表格模板-9表面分析技术 精品.ppt

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1、9 9 表面分析技术表面分析技术9.1 9.1 俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析 俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（Auger Electron Spectrometry，简称，简称AES）是用具有一定能量的电子束是用具有一定能量的电子束(或或X射线射线)激发样品激发样品俄歇效应俄歇效应，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。面化学成分和结构的信息的方法。 P. Auger 在在1923 年发现了年发现了Auger效应效应. 俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程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

2、样品表面，将样品内原子的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，同时迁到内层的电子空位，同时以两种方式释放能量：发射以两种方式释放能量：发射特征特征X射线；或引起另一外层电子电离，使其以特征能量射线；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，此即俄歇电子射出固体样品表面，此即俄歇电子。 俄歇电子跃迁过程俄歇电子跃迁过程 俄歇电子跃迁过程能级图俄歇电子跃迁过程能级图 俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。上图俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。上

3、图所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。跃迁。如如 KLL跃迁：跃迁：K层电子被激发后，可产生层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2，KL2L3，等等K系俄歇电子。系俄歇电子。 俄歇电子的激发方式虽然有多种（如俄歇电子的激发方式虽然有多种（如X射线、电子束射线、电子束等），但通常主要采用一次电子激发。因为电子便于产等），但通常主要采用一次电子激发。因为电子便于产生高束流，容易聚焦和偏转。生高束流，容易聚焦和偏转。 分析依据：分析依据：俄歇电子的能量具有特征值，其能量特征主俄歇电子的能量具有特征值，其能量特征主要由原子的种类确定，只依赖于原

4、子的能级结构和俄歇要由原子的种类确定，只依赖于原子的能级结构和俄歇电子发射前它所处的能级位置电子发射前它所处的能级位置, 和入射电子的能量无关。和入射电子的能量无关。测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析；根据俄歇电测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析；根据俄歇电子信号的强度，可以确定元素含量，进行定量分析。子信号的强度，可以确定元素含量，进行定量分析。 俄歇电子产额俄歇电子产额: 俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度，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。俄歇电子与特征直接关系到元素的定量分析。俄歇电子与特征X射射线是两个互相关联和竞争的发射过程。线是两个

5、互相关联和竞争的发射过程。俄歇电子产额与原子序数的关系俄歇电子产额与原子序数的关系 由图可知，对于由图可知，对于K层空穴层空穴Z19，发射俄歇电子的几率在发射俄歇电子的几率在90以上；以上；随随Z的增加，的增加，X射线荧光产额增加，射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。而俄歇电子产额下降。Z33时，时，俄歇发射占优势。俄歇发射占优势。俄歇分析的选择俄歇分析的选择 对于对于Z14Z14的元素，采用的元素，采用KLLKLL俄歇电子分析；俄歇电子分析； 14Z4214Z42Z42时，以采用时，以采用MNNMNN和和MNOMNO俄歇电子为佳。俄歇电子为佳。俄歇跃迁几率及荧光几率与原子序数的关系俄歇跃迁

6、几率及荧光几率与原子序数的关系 Z15的轻元素的的轻元素的K系俄系俄歇电子以及所有元素的歇电子以及所有元素的L系和系和M系俄歇电子产额都系俄歇电子产额都很高。由此可见，很高。由此可见，俄歇电俄歇电子能谱对轻元素的检测特子能谱对轻元素的检测特别敏感和有效。别敏感和有效。主要俄歇峰的能量用空心圆圈表示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实心圆圈代表每个元素的强峰俄歇电子能量图俄歇电子能量图原子序数原子序数俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪 主要组成部分：主要组成部分：电子枪电子枪、能量分析器能量分析器、二次电子探测二次电子探测器器、（、（样品）分析室样品）分析室、溅射离子枪溅射离子枪

7、和和信号处理与记录信号处理与记录系统系统等。等。 样品和电子枪装置需置于样品和电子枪装置需置于10-710-8Pa的超高真空分析的超高真空分析室中。室中。 俄歇谱仪示意图俄歇谱仪示意图激发俄歇电子用的电子枪也可以激发俄歇电子用的电子枪也可以同轴地放置在筒镜分析器内。样品同轴地放置在筒镜分析器内。样品台也采用能同时装台也采用能同时装612个样品的个样品的旋转式样品台，可依次将样品送至旋转式样品台，可依次将样品送至分析位置。分析位置。俄歇谱仪还可装有离子溅射装置俄歇谱仪还可装有离子溅射装置，以，以清洗样品表面清洗样品表面，也可对样品进，也可对样品进行行离子刻蚀（逐层离子剥离），离子刻蚀（逐层离子剥

8、离），以以测得样品沿深度（纵向）的成分和测得样品沿深度（纵向）的成分和含量变化，即得到三维的成分分布含量变化，即得到三维的成分分布 直接谱与微分谱直接谱与微分谱 直接谱直接谱：俄歇电子强度：俄歇电子强度密度密度(电子数电子数)N(E)对其对其能量能量E的分布的分布N(E)E。 微分谱微分谱：由直接谱微分：由直接谱微分而来，是而来，是dN(E)/dE对对E的分布的分布dN(E)/dEE。俄歇电子能谱示例俄歇电子能谱示例(银原子的俄歇能谱银原子的俄歇能谱) 俄歇电子能谱的分析技术俄歇电子能谱的分析技术1. 定性分析定性分析 依据：俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关，与依据：俄歇电子的能量仅与

9、原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关。对于特定的元素及特定的俄歇跃迁入射电子的能量无关。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。子的动能来定性分析样品表面物质的元素种类。 方法：实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电方法：实际分析的俄歇电子谱图是样品中各种元素俄歇电子谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与纯子谱的组合，定性分析的方法是将测得的俄歇电子谱与纯元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和形状来识别元元素的标准谱图比较，通过对比峰的位置和

