现代分析-2010-8(AES).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八,章 表面探针分析,X,射线光电子能谱,俄歇电子能谱,二次离子质谱,8-1,俄歇电子能谱原理及应用,一、概述,俄歇电子能谱（,Auger Electron Spectroscopy,，,AES,）,1925,年法国的物理学家俄歇（,P.Auger,）在用,X,射线研究光电效应时就已发现俄歇电子，并对现象给予了正确的解释。,1968,年,L.A.Harris,采用微分电子线路，使俄歇电子能谱开始进入实用阶段。,1969,年，,Palmberg,、,Bohn,和,Tracey,引进了筒镜能量分析器，提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。,现代材料分析技术,俄歇电子,是用会聚电子束与固体样品表面作用所产生的二次电子，反映元素的能量特征，并从样品的浅表面逸出，逸出过程中没有能量损耗。,AES,通过检测俄歇电子的特征能量来进行材料表面成分分析的方法。,现代材料分析技术,AES,特点：,高的横向分辨率,高灵敏度,无标样半定量,可在某些条件下给出化学键信息,现代材料分析技术,二、,AES,基本原理,在,X,射线或高能电子照射下，原子的内层电子可能获得足够的能量而电离，使原子处于不稳定的激发态，较外层电子向内层空位跃迁，原子多余的能量可能通过两种方式释放：,发射,X,射线；,发射第三个电子,俄歇电子。该过程称为俄歇效应。,1.,俄歇电子发射,俄歇效应,现代材料分析技术,俄歇效应（电子）的表示：,KL,1,L,1,KL,1,L,2,，,3,LM,1,M,1,KVV,现代材料分析技术,俄歇电子的动能与入射粒子的类型和能量无关，只是发射原子的特征，可由俄歇跃迁前后原子系统的能量差来计算。,经验公式：,2.,俄歇电子的能量,（电子束缚能之差）,（修正项）,现代材料分析技术,例：计算,Ni,的,KL,1,L,2,俄歇电子能量,各种元素的俄歇电子能量和标准谱可查手册获得。,现代材料分析技术,原子所处的化学环境的变化会改变其电子轨道，影响到原子势及内层电子的束缚能，从而改变俄歇跃迁的能量，引起俄歇谱峰的位移,称为化学位移。,例如，当元素形成化合物时将改变元素的俄歇电子能量。,化学位移可达几个,eV,。,化学位移：,现代材料分析技术,产额,相当于俄歇跃迁的几率，与俄歇谱峰的强度相对应，是元素定量分析的依据。,3.,俄歇电子的产额：,原子序数,俄歇电子产额,特征,X,射线产额,每个,K,电子空穴的产额,现代材料分析技术,在低原子序数元素中，俄歇过程占主导，而且变化不大。,对于高原子序数元素，,X,射线发射则成为优先过程。,俄歇电子与特征,X,射线两种信号具有互补性，,AES,适合于氢轻元素，,EDS,适合于重元素。,俄歇电子的产额：,现代材料分析技术,定义：具有确定能量,E,c,的电子能够通过而不损失能量的最大距离。,电子逃逸深度,=,电子非弹性散射的平均自由程。,4.,俄歇电子的逃逸深度：,逃逸深度,入射电子,电子能量损失,现代材料分析技术,逃逸深度,取决于俄歇电子能量，,近似与元素种类无关,现代材料分析技术,能量为,202500eV,的俄歇电子，逃逸深度为,210,个单原子层。,AES,用于表面,0.53nm,深度内的成分分析,现代材料分析技术,直接谱,不同能量的俄歇电子数,N(E),随电子能量,E,的分布曲线。,N(E)E,曲线,微分谱,二次电子形成谱线的背底。为提高灵敏度，使用微分型能量分布曲线。,dN(E)/dE,E,曲线,5.AES,谱,纯银的,AES,谱,直接谱,微分谱,现代材料分析技术,三、,AES,装置和实验方法,主要由电子光学系统，样品室，能量分析器，信号探测、处理和显示系统等组成。,1.AES,结构,现代材料分析技术,电子能量分析器：,现代材料分析技术,所探测的电子动能与施加在外筒上的偏压成正比。,现代材料分析技术,2.AES,测量,电子能量分布曲线,现代材料分析技术,能量分析器测出的,AES,谱实际上是包括俄歇电子在内的二次电子谱。