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俄歇電子能譜（俄歇電子能譜）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-20

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俄歇電子能譜

俄歇電子能譜（Auger electron spectroscopy，簡(jiǎn)稱AES），是一種利用高能電子束為激發(fā)源的表面科學(xué)和材料科學(xué)的分析技術(shù)。因此技術(shù)主要借由俄歇效應(yīng)進(jìn)行分析而命名之。AES分析區(qū)域受激原子發(fā)射出具有元素特征的俄歇電子。外層電子填充空穴向內(nèi)層躍遷過(guò)程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產(chǎn)生特征X射線，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。因?yàn)閅電子是在已有一個(gè)空穴的情況下電離的，因此，該電離能相當(dāng)于原子序數(shù)為Z和Z 1之間的原子的電離能。E是入射電子的能量，E是最初被電離的內(nèi)層能級(jí)的能量。

基本信息

發(fā)現(xiàn)者	俄歇
時(shí)間	1925 年
激發(fā)源	利用高能電子束為激發(fā)源
基本原理	物理原理

基本原理

物理原理

俄歇電子和X射線產(chǎn)額

對(duì)于一個(gè)原子來(lái)說(shuō)，激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時(shí)只能進(jìn)行一種發(fā)射：特征X射線或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當(dāng)原子序數(shù)為33時(shí)，兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。

俄歇電子發(fā)射原理圖解

如果電子束將某原子K層電子激發(fā)為自由電子，L層電子躍遷到K層，釋放的能量又將L層的另一個(gè)電子激發(fā)為俄歇電子，這個(gè)俄歇電子就稱為KLL俄歇電子。同樣，LMM俄歇電子是L層電子被激發(fā)，M層電子填充到L層

，釋放的能量又使另一個(gè)M層電子激發(fā)所形成的俄歇電子。

俄歇躍遷

對(duì)于自由原子來(lái)說(shuō)，圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的電子處于一些不連續(xù)的"軌道”上，這些“軌道”又組成K、L、M、N 等電子殼層。我們用“能級(jí)”的概念來(lái)代表某一軌道上電子能量的大小。由于入射電子的激發(fā)，內(nèi)層電子被電離，留下一個(gè)空穴。此時(shí)原子處于激發(fā)態(tài)，不穩(wěn)定。較高能級(jí)上的一個(gè)電子降落到內(nèi)層能級(jí)的空位中去，同時(shí)放出多余的能量。這些能量可以作為光子發(fā)射特征射線，也可以轉(zhuǎn)移給第三個(gè)電子并使之發(fā)射出來(lái)。這就是俄歇電子。通常用射線能級(jí)來(lái)標(biāo)志俄歇躍遷。例如KLL俄歇電子就是表示最初K能級(jí)被電離，L能級(jí)的電子填入K能級(jí)空位，多余的能量傳給了L能級(jí)上的一個(gè)電子，并使之發(fā)射出來(lái)。

能量公式

對(duì)于原子序數(shù)為Z的原子，俄歇電子的能量可以用下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中，

：原子序數(shù)為Z的原子，W空穴被X電子填充得到的俄歇電子Y的能量。

：X電子填充W空穴時(shí)釋放的能量。

：Y電子電離所需的能量。

俄歇電子能譜實(shí)例

因?yàn)閅電子是在已有一個(gè)空穴的情況下電離的，因此，該電離能相當(dāng)于原子序數(shù)為Z和Z 1之間的原子的電離能。其中

。根據(jù)式(10.6)和各元素的電子電離能，可以計(jì)算出各俄歇電子的能量，制成譜圖手冊(cè)。因此，只要測(cè)定出俄歇電子的能量，對(duì)照現(xiàn)有的俄歇電子能量圖表，即可確定樣品表面的成份。

由于一次電子束能量遠(yuǎn)高于原子內(nèi)層軌道的能量，可以激發(fā)出多個(gè)內(nèi)層電子，會(huì)產(chǎn)生多種俄歇躍遷，因此，在俄歇電子能譜圖上會(huì)有多組俄歇峰，雖然使定性分析變得復(fù)雜，但依靠多個(gè)俄歇峰，會(huì)使得定性分析準(zhǔn)確度很高，可以進(jìn)行除氫氦之外的多元素一次定性分析。同時(shí)，還可以利用俄歇電子的強(qiáng)度和樣品中原子濃度的線性關(guān)系，進(jìn)行元素的半定量分析，俄歇電子能譜法是一種靈敏度很高的表面分析方法。其信息深度為1.0-3.0nm,絕對(duì)靈敏可達(dá)到10單原子層。是一種很有用的分析方法。

