表面分析技术培训课件(ppt 80页)

1、9表面分析技术、9.1 auger电子能谱分析、auger电子(AES)是用具有一定能量的电子束(或x射线)刺激样品auger效果、检测auger电子的能量和强度，以获取有关材料表面化学成分和结构的信息的方法。auger于1923年发现了Auger效应，在P. Auger电子的产生和Auger电子转换过程中，一定能量的电子束轰击固体样品表面，在样品中发射原子的内层电子，使原子处于高能量的激发状态。外部电子在向内部层的电子空位转移的同时，以两种方式释放能量。发射特性x射线；或者引起其他外层电子电离，用特性能量发射固体样品表面，也是欧氏电子。auger电子跃迁过程auger电子跃迁过程能级也aug

2、er跃迁不同的方法，不同的auger电子能量生成。上图中显示的auger转移导致的auger电子可能显示为WXY转移。KLL转换：如果发生k级电子，则会生成KL1L1、KL1L2、KL2L3、k级电子。欧氏电子的激发方式有多种(如x射线、电子束等)，但通常使用一次性电子刺激。因为电子容易产生高光束，容易聚焦和偏转。分析标准：欧氏电子的能量主要有因原子种类而异的固有值，仅依赖于欧氏电子发射前原子的能级结构和欧氏电子所在的能级位置，与入射电子的能量无关。测试俄格电子的能量，可以进行定性分析。可以根据欧氏电子信号的强度确定元素含量，进行定量分析。auger电子生产：auger电子生产或auger转换

3、概率确定auger光谱峰值强度，并与元素的定量分析直接相关。欧氏电子和特征x射线是相互关联和竞争的两个发射过程。oshe电子产值与原子序数的关系表明，k层孔Z19发射oshe电子的概率大于90；z增大时，x射线荧光增大，auger电子减小。Z33，欧谢发射占优势。auger分析选择，使用Z14元素的KLL auger电子分析；建议使用MNN和MNO auger电子。俄制转移概率及荧光概率与原子序数的关系，Z15的轻元素k系俄制电子和所有元素的l系及m系俄制电子的产值都很高。因此，奥谢电子光谱对轻元素检测特别敏感和有效。主要的oshay峰值能量是空心圆，表示每个元素的强峰值、oshay电子能量图

4、、原子编号、oshay电子光谱仪、主要组件：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、(样品)分析室、溅射离子炮和信号处理和记录系统等。样品和电子枪装置应放置在10-710-8Pa的超真空分析室。auger光谱仪图、刺激auger电子的电子枪也可以同轴放置在柱面镜分析器内。样品台也可以使用能同时容纳612个样品的旋转样品台，依次将样品发送到分析位置。欧氏光谱仪还安装了用于清洗样品表面的离子溅射装置，将样品进行离子蚀刻(分层离子剥离)，以根据深度(纵向)改变样品的成分和含量，即三维成分分布、直接光谱和差分光谱，直接光谱：欧氏电子强度密度(电子数)N(E)。差分光谱：由直接光谱微分，dN(E)/dE对E

5、的分布dn (e)/deep。auger电子能谱示例(银原子的auger能谱)，auger电子能谱分析技术，1 .定性分析标准：auger电子的能量与原子本身的轨道能量准位相关，与入射电子的能量无关。特定元素及特定俄制转移过程的俄制电子的能量是其特征。由此，可以根据欧氏电子的动能定性分析样品表面物质的元素类型。方法：实际分析的auger电子光谱是样品中各种元素auger电子光谱的组合，定性分析方法将测量的auger电子光谱与纯元素的标准光谱进行比较，并对照峰值位置和形状确定元素种类。，auger电子能谱定性分析方法适用于除氢、氦以外的所有元素，每个元素都有多个auger peak，定性分析的精

6、度很高。AES技术适用于对所有元素进行全面分析，对未知样本的定性确认非常有效。定性鉴别一般使用俄歇谱的微分谱的负峰进行。在判断元素是否存在的时候，应用所有的准强峰进行证明。由相似原子序数元素引起的欧氏电子的动能有很大的差异，因此相邻元素之间的干扰效果很小。2 .定量分析或半定量分析，俄歇电子强度与样品的相应原子浓度有线性关系，因此可以对元素进行半定量分析。oshee电子的强度与原子的浓度以及样品表面的整理、元素存在的化学状态、仪器的状态(oshee电子对其他能量的传输效率不同的光谱仪的状态)有关，因为光谱仪的污染程度、样品表面c和o的污染、吸附物的存在、这里源能量的差异等影响了定量分析结果，所

