AES可以用于研究固體表面的能帶結(jié)構(gòu)、表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化（如表面吸附、脫附以及表面化學(xué)反應(yīng)）；用于材料組分的確定、純度的檢測、材料尤其是薄膜材料的生長等。?

俄歇電子能譜（Auger Electron Spectrometry，簡稱AES）是用具有一定能量的電子束(或X射線)激發(fā)樣品俄歇效應(yīng)，通過檢測俄歇電子的能量和強(qiáng)度，從而獲得有關(guān)材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)的信息的方法。P. Auger 在1923 年發(fā)現(xiàn)了Auger效應(yīng)

俄歇電子的產(chǎn)生和俄歇電子躍遷過程：一定能量的電子束轟擊固體樣品表面，將樣品內(nèi)原子的內(nèi)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(nèi)層的電子空位，同時以兩種方式釋放能量：發(fā)射特征X射線；或引起另一外層電子電離，使其以特征能量射出固體樣品表面，此即俄歇電子。

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?俄歇電子躍遷過程與俄歇電子躍遷過程能級圖

俄歇躍遷的方式不同，產(chǎn)生的俄歇電子能量不同。上圖所示俄歇躍遷所產(chǎn)生的俄歇電子可被標(biāo)記為WXY躍遷。如 KLL躍遷：K層電子被激發(fā)后，可產(chǎn)生KL1L1，KL1L2，KL2L3，…等K系俄歇電子。

俄歇電子的激發(fā)方式雖然有多種（如X射線、電子束等），但通常主要采用一次電子激發(fā)。因為電子便于產(chǎn)生高束流，容易聚焦和偏轉(zhuǎn)。

俄歇電子的能量具有特征值，其能量特征主要由原子的種類確定，只依賴于原子的能級結(jié)構(gòu)和俄歇電子發(fā)射前它所處的能級位置, 和入射電子的能量無關(guān)。測試俄歇電子的能量，可以進(jìn)行定性分析；根據(jù)俄歇電子信號的強(qiáng)度，可以確定元素含量，進(jìn)行定量分析。??

俄歇電子產(chǎn)額或俄歇躍遷幾率決定俄歇譜峰強(qiáng)度，直接關(guān)系到元素的定量分析。俄歇電子與特征X射線是兩個互相關(guān)聯(lián)和競爭的發(fā)射過程。對同一K層空穴，退激發(fā)過程中熒光X射線與俄歇電子的相對發(fā)射幾率，即熒光產(chǎn)額(PX)和俄歇電子產(chǎn)額(PA )滿足：PX + PA =1。

俄歇電子產(chǎn)額與原子序數(shù)的關(guān)系

由圖可知，對于K層空穴Z<19，發(fā)射俄歇電子的幾率在90％以上；隨Z的增加，X射線熒光產(chǎn)額增加，而俄歇電子產(chǎn)額下降。Z<33時，俄歇發(fā)射占優(yōu)勢。

Z＜15的輕元素的K系俄歇電子以及所有元素的L系和M系俄歇電子產(chǎn)額都很高。由此可見，俄歇電子能譜對輕元素的檢測特別敏感和有效。

俄歇躍遷幾率及熒光幾率與原子序數(shù)的關(guān)系

對于Z≤14的元素，采用KLL俄歇電子分析；

14<Z<42的元素，采用LMM俄歇電子較合適；

Z>42時，以采用MNN和MNO俄歇電子為佳。

（1）大多數(shù)元素在50~1000eV能量范圍內(nèi)都有產(chǎn)額較高的俄歇電子，它們的有效激發(fā)體積（空間分辨率）取決于入射電子束的束斑直徑和俄歇電子的發(fā)射深度。

（2）能夠保持特征能量（沒有能量損失）而逸出表面的俄歇電子，發(fā)射深度僅限于表面以下大約2nm以內(nèi)，約相當(dāng)于表面幾個原子層，且發(fā)射（逸出）深度與俄歇電子的能量以及樣品材料有關(guān)。

（3）在這樣淺的表層內(nèi)逸出俄歇電子時，入射電子束的側(cè)向擴(kuò)展幾乎尚未開始，故其空間分辨率直接由入射電子束的直徑?jīng)Q定。

（1）原子“化學(xué)環(huán)境”指原子的價態(tài)或在形成化合物時，與該(元素)原子相結(jié)合的其它(元素)原子的電負(fù)性等情況。如：原子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移(如價態(tài)變化)引起內(nèi)層能級變化，從而改變俄歇躍遷能量，導(dǎo)致俄歇峰位移；?

