俄歇电子能谱ppt课件

第4章俄歇电子能谱,1,俄歇电子能谱(AugerElectronSpectroscopy简称AES)一、简介二、基本原理三、定性及定量分析方法四、俄歇谱仪介绍五、主要应用,2,三种最基本的表面分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AESXPSSIMS激发源电子X射线离子检测粒子俄歇电子光电子二次离子EABCEA-EB-ECEkh-Ebm/e特点定量较好带有化学位移信息检测灵敏度高分辨率高表面损伤小缺点轻元素不能分析分辨差表面损伤（X射线不易聚焦）定量困难共同点：元素种类分析（成分分析、痕量分析）、表面分析,3,一、简介当电子束照射到样品表面时，将有带着该样品特征的Auger电子从样品表面发射。从Auger电子可以得到如下信息：发射的Auger电子能量确定元素种类Auger电子数量元素含量电子束聚焦、偏转和扫描元素面分布离子束溅射刻蚀元素深度分布AES是一种重要的材料成分分析技术。其最大特点是：信息来自表面（3-30）具有微区分析能力（横向与深度分辨率好）定量分析较好能量是靶物质所特有的，与入射电子束能量无关,4,二、基础知识1.俄歇效应(1925年，法国人PierreAuger)用某种方法使原子内层电子(如K层)电离出去，内层出现空位。电离原子去激发可采用如下两种形式：,5,6,辐射跃迁:一外层电子填充空位后，发射出特征X射线(例L3上电子填充K能级上空位，发出X射线K1)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来标记激发空穴所在轨道能级填充电子的轨道能级激发出俄歇电子的轨道能级,7,特点：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。终态为二重电离状态。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。C-K跃迁(Coster-Kronig跃迁)：终态空位之一与初态空位处于同一主壳层内即WiWpYq(pi)超C-K跃迁：两终态都与初态空位处于同一主壳层内即WiWpWq(pi，qi)C-K跃迁速度快，t小，由测不准原理(E)(t)h，E大，带来能量的分散，使谱线展宽。,8,2.俄歇电子能量E=E1(Z)E2(Z)E3(Z)E1、E2、E3分别为各能级上电子的结合能，是原子序数为Z的元素的函数，是该种元素原子所特有的，因此E也是该种元素特有的。修正：E=E1(Z)-1/2E2(Z)+E2(Z+1)-1/2E3(Z)+E3(Z+1)相邻原子序数，该能级的能量俄歇电子能量与激发源的种类和数量无关，与元素的存在量有关，还与原子的电离截面、俄歇电子产率以及逃逸深度有关。,9,特点：一种原子可能产生几组不同能级组合的俄歇跃迁，因而可以有若干不同特征能量的俄歇电子。可能出现的俄歇跃迁数随原子序数增大(壳层数增多)而迅速增加。俄歇电子的能量大多在50-2000eV(不随入射电子能量改变)主峰,通过实验和计算得到He以后所有元素的各组基本俄歇跃迁的特征能量。,10,俄歇电子从固体表面的发射过程：产生内层电离的原子电子碰撞电离截面俄歇跃迁过程俄歇跃迁几率俄歇电子从产生处输运到表面，从固体表面逸出逸出深度,11,(1)电子碰撞电离截面QA入射电子与原子相互作用时，内层能级A上产生空位的几率。设U=Ep/EAEp:入射电子能量EA：内层能级束缚能通过理论计算及实验测定，得到如下公式：QA=EA-2(lnU/U)2可见：U必须1即EpEA曲线有最大值，当U2.7时(Ep为EA的2.7倍)电离截面取决于束缚能实验数值：内层束缚能：1keV入射电子能量：3-5keVU:3-4,12,(2)俄歇跃迁几率电离原子去激发的两种方式：荧光过程、俄歇过程。发生荧光过程的几率为Px，发生俄歇过程的几率为Pa，则：Px+Pa=1荧光几率与俄歇几率(初态在K层)对于Z15，采用K系列荧光几率很小，采用K系列的俄歇峰；16Z41，L系列荧光几率为0，采用L系列的俄歇峰；原子序数更高时，采用M系列的俄歇峰；荧光产额与束缚能荧光几率随束缚能的增大而增大，而束缚能随壳层由内向外逐渐减小依次采用K、L、M系列荧光几率可保持较小数对于同一壳层上的束缚能随原子序数增加而增加对轻元素分析特别灵敏选取适合系列，退激发过程可认为仅有俄歇过程。,13,(3)俄歇电子逸出深度俄歇电子从产生处向表面输运，可能会遭到弹性散射或非弹性散射，方向会发生变化，能量会受到损失。