AES俄歇電子能譜專(zhuān)輯之原理篇

1925年P(guān)ierre Auger在威爾遜云室中發(fā)現了俄歇電子，并進(jìn)行了理論解釋?zhuān)硇娮右运拿置?953年，James Joseph Lander使用了電子束激發(fā)俄歇電子能譜，并探討了俄歇效應應用于表面分析的可能性。1967年Larry Harris提出了微分處理來(lái)增強AES譜圖信號。美國明尼蘇達大學(xué)的Roland Weber, Paul Palmberg和他們的導師Bill Peria進(jìn)行的研究揭示了俄歇電子能譜的表面靈敏特性，研制了早期商用俄歇表面分析儀器（如圖1所示），并基于此在1969年成立了PHI公司（Physical Electronics）。目前，俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy, AES）作為對導電樣品進(jìn)行表面化學(xué)分析的重要工具，通過(guò)電子束進(jìn)行聚焦和掃描可實(shí)現對納米和微米尺寸內物質(zhì)表面分析。

圖1. 美國明尼蘇達大學(xué)Roland Weber, Paul Palmberg, Bill Peria研制的LEED-AES裝置

俄歇電子產(chǎn)生的原理，一般是由三個(gè)電子參與的躍遷過(guò)程，當一定能量的電子束轟擊固體樣品的表面，將樣品原子的內層電子擊出，使原子處于高能的激發(fā)態(tài)，外層電子躍遷到內層的電子空位，同時(shí)以?xún)煞N方式釋放能量：前一種方式是外層軌道電子向內躍遷填充空位產(chǎn)生Ｘ射線(xiàn)；第二種方式是外層軌道的電子向低能級的空穴躍遷并釋放出一定的能量，去激發(fā)同一軌道或更外層軌道的電子，使得該電子被激發(fā)出來(lái)，該電子稱(chēng)之為俄歇電子。

俄歇電子的動(dòng)能等于前兩個(gè)能級能量差減去第三個(gè)能級的束縛能，EKLL = EK - EL - EL’，其帶有元素特征的信息，可以進(jìn)行元素判定。三個(gè)字母描述分別是：首字母是電子空穴在哪里產(chǎn)生，第二個(gè)字母是哪個(gè)電子回填，第三個(gè)字母是對應激發(fā)出去的電子。如圖2所示，K層電子被激發(fā)產(chǎn)生空穴，L2中的電子回填，釋放的能量傳遞給L3中的一個(gè)電子，導致L3電子激發(fā)出去，所以對應俄歇躍遷為KL2L3，也可以直接寫(xiě)成KLL。

圖2. 俄歇電子產(chǎn)生過(guò)程

俄歇電子能譜測試是采用精細聚焦掃描電子束激發(fā)樣品，典型的電子束電壓為3 kV~ 30 kV，電子束激發(fā)出的信號包括：（1）二次電子，通常能量比較低；（2）背散射電子，通常包括材料的一些能量損失，具有非常普遍的能量分布，并構成俄歇譜中的大部分背景信號；（3）特征X射線(xiàn)，X射線(xiàn)的能量取決于樣品的元素；（4）俄歇電子，俄歇電子的能量同樣取決于樣品的元素。如圖3所示，俄歇電子以相對較小的譜峰出現，并疊加在二次電子和背散射電子的連續本底上，所以俄歇電子譜圖需要進(jìn)行微分處理，以減小本底信號，增強俄歇信號。

圖3. 俄歇譜示意圖

俄歇電子的典型動(dòng)能在100-2000 eV, 非彈性平均自由程λ較小，95%的俄歇信號來(lái)自于表面3λ以?xún)?，所以俄歇電子能譜通常探測深度小于5納米，具有較高的表面靈敏度。而特征X射線(xiàn)具有較大的逃逸深度，所以EDX能譜的探測深度通常是微米級，主要給出材料體相信息。

圖4.俄歇電子和特征X射線(xiàn)的探測深度分布的示意圖

根據上述俄歇電子能譜的原理，AES主要于分析固體材料表面納米深度的元素（部分化學(xué)態(tài)）成分組成，可以對納米級形貌進(jìn)行觀(guān)察和成分表征。AES既可以分析原材料（粉末顆粒，片材等）均勻表面組成，又可以分析材料或特定產(chǎn)品表面缺陷如污染、腐蝕、摻雜、吸附、雜質(zhì)偏析等，同時(shí)還具備深度剖析功能表征鈍化層、摻雜深度、納米級多層膜層結構等。俄歇電子能譜的應用領(lǐng)域目前已突破傳統的金屬和合金范圍，擴展到納米薄膜、微電子、光電子和新能源等領(lǐng)域，未來(lái)在新材料研制、材料表面性能測試與分析中都將發(fā)揮其不可替代的優(yōu)勢。