10、形状来识别元素的种类。素的种类。 俄歇电子能谱定性分析方法适用于除氢、氦以外的所俄歇电子能谱定性分析方法适用于除氢、氦以外的所有元素，且每个元素有多个俄歇峰，定性分析的准确有元素，且每个元素有多个俄歇峰，定性分析的准确性很高。性很高。 AES技术适用于对所有元素进行一次全分析，对未知技术适用于对所有元素进行一次全分析，对未知样品的定性鉴定非常有效。样品的定性鉴定非常有效。 通常采用通常采用俄歇谱的微分谱的负峰俄歇谱的微分谱的负峰来进行定性鉴定。来进行定性鉴定。 在判断元素是否存在时，应用其所有的在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰次强峰进行佐进行佐证。证。 由于相近原子序数元素激发出的俄歇

11、电子的动能有较由于相近原子序数元素激发出的俄歇电子的动能有较大差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。大差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。 2. 定量分析或半定量分析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，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。据此可以进行元素的半定量分析。 俄歇电子强度除与原子的浓度有关外，还与样品表面俄歇电子强度除与原子的浓度有关外，还与样品表面的光洁度、元素存在的化学状态以及仪器的状态（谱的光洁度、元素存在的化学状态以及仪器的状态（谱仪对不同能量的俄歇电子的传输效率不同）有关，谱仪对不同能量的俄歇电子的传输效

12、率不同）有关，谱仪的污染程度、样品表面的仪的污染程度、样品表面的C和和O的污染、吸附物的存的污染、吸附物的存在、激发源能量的不同均影响定量分析结果，所以，在、激发源能量的不同均影响定量分析结果，所以，AES不是一种很好的定量分析方法。它给出的不是一种很好的定量分析方法。它给出的仅仅是仅仅是半定量的分析结果半定量的分析结果。 根据测得的俄歇电子信号的强度来确定产生俄歇电子根据测得的俄歇电子信号的强度来确定产生俄歇电子的元素在样品表面的浓度。元素的浓度用原子分数的元素在样品表面的浓度。元素的浓度用原子分数C表表示。示。C即样品表面区域单位体积内元素即样品表面区域单位体积内元素X的原子数占总的原子数

13、占总原子数的分数（百分比）。定量分析方法有以下两种：原子数的分数（百分比）。定量分析方法有以下两种：(1) 标准样品法标准样品法纯元素标样法：在相同条件下测量样品中元素纯元素标样法：在相同条件下测量样品中元素X和和纯元素纯元素X标样的同一俄歇峰，俄歇电子信号强度分别为标样的同一俄歇峰，俄歇电子信号强度分别为Ix和和Ixstd，则：，则： Cx Ix / Ixstd 多元素标样法：用多元素标样（各元素浓度均已知）代多元素标样法：用多元素标样（各元素浓度均已知）代替纯元素标样，标样的元素种类及含量与样品相近。替纯元素标样，标样的元素种类及含量与样品相近。设设Cxstd为标样中元素为标样中元素X的原

14、子分数，则：的原子分数，则： Cx Cxstd Ix / Ixstd 因需提供大量标样，所以，实际分析中标准样品法应用因需提供大量标样，所以，实际分析中标准样品法应用不多。不多。(2) 相对灵敏度因子法相对灵敏度因子法 该法是将各元素产生的俄歇电子信号均换算成纯该法是将各元素产生的俄歇电子信号均换算成纯Ag当当量来进行比较计算。具体过程：在相同条件下测量纯量来进行比较计算。具体过程：在相同条件下测量纯元素元素X和纯和纯Ag的主要俄歇峰强度的主要俄歇峰强度Ix和和IAg，比值，比值SxIx / IAg即为元素即为元素X的相对灵敏度因子，表示元素的相对灵敏度因子，表示元素X产生俄歇产生俄歇电子信号

15、与纯电子信号与纯Ag产生的相当程度。这样，元素产生的相当程度。这样，元素X的原的原子分数为：子分数为： 式中，为式中，为Ii样品中元素样品中元素i的俄歇峰强度，的俄歇峰强度，Si为元素为元素i的相的相对灵敏度因子，可从相关手册中查出。对灵敏度因子，可从相关手册中查出。 因此，只要测出样品中各元素的俄歇电子信号强度，因此，只要测出样品中各元素的俄歇电子信号强度，查出相应元素的查出相应元素的Si ，即可计算各元素的浓度，而不需，即可计算各元素的浓度，而不需要任何标样。故相对灵敏度因子法最常用。要任何标样。故相对灵敏度因子法最常用。/xxxiiiISCIS例例1 成分深度分析成分深度分析 AES的深

16、度分析功能是的深度分析功能是AES最有用的分析功能最有用的分析功能,主要分析元素主要分析元素及含量随样品表面深度的变化。及含量随样品表面深度的变化。 采用能量为采用能量为500eV5keV的惰性气体氩离子溅射的惰性气体氩离子溅射逐层剥离样品，逐层剥离样品，并用俄歇电子能谱仪对样品原位进行分析，测量俄歇电子信号并用俄歇电子能谱仪对样品原位进行分析，测量俄歇电子信号强度强度I （元素含量）随溅射时间（元素含量）随溅射时间t（溅射深度）的关系曲线（溅射深度）的关系曲线,这样这样就可以获得元素在样品中沿深度方向的分布。就可以获得元素在样品中沿深度方向的分布。镀铜钢深度分析曲线镀铜钢深度分析曲线 微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个方面。三个方面。 这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常用这种功能是俄歇电子能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。的方法，也是纳米材料研究的主要手段。 02004006008001000Kinetic