用来进行分析的俄歇电子，应当是能量无损地输运到表面的电子，因而只能是在深度很浅处产生的，这就是用俄歇谱能进行表面分析的原因。俄歇电子的逸出深度在小于或等于其在固体中的平均自由程时，才能得到有价值的俄歇信息。平均逸出深度与俄歇电子能量（对纯元素与元素种类关系不大）在高能段当俄歇电子能量为0-2000eV，逸出深度为330，平均逸出深度10。,14,(4)背向散射电子激发的俄歇发射当背向散射电子能量EA，亦能使原子激发，产生俄歇过程。激发俄歇电子的总电流：I=(1+r)IpIp：入射束流r：背向散射二次发射系数背向散射电子的作用，将使俄歇信息强度增加百分之几，这一量值随U的增大而增大，随原子序数增加而增加。,15,3俄歇电流俄歇电流的大小，即俄歇峰所包含的电子数，表示所含元素原子的多少。俄歇电流表达式IA=oIpniQWPWXYTe-z/cosdz当能量为Ep，束流为Ip的一次电子束垂直入射样品表面，假设能量分析器只接收出射方向为与表面法线夹角从-/2到+/2(为一小量)的俄歇电子(这样的电子处于立体角内)俄歇电子辐射方向各向同性，能量分析器所接收的俄歇电子占各方向总数的/4,近似等于能量分析器的传输率T。假设:在俄歇电子逸出深度范围内Ep和Ip保持不变。所考虑i元素单位体积原子数ni在此区域内为常数。物理意义：积分号内(IpniQWPWXYTdz)是距表面z处，dz深度范围内，处于能量分析器接收角度范围内的俄歇电子，再乘以e-z/cos就是能量无损地输运到表面的部分，z/cos表示输运距离。,16,如一次电子并非垂直入射，入射方向与表面法线成角，则:IA=(sec)IpniQWPWXYTcos若B为背散射增强因子，R为表面粗糙因子则:IA=BR(sec)IpniQWPWXYTcos通常R10-8A入射角范围：20-45,46,能量分析器及信号检测系统同轴电子枪的筒镜能量分析器（CMA）单独电子枪的半球型能量分析器两种类型,47,AES的能量分析系统一般采用筒镜分析器（CMA）。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。激发电子枪放在镜筒分析器的内腔中，也可以放在镜筒分析器外。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。若连续地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俄歇电子数目N随电子能量E的分布曲线。,要求：不同能量的电子通过分析器后最大限度地被分离，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、不同发射角的电子要尽可能会聚于一点(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衷选择,48,半球型能量分析器(拒斥场型)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高压收集电子收集电子能量E0e|Vr|收集电流Ic=N(E)dE高通分析器:只有能量高于阻挡势的粒子才可能被接收为得到N(E)：取一次微分dN(E)/dE:取两次微分缺点：分辨率不高，检测灵敏度低,49,俄歇电子有很强的背底噪音.,微分法,俄歇图谱采用微分后曲线的负峰能量作为俄歇动能进行标定,50,主要参数能量分辨率：由CMA决定绝对分辨率:谱峰的半宽度E(FWHM)相对分辨率:R=(E/Eo)100%（Eo:通过分析器后电子的能量峰值）分辨本领：Eo/E通常：E：5-10eV;Eo:1000-2000eV;R0.5%空间分辨率：由电子枪最小束斑决定，目前一般商品扫描俄歇的最小束斑直径小于500A。采用场发射俄歇电子枪束斑直径可以小于60A。厚度分辨率：530,51,灵敏度绝对灵敏度:最小可检测量(以克表示)相对灵敏度：最低检测浓度从多组分样品中检测出某种元素的比例(用百分浓度或ppm、ppb表示)影响检测的灵敏度主要因素：仪器传输率T和信噪比,52,传输率T：(Transmission)当入射电子束为单色，并有均匀的角分布时T=/4：入射电子的有效立体角入口立体角大，传输率高，灵敏度高传输率与入口和出口缝隙宽度(半角)的关系T=sin0为兼顾传输率与分辨率，一般取为6-10，此时T=7-10。,53,信噪比：S/N筒镜分析器的收集电流为一极窄能量间隔内的电流，取得同样大小信号，CMA的收集极电流仅为四栅拒斥场分析器的104。IN：散粒噪声IC：收集