射几率较大,当原子序数为33时,两种发射几率大致相等.因此,俄歇电子能谱适用于轻元素的分析.如果电子束将某原子K层电子激发为自由电子,L层电子跃迁到K层,释放的能量又将L层的另一个电子激发为俄歇电子,这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子.同样,LMM俄歇电子是L层电子被激发,M层电子填充到L层,释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子.对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z Δ)-Φ (10.6) 式中, EWXY(Z)：原子序数为Z的原子,W空穴被X电子填充得到的俄歇电子Y的能量；EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量；EY(Z Δ)：Y电子电离所需的能量.因为Y电子是在已有一个空穴的情况下电离的,因此,该电离能相当原子序数为Z和Z 1之间的原子的电离能.其中Δ=1/2-1/3.根据式(10.6)和各元素的电子电离能,可以计算出各俄歇电子的能量,制成谱图手册.因此,只要测定出俄歇电子的能量,对照现有的俄歇电子能量图表,即可确样品表面的成份.由于一次电子束能量远高于原子内层轨道的能量,可以激发出多个内电子,会产生多种俄歇跃迁,因此,在俄歇电子能谱图上会有多组俄歇峰,虽然使定性分析变得复杂,但依靠多个俄歇峰,会使得定性分析准确度很高可以进行除氢氦之外的多元素一次定性分析.同时,还可以利用俄歇电子强度和样品中原子浓度的线性关系,进行元素的半定量分析.二.测定俄歇电子的能量从而获得固体表面组成等信息俄歇电子在固体中运行也同样要经历频繁的非弹性散射,能逸出固体表面的仅仅是表面几层原子所产生的俄歇电子,这些电子的能量大体上处于 10～500电子伏,它们的平均自由程很短,大约为5～20埃,因此俄歇电子能谱所考察的只是固体的表面层.俄歇电子能谱通常用电子束作辐射源,电子束可以聚焦、扫描,因此俄歇电子能谱可以作表面微区分析,并且可以从荧光屏上直接获得俄歇元素像.三．分析待测样品的元素组成对于一个未知成分的待测材料,通过某种激发源(X射线,电子束)轰击样品,激发俄歇过程,用电子能量分析器获得俄歇电子动能.把测量获得的动能集合与标准俄歇电子动能数据库进行比对,分析待测材料中的元素组成.定量分析.定量分析的关键在于获得俄歇电子产率与元素浓度之间的函数关系.但是俄歇电子过程比较复杂,直接获得元素俄歇过程的敏感因子很困难,目前俄歇定量分析一般采用相对敏感因子法.采用标准银试样的主峰(351 eV的MNN峰)作为标准,在相同条件下测量纯X元素标样和纯银标样的俄歇强度比值,将该比值作为i元素,WXY俄歇过程的相对敏感因子,即：Si称为纯元素i的相对敏感因子,它是通过纯元素测得的,与试样无关,现在已经有标准手册和数据库可以查询.有了Si就可以测量任何试样表面i元素的浓度.由此只要测出样品表面各元素的俄歇强度由上式即可算出各元素的表面原子百分浓度因不需要标样被广泛使用但其精度不高误差有时达30%以上所以它是一种半定量分析方法.其中Ii,WXY是指i元素俄歇峰-峰强度.象在XPS中一样轨道电子能级对固体中原子的化学环境是敏感的(化学位移) ,但化学位移的来源涉及到三个电子能级.情况比较复杂,一般难于对AES谱中的化学位移进行指认,而更依赖于指纹谱.在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.参考文献杨福家.原子物理学.北京：高等教育出版社,2000.周公度.结构与物性.北京：高等教育出版社,2011.徐克尊.高等原子分子物理学.北京：科学出版社,2002.。
俄歇电子能谱
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◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆ (三) 定性分析：根据俄歇峰位置确定元素 1． 微分谱的一般特点 负峰尖锐，正峰较小 2．元素鉴定 指纹鉴定 (除氢、氦) －－俄歇电子标准谱手册 (1) 找最强线，查手册确定元素 (2) 找出该元素所有谱线 (3) 重复上述两步 (4) 若有重叠，综合考虑 金3.品改质变•初高级追束求能量我，们排让除你初更级放电心子！能量损失峰
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◆语文•选修\三中种国最小说基欣本赏的•(表配面人教分版析)方◆ 法
名称 俄歇电子能谱 X射线光电子能谱 二次离子质谱
激发源
AES 电子
XPS X射线
SIMS 离子
检测粒子 俄歇电子
特点
EABC＝EA-EB-EC 定量较好
分辨率高
缺点 轻元素不能分析 金品质•高追求
光电子
二次离子
Ek＝hν-Eb
Δ 无辐射过程(即Auger过程)：
一外层电子填充空位，使 另一个电子脱离原子发 射 出去 (例L1上电子填充K能级空位，同时L3上的电 子发射出去， 称KL1L3俄歇跃迁)。
标记：
WXY来标记 金品质•高激追发求空穴我所们在让轨你道更能放级心！
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◆语文•选修\中国小说欣赏•(配人教版)◆ 特点： Δ 第二个电子在弛豫过程中释放的能量，须大于或 至少等于第三个电子的束缚能。 Δ 终态为二重电离状态。 Δ H和He只有一个K壳层，最多只有2个电子，无法 产 生Auger跃迁。
（一） 俄歇电子能谱
由二次电子能量分布曲线看出：俄歇信号淹 没在很大的本底和噪声之中。
问题：提高信背比、信噪比 金品质•高追求 我们让你更放心！