,AES,峰是信号，二次电子形成背底或干扰。,提高峰背比的方法：,扣除本底,困难、效果差,微分法,简单、有效,现代材料分析技术,直接谱与微分谱：,轻微氧化的,Fe,表面的直接谱和微分谱,现代材料分析技术,微分谱的利用：,直接谱上的一个峰在微分谱上是一个“正峰,”,和一个“负峰,”,。,以负峰能量作为俄歇电子能量，用于识别元素（定性分析）；,以正负峰的高度差代表俄歇峰的强度，用于定量分析。,现代材料分析技术,微分谱特点：,大大提高了峰背比，便于识谱；,使谱峰变窄，减小了重叠峰；,使用峰,-,峰值很容易确定,AES,谱峰的强度。,失去了本底所包含的信息；,化学位移使峰形变化时，用峰,-,峰值代表强度会产生误差。,直接谱和微分谱都是有用的。,现代材料分析技术,3.AES,定性分析,原理：根据微分谱峰上负峰位置识别元素,方法：直接与标准谱图对比,工具：,俄歇电子谱手册,（,L.E.Davis,编）,现代材料分析技术,入射电子能量为,3keV,时,Si,的标准俄歇微分谱,现代材料分析技术,入射电子能量为,3keV,时,SiO,2,中的,Si,的标准俄歇微分谱,现代材料分析技术,AES,定性分析一般步骤：,先按照最强峰确定可能元素；,利用“主要俄歇电子能量图,”,集中分析最强峰，并将最强峰可能元素减少到种，,注意考虑化学位移的影响,。,利用标准谱图标明属于此元素的所有峰；,对剩余的峰重复以上步骤，反复进行；,如还有未确定的峰，可改变入射能量重新收谱。若谱峰移动，该谱峰便不是俄歇峰。,现代材料分析技术,现代材料分析技术,主要俄歇电子能量图,4.AES,定量分析,依据：微分谱峰上峰,-,峰值,方法：纯元素标样法,相对灵敏度因子法,现代材料分析技术,定量分析,纯元素标样法,在相同条件下，测量,i,元素的俄歇峰强度 ，及标样的同一俄歇峰强度 。,（所取,WXY,俄歇峰一般为主峰）,则试样中,i,元素的浓度,C,i,为：,此方法需要纯元素标样，不实用。,现代材料分析技术,定量分析,相对灵敏度因子法,引入灵敏度因子,S,i,：,S,i,可查手册获得。,则试样中,i,元素的浓度,C,i,为：,此方法不需要纯元素标样，精度低，实用性强。,现代材料分析技术,定量分析,举例,在,304,不锈钢断口表面的微分谱（,E,p,=3keV,）,现代材料分析技术,表面元素含量计算：,I,Fe,，,703,=10.1,S,Fe,，,703,=0.2,I,Cr,，,529,=4.7,S,Cr,，,529,=0.29,I,Ni,，,848,=1.5,S,Ni,，,848,=0.27,现代材料分析技术,5.,化学态判断,元素化学状态的变化将改变俄歇电子的能量，使,AES,峰位移,化学位移。,AES,可在一定程度上判断元素的化学状态。,现代材料分析技术,Al,2,O,3,与,Al,的,AES,谱,现代材料分析技术,不同化学态的碳的,KVV,俄歇峰,现代材料分析技术,6.,结果形式,AES,谱图,深度剖图,AES,成像（扫描俄歇显微镜,SAM,）,现代材料分析技术,7.AES,的局限性,分析,Z,3的,元素；,电子束引起的假象,绝缘体的电荷积累,谱峰重叠问题,高蒸汽压样品（饱和蒸汽压应小于,10,-6,Pa,）,离子刻蚀的影响,现代材料分析技术,四、,AES,特点及应用,表层,13nm,以内成分分析；,可分析出了,H,、,He,以外的所有元素，尤其对,C,、,O,、,N,、,S,、,P,等较灵敏；,可进行深度分析，深度分辨率,510nm,；,较高的空间分辨率（,50nm,）；,可实现原位断裂界面成分分析；,可在一定程度上分析化学态,定量精度低,有机材料和不导电材料的轰击损伤和电荷积累严重,AES,特点：,现代材料分析技术,各种薄膜及其界面的成分分析，特别是表面与界面上的轻元素（,C,、,N,、,O,等）的分析。,1.,微电子学中的应用,现代材料分析技术,现代材料分析技术,2.,多层薄膜研究,现代材料分析技术,多层薄膜研究,现代材料分析技术,3.,抗腐蚀钝化膜,4.,表面偏聚,5.,晶界化学成分,6.,应力腐蚀,7.,回火脆性,现代材料分析技术,