7、以AES不是很好的定量分析方法。仅提供半定量分析结果。产生oshare电子的元素的浓度由测量的oshare电子信号的强度决定于样本表面。元素的浓度用原子分数c表示。c是元素x中的原子数与采样表面区域的单位体积中的原子总数的分数(百分比)。定量分析方法有两种：(1)标准采样方法纯元素标准方法：在相同条件下，采样的元素x和纯元素x采样的相同auger峰值，auger电子信号强度分别为Ix和Ix STD:Cx Ix/Ix STD多元素标准方法：多元素标准采样(每个元素浓度已知)、标准元素类型和内容类似于采样如果在标准示例中将Cxstd设置为元素x的原子分数，则Cx Cxstd Ix/Ixstd需要大

8、量标准示例，因此标准示例方法在实际分析中不太适用。(2)相对灵敏度系数法是将每个因素生成的osher电子信号转换为纯Ag等效值，进行比较计算。特定过程：在相同条件下测量纯元素x和纯Ag的主auger峰值强度Ix和IAg，比率SxIx/IAg是元素x的相对敏感度系数，表明元素x创建了与纯Ag相似的auger电子信号。这样，元素x的原子分数在相关文档中进行了说明：表达式，Ii样本中元素I的auger峰值强度，Si是元素I的相对灵敏度系数。因此，只要测量样品中每个元素的osher电子信号强度，并找出该元素的Si，就可以在没有任何标准的情况下计算每个元素的浓度。因此，最常用的是相对灵敏度系数方法。示例

9、1组件深度分析，AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能，具体取决于示例表面深度的主要分析因素和含量的变化。惰性气体氩离子溅射500eV5keV的分层剥离样品通过auger电子光谱仪进行现场分析，并测量auger电子信号强度I(元素含量)与溅射时间t(溅射深度)的关系曲线，从而获得样品中元素在深度方向的分布。镀铜钢深度分析曲线、例2微区域分析、微区域分析也是oshee电子能谱分析的重要功能，可分为选择分析、线扫描分析和面扫描分析三个方面。该功能是欧氏电子光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。在正常样例区域中，曲面主要具有Si、N、c和o元素。在损伤点，表面的C，O

10、含量高，Si，N元素的含量相对低。说明了受灾地区Si3N4薄膜的分解、选择点分析、oshee电子能谱分析的特点、分析层薄。AES的取样深度为12nm，比XPS(内物体约2nm，聚合物约10nm)浅。更适合于表面元素的定性和定量分析。分析元素很宽，除了h和He以外，所有元素对光源元素都很敏感。分析面积小、50纳米区域的组件变化。电子束斑点非常小，因此AES具有高空间分辨率，可以在扫描和精细区域进行元素的选择点分析、线扫描分析和面分布分析。可以得到有关元素化学状态的信息。具有元素深度分布分析功能。需要离子束剥离技术。定量分析准确度不够高。重要的表面分析技术XPS (9.2 X-ray光电光谱)由瑞

11、典Kai M. Siegbahn教授领导的研究小组创立，1954年，他开发了世界上第一台光电光谱仪和1981年的高分辨率电子光谱仪。他获得了1981年诺贝尔物理学奖。Kai M. Siegbahn，光电效应：样品原子内的电子吸收入射光子，入射光子的能量大于原子的电子和样品的波函数之和时，吸收光子的电子离开样品表面进入真空，具有一定的动能。这是光电效果。例如，x射线电子：原子内部的电子吸收入射x射线，离开原子成为自由电子x射线电子。其特征是基本原理和特性，原子的不同元素，电子键exabyte不同的电子键能量。因此，我们可以根据电子的结合，定性分析物质的元素种类。x射线照射后，样品表面一个原子发射

12、的光电强度与样品中相应原子的浓度呈线性关系，因此可以将其用于元素的半定量分析。测量电子动能Ek，得到与每个原子对应的一系列峰值强度Eb的光电光谱(由能量谱峰的位置和高度进行定性和定量分析)。在下图中，括号中的a表示虚线。XPS地图说明，x射线插入在样品中，样品原子的每个轨道电子是光电子(light electronics)产生的。光电的能量统计分布(x射线光电能谱)代表原子的能量准位分布。不同元素原子的能级分布不同，x射线光电子光谱不同，能量谱峰不同，可以识别不同的元素。电子能量以E=Enlj表示。光电表示为在这里之前原来存在的能量水平。示例：k层1S光电；l层2S、2P1/2、2P3/2光电