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俄歇电子能谱仪的工作原理及特点
俄歇电子能谱仪的工作原理及特点俄歇电子能谱仪（Auger Electron Spectroscopy，AES），作为一种广泛使用的分析方法而显露头角。
这种方法的优点是：在靠近表面5—20埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He以后的全部元素。
虽然初俄歇电子能谱单纯作为一种讨论手段，但现在它已成为常规分析手段了。
它可以用于很多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。
俄歇效应虽然是在1925年时发觉的，但真正使俄歇能谱仪获得应用却是在1968年以后。
工作原理：当一个具有充足能量的入射电子使原子内层电离时，该空穴立刻就被另一电子通过L1→K跃迁所填充。
这个跃迁多余的能量EK—EL1如使L2能级上的电子产生跃迁，这个电子就从该原子发射出去称为俄歇电子。
这个俄歇电子的能量约等于EK—EL1—EL2、这种发射过程称为KL1L2跃迁。
另外仿佛的还会有KL1L1、LM1M2、MN1N1等等。
从上述过程可以看出，至少有两个能级和三个电子参加俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。
同样孤立的锂原子由于外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。
但是在固体中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发生的俄歇电子。
产品特点：1、俄歇电子的能量是靶物质所特有的，与入射电子束的能量无关。
右图是一些重要的俄歇电子能量。
可见对于Z=3—14的元素，突出的俄歇效应是由KLL跃迁形成的，对Z=14—40的元素是LMM跃迁，对Z=40—79的元素是MNN跃迁。
大多数元素和一些化合物的俄歇电子能量可以从手册中查到。
2、俄歇电子只能从20埃以内的表层深度中逃逸出来，因而带有表层物质的信息，即对表面成份特别敏感。
正因如此，俄歇电子特别适用于作表面化学成份分析。
标签:能谱仪。
紫外光电子能谱(UPS)_俄歇电子能谱(AES)
UPS 测量电离电位
Ek = h EB Er Ev Et EB +Er + Ev + Et = h Ek
对于气态样品来说，测得的电离电位相应于分子轨道的 能量。分子轨道的能量的大小和顺序对于解释分子结构、 研究化学反应是重要的。
在量子化学方面，紫外光电子能谱对于分子轨道能量的 测量已经成为各种分子轨道理论计算的有力的验证依据。
Ar分子中电子的电离能
因为Ar分子最外层是封闭 价电子壳层为P6。当一个 电子被激发后，外壳层变 为P5。由自旋角动量和轨 道 角 动 量 耦 合 有 2P3/2 和 2P1/2，在光电子能谱图上
表现为两个锐峰。
AES的基本原理
1.俄歇效应(Auger Effect)
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 的收缩。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( )用于释放一个 电子，即俄歇电子。
➢ 吸附过程是一个复杂的过程，表面发射电子与体相发射电子 的干涉加剧了问题的复杂性。为了处理方便，常做如下假设：
吸附物质对光电发射谱的贡献只反映表面上或吸附物质上的 局部态密度；
光电发射谱线强度决定于初态密度。实验上为区别光电子谱 中吸附物质的贡献，常采用差值曲线法。即分别取清洁表面 及吸附物质表面的扫描谱，取其差值，其中正贡献来自吸附 物质发射，负贡献则归因于基底对发射的抑制作用。
Ar的He I光电子能谱图
N2分子的电离能
俄歇电子能谱学
图10 不同价态的镍氧化物的Ni LMM俄歇谱
清华大学化学系
表面与材料研究组
18
实验结果
下面我们再分析一下其相邻原子的电负性差对俄 歇化学位移的影响。 图(11)和图(12)是化合价相同但电负性差不同的 含硅化合物的Si LVV和Si KLL俄歇谱[5,10]。从 图(11)可知, Si3N4的Si LVV俄歇动能为80.1 eV, 俄歇化学位移为-8.7 eV。而SiO2的Si LVV的俄歇动能为72.5 eV, 俄歇化学位移为16.3 eV。Si KLL俄歇谱图同样显示出这两种化 合物中Si俄歇化学位移的差别。Si3N4的俄歇动 能为1610.0 eV, 俄歇化学位移为-5.6 eV。 SiO2的俄歇动能为1605.0 eV, 俄歇化学位移10.5 eV.
清华大学化学系表面与材料研究组pierreauger就在wilson云室中发现了俄歇电子jjlander首次使用了电子束激发的俄歇电子能谱augerelectronspectroscopyaes1967年在harris采用了微分锁相技术使俄歇电子能谱获得了很高的信背比后才开始出现了商俄歇电子能谱仪已发展为具有很高微区分辨能力的扫描俄歇微探针scanningaugermicroprobesam清华大学化学系表面与材料研究组aes的特点表面性12nmaes具有很高的表面灵敏度其检测极限约为103原子单层界面分析清华大学化学系表面与材料研究组aes原理俄歇电子的产生从图上可见首先外来的激发源与原子发生相互作用把内层轨道轨道上的一个电子激发出去形成一个孔穴
表面与材料研究组 11
清华大学化学系
俄歇电子能谱的定性分析
O KLL
计数 / 任意单位
C KLL
Ti KLL
278.0
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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