俄歇電流

從純凈固體表面測(cè)得的俄歇電流大約是10I，I是入射電子束流。俄歇電流原則上可以通過(guò)估計(jì)電離截面來(lái)計(jì)算，但由于受多種因子的影響。計(jì)算很復(fù)雜，并與實(shí)驗(yàn)符合得不好。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，為了使俄歇電流達(dá)到最大，必須選擇適當(dāng)?shù)腅/E比例。E是入射電子的能量，E是最初被電離的內(nèi)層能級(jí)的能量。若EE則不足以電離W能級(jí)，俄歇電子產(chǎn)額等于零。若E》E，則人射電子和原子相互作用的時(shí)間不足，也不利于提高俄歇產(chǎn)額。能獲得最大俄歇電子產(chǎn)額的E/E比例大約是2—6 。用小角度入射掠射時(shí)可以增加有效的“檢測(cè)體積”，使更多的表面原子電離, 從而增加俄歇產(chǎn)額。一般來(lái)說(shuō)最佳的入射角是

。

俄歇電子能譜儀

俄歇電子能譜

俄歇能譜儀包括電子光學(xué)系統(tǒng)、電子能量分析器、樣品安放系統(tǒng)、離子槍、超高真空系統(tǒng)。以下分別進(jìn)行介紹。

電子光學(xué)系統(tǒng)主要由電子激發(fā)源（熱陰極電子槍）、電子束聚焦（電磁透鏡）和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（偏轉(zhuǎn)線圈）組成。電子光學(xué)系統(tǒng)的主要指標(biāo)是入射電子束能量，束流強(qiáng)度和束直徑三個(gè)指標(biāo)。其中AES分析的最小區(qū)域基本上取決于入射電子束的最小束斑直徑；探測(cè)靈敏度取決于束流強(qiáng)度。這兩個(gè)指標(biāo)通常有些矛盾，因?yàn)槭鴱阶冃⑹故黠@著下降，因此一般需要折中。

俄歇電子能譜

2 電子能量分析器

這是AES的心臟，其作用是收集并分開(kāi)不同的動(dòng)能的電子。由于俄歇電子能量極低，必須采用特殊的裝置才能達(dá)到儀器所需的靈敏度。目前幾乎所有的俄歇譜儀都使用一種叫作筒鏡分析器的裝置。

分析器的主體是兩個(gè)同心的圓筒。樣品和內(nèi)筒同時(shí)接地，在外筒上施加一個(gè)負(fù)的偏轉(zhuǎn)電壓，內(nèi)筒上開(kāi)有圓環(huán)狀的電子入口和出口，激發(fā)電子槍放在鏡筒分析器的內(nèi)腔中（也可以放在鏡筒分析器外）。由樣品上發(fā)射的具有一定能量的電子從入口位置進(jìn)入兩圓筒夾層，因外筒加有偏轉(zhuǎn)電壓，最后使電子從出口進(jìn)入檢測(cè)器。若連續(xù)地改變外筒上的偏轉(zhuǎn)電壓，就可在檢測(cè)器上依次接收到具有不同能量的俄歇電子，從能量分析器輸出的電子經(jīng)電子倍增器、前置放大器后進(jìn)入脈沖計(jì)數(shù)器，最后由X-Y記錄儀或熒光屏顯示俄歇譜俄歇電子數(shù)目N隨電子能量E的分布曲線

若將筒鏡分析器與電子束掃描電路結(jié)合起來(lái)可以形成掃描俄歇顯微鏡（下圖）。電子槍的工作方式與掃描電鏡類似，兩級(jí)透鏡把電子束斑縮小到3微米，掃描系統(tǒng)控制使電子束在樣品上和顯像管熒光屏上產(chǎn)生同步掃描，筒鏡分析器探測(cè)到的俄歇電子信號(hào)經(jīng)電子倍增器放大后用來(lái)對(duì)熒光屏光刪進(jìn)行調(diào)制，如此便可得到俄歇電子像。

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