13、；m层3S、3dp1/2、3dp3/2、3d3/2、3d5/2光电。谱线标识使用g作为此处源获得的Ag片的XPS谱线。此图显示了Ag3d3/2和Ag 3d5/2光电的两个强特性峰值。用于鉴别银子。污染峰，x射线伴峰，x射线伴峰，osheek峰，光电子峰和osheek峰谱中光电子峰最重要，光电子峰强度，峰值宽度最小值，对称性最好。每个元素都有自己最强的光电子线路，具有独特的特性，这是定性分析的基础。光谱中一定有欧氏峰。Auger电子的动能与这里的源无关，所以我们可以使用不同的x射线激发源来收集相同样本的谱线。以动能为横向坐标的光谱内，auger线的能量位置保持不变，光电子峰相反。在以结合能为横坐

14、标的光谱中，光电的能量位置保持不变，而欧氏谱线则相反。因此，通过改变对象的方法，可以区分光善和Osh线。光电子光谱的峰值钟光电子峰和osheek峰，x射线伴峰和幽灵峰，伴峰，多分裂峰，特征能量损失峰等。x射线光电光谱仪和样品准备，XPS设备由x射线激发源、样品表、电子能量分析器、探测器系统、超真空系统等组成。x射线光电光谱仪，x射线源目前商品机构中一般使用Al/Mg双阳极x射线源。常用的激发源是Mg K X射线，光子能量是1253.6 eV和Al K X射线，光子能量是1486.6 eV。电子能量分析器电子能量分析器是XPS的中心部件。其功能是测量光电的能量分布。有两种类型：半球分析器和圆柱分

15、析器。半球分析器在XPS光谱仪中也具有较好的光电传输效率和能量分辨率。柱面镜分析器对Auger电子的传输效率主要用于auger电子光谱仪。，超真空系统必须采用XPS设备中真空度约为10-7Pa的超真空系统，主要原因有两个：x射线和光电与残余气体分子碰撞，防止能量损失。保持样品表面的原始状态，不发生表面吸附。XPS的主要功能，1 .全扫描和窄扫描全扫描：比较全光谱和标准光谱线，找出各个光谱线的所有权。识别采样的所有元素，并为窄区域光谱(高分辨率光谱)的能量设置范围查找标准。组合能量扫描范围11000 eV，分辨率2eV。窄扫描：能量范围扫描分析(分辨率0.1eV)。扫描段包括要测试的元素的能量范

16、围，但没有其他元素的光谱线干扰。窄扫描可以获得谱线的显微结构。另外，定量分析也最好使用狭窄的区域光谱，误差较小。2 .定性分析，实际样品的光电光谱是样品所有元素的光谱组合。与纯元素的标准光谱相对照，根据全扫描获得的光电光谱的峰值位置和形状进行识别。典型的分析过程是最先识别最强峰值的过程，因为C，O经常出现，所以通常考虑C1S和O1S的光电线，然后查找识别元素的其他次级线以显示识别的线。分析时，建议选择与标准光谱相同的目标。3.光电子信号强度与样本表面单位体积中的原子数成正比，因此，通过测量光电子信号的强度，可以确定产生光电子的元素的样本表面浓度。与Auger电子能谱相同的原理，相对灵敏度系数方

17、法有相对灵敏度系数(通常是F1s频谱强度基准，峰值面积s和峰值高度h的差值)，面积方法的准确度更高。影响因素很多，只有一半数量。化学状态分析是XPS最独特的分析技术。具体的分析方法是与化学位移法：化学环境不同时产生化学位移的标准光谱及标准样品进行比较。Auger参数方法：auger参数定义为最尖锐的auger峰值动能和最明亮的电子峰值动能之间的差值，即EKAEKP表达式中的EKA，是auger峰值动能。Ekk是光电子峰值动能。4 .化学状态分析，光电子能量坐标通常表示为结合能量，因此实际上通常使用“维修oshe”参数：h ekekkp h eka (h ekkp)，即=EKA EBP式，h是入

18、射光子的能量，EBP是光电子的结合能量。这样，可以通过光电光谱计算，以标准值对的比率确定元素的化学状态信息。化学位移：原子由不同化学环境引起的内部电子结合能的变化在光谱中表现为峰的位移，这种现象称为化学位移。原因：原子核对内部电子有吸引力，外部电子对内部电子有排斥(屏蔽)效果。如果原子的化学环境发生变化，原子核的吸引力就会增大，系外电子的屏蔽效果也会发生变化，内层电子的结合能发生变化，因此XPS峰移动。如果原子的价态为正，或者原子和电负性更大的其他原子结合，则外价电子的密度会减少，屏蔽效果会减少，核的吸引力会增加，内层电子的结合会增加。样品中的元素形成不同的化合物时，其化学环境不同，元素内的电子不同的结合会导致光谱峰值的位移(化学位移)和峰值形状的变化。这种化学位移和峰形的变化与元素的化学状态有关，可以相应地分析元素的化学状态。深度-成分分布曲线或深度方向要素化学状态变化的