（2）原子“化學(xué)環(huán)境”變化，不僅可能引起俄歇峰的位移(稱化學(xué)位移)，也可能引起其強(qiáng)度的變化，這兩種變化的交疊，則將引起俄歇峰(圖)形狀的改變。

（3）俄歇躍遷涉及三個能級，元素化學(xué)態(tài)變化時，能級狀態(tài)有小的變化，結(jié)果這些俄歇電子峰與零價狀態(tài)的峰相比有幾個電子伏特的位移。因此，由俄歇電子峰的位置和形狀可得知樣品表面區(qū)域原子的化學(xué)環(huán)境或化學(xué)狀態(tài)的信息。

依據(jù)：俄歇電子的能量僅與原子本身的軌道能級有關(guān)，與入射電子的能量無關(guān)。對于特定的元素及特定的俄歇躍遷過程，其俄歇電子的能量是特征的。由此，可根據(jù)俄歇電子的動能來定性分析樣品表面物質(zhì)的元素種類。

方法：實際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子譜的組合，定性分析的方法是將測得的俄歇電子譜與純元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，通過對比峰的位置和形狀來識別元素的種類。

（1）俄歇電子能譜定性分析方法適用于除氫、氦以外的所有元素，且每個元素有多個俄歇峰，定性分析的準(zhǔn)確性很高。?

（2）AES技術(shù)適用于對所有元素進(jìn)行一次全分析，對未知樣品的定性鑒定非常有效。

（3）為了增加譜圖的信背比，通常采用俄歇譜的微分譜的負(fù)峰來進(jìn)行定性鑒定。

（4）在判斷元素是否存在時，應(yīng)用其所有的次強(qiáng)峰進(jìn)行佐證。

（5）由于相近原子序數(shù)元素激發(fā)出的俄歇電子的動能有較大差異，因此相鄰元素間的干擾作用很小。?

(1) 利用“主要俄歇電子能量圖”，確定實測譜中最強(qiáng)峰可能對應(yīng)的幾種(一般為2、3種)元素；

(2) 實測譜與可能的幾種元素的標(biāo)淮譜對照，確定最強(qiáng)峰對應(yīng)元素的所有峰；

(3) 反復(fù)重復(fù)上述步驟識別實測譜中尚未標(biāo)識的其余峰。注意：化學(xué)環(huán)境對俄歇譜的影響造成定性分析的困難(但又為研究樣品表面狀況提供了有益的信息)，應(yīng)注意識別。?

俄歇電子強(qiáng)度與樣品中對應(yīng)原子的濃度有線性關(guān)系，據(jù)此可以進(jìn)行元素的半定量分析。

俄歇電子強(qiáng)度除與原子的濃度有關(guān)外，還與樣品表面的光潔度、元素存在的化學(xué)狀態(tài)以及儀器的狀態(tài)（譜儀對不同能量的俄歇電子的傳輸效率不同）有關(guān)，譜儀的污染程度、樣品表面的C和O的污染、吸附物的存在、激發(fā)源能量的不同均影響定量分析結(jié)果，所以，AES不是一種很好的定量分析方法，它給出的僅僅是半定量的分析結(jié)果。

根據(jù)測得的俄歇電子信號的強(qiáng)度來確定產(chǎn)生俄歇電子的元素在樣品表面的濃度。元素的濃度用原子分?jǐn)?shù)C表示。C即樣品表面區(qū)域單位體積內(nèi)元素X的原子數(shù)占總原子數(shù)的分?jǐn)?shù)（百分比）。定量分析方法有以下兩種：

(1) 標(biāo)準(zhǔn)樣品法

純元素標(biāo)樣法：在相同條件下測量樣品中元素X和純元素X標(biāo)樣的同一俄歇峰，俄歇電子信號強(qiáng)度分別為Ix和Ixstd，則：? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???

Cx ＝Ix / Ixstd?

多元素標(biāo)樣法：用多元素標(biāo)樣（各元素濃度均已知）代替純元素標(biāo)樣，標(biāo)樣的元素種類及含量與樣品相近。設(shè)Cxstd為標(biāo)樣中元素X的原子分?jǐn)?shù)，則：

Cx ＝Cxstd Ix / Ixstd?

因需提供大量標(biāo)樣，所以，實際分析中標(biāo)準(zhǔn)樣品法應(yīng)用不多。

(2) 相對靈敏度因子法

該法是將各元素產(chǎn)生的俄歇電子信號均換算成純Ag當(dāng)量來進(jìn)行比較計算。具體過程：在相同條件下測量純元素X和純Ag的主要俄歇峰強(qiáng)度Ix和IAg，比值Sx＝Ix / IAg即為元素X的相對靈敏度因子，表示元素X產(chǎn)生俄歇電子信號與純Ag產(chǎn)生的相當(dāng)程度。這樣，元素X的原子分?jǐn)?shù)為：

式中，為Ii樣品中元素i的俄歇峰強(qiáng)度，Si為元素i的相對靈敏度因子，可從相關(guān)手冊中查出。因此，只要測出樣品中各元素的俄歇電子信號強(qiáng)度，查出相應(yīng)元素的Si ，即可計算各元素的濃度，而不需要任何標(biāo)樣。故相對靈敏度因子法最常用。

AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能，主要分析元素及含量隨樣品表面深度的變化。

鍍銅鋼深度分析曲線

采用能量為500eV～5keV的惰性氣體氬離子濺射逐層剝離樣品，并用俄歇電子能譜儀對樣品原位進(jìn)行分析，測量俄歇電子信號強(qiáng)度I （元素含量）隨濺射時間t（濺射深度）的關(guān)系曲線,這樣就可以獲得元素在樣品中沿深度方向的分布。

在經(jīng)過界面反應(yīng)后，在PZT薄膜與硅基底間形成了穩(wěn)定的SiO2界面層。這界面層是通過從樣品表面擴(kuò)散進(jìn)的氧與從基底上擴(kuò)散出的硅反應(yīng)而形成的。

濺射產(chǎn)額與離子束的能量、種類、入射方向、被濺射固體材料的性質(zhì)以及元素種類有關(guān)。

多組分材料由于其中各元素的濺射產(chǎn)額不同，濺射產(chǎn)額高的元素被大量濺射掉，而濺射產(chǎn)額低的元素在表面富集，使得測量成分發(fā)生變化，稱之為擇優(yōu)濺射。有時擇優(yōu)濺射的影響很大。如上圖。?

該工作模式有兩種：???

1)連續(xù)濺射式：離子濺射的同時進(jìn)行AES分析；??

2)間歇濺射式：離子濺射和AES分析交替進(jìn)行。

離子濺射深度分布分析是一種破壞性分析方法。離子的濺射過程非常復(fù)雜，不僅會改變樣品表面的成分和形貌，有時還會引起元素化學(xué)價態(tài)的變化。濺射產(chǎn)生的表面粗糙也會大大降低深度剖析的深度分辨率。濺射時間越長，表面粗糙度越大，解決方法是旋轉(zhuǎn)樣品，以增加離子束的均勻性。

微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個重要功能，可以分為選點分析，線掃描分析和面掃描分析三個方面。、

這種功能是俄歇電子能譜在微電子器件研究中最常用的方法，也是納米材料研究的主要手段。?

（1）選點分析

俄歇電子能譜選點分析的空間分別率可以達(dá)到束斑面積大小。因此，利用俄歇電子能譜可以在很微小的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行選點分析。

a. 在正常樣品區(qū)，表面主要有Si, N以及C和O元素存在；

b. 而在損傷點，表面的C,O含量很高，而Si, N元素的含量卻比較低；

c. 說明在損傷區(qū)發(fā)生了Si3N4薄膜的分解。

（2）線掃描分析

俄歇線掃描線掃描分析可以在微觀和宏觀的范圍內(nèi)進(jìn)行（1～6000微米），可以了解一些元素沿某一方向的分布情況。

橫坐標(biāo)為線掃描寬度，縱坐標(biāo)為元素的信號強(qiáng)度

（3）面掃描：元素面分布分析

可以把某個元素在某一區(qū)域內(nèi)的分布以圖像的方式表示出來。

(1) 離子束濺射

因樣品在空氣中極易吸附氣體分子（包括元素O、C等），當(dāng)需要分析氧、碳元素或清潔被污染的固體表面時，應(yīng)先用離子束濺射樣品，去除污染物。

(2) 樣品制備

含有揮發(fā)性物質(zhì)和表面污染的樣品：對樣品加熱或用溶劑清洗。清洗溶劑：正己烷、丙酮、乙醇等。絕對禁止帶有強(qiáng)磁性的樣品進(jìn)入分析室，因磁性會導(dǎo)致分析器頭及樣品架磁化。樣品有磁性時，俄歇電子在磁場作用下偏離接受角，不能到達(dá)分析器，得不到AES譜。帶有微弱磁性的樣品：通過退磁的方法去掉微弱磁性。?

(3) 樣品荷電問題?

通常情況下只能分析固體導(dǎo)電樣品；經(jīng)過特殊處理，絕緣體固體和粉末樣品也可以分析。

粉末樣品：一種是用導(dǎo)電膠帶直接把粉體固定在樣品臺上，另一種是把粉體樣品壓成薄片，然后再固定在樣品臺上。

導(dǎo)電性能不好的樣品如半導(dǎo)體材料、絕緣體薄膜，在電子束的作用下，其表面會產(chǎn)生一定的負(fù)電荷積累，此即俄歇電子能譜的荷電效應(yīng)。樣品表面荷電相當(dāng)于給表面自由的俄歇電子增加額外電場，使俄歇動能變大。荷電嚴(yán)重時不能獲得俄歇譜。? ? ? ? ? ?

100nm厚度以下的絕緣體薄膜，若基體材料導(dǎo)電，其荷電效應(yīng)基本可自身消除。

對于絕緣體樣品，可通過在分析點周圍鍍金的方法解決荷電效應(yīng)。也有用帶小窗口的Al、Sn、Cu箔等包覆樣品的方法。?

（1）分析層薄，0～3nm。AES的采樣深度為1～2nm，比XPS（對無機(jī)物約2nm，對高聚物≤10nm）還要淺，更適合于表面元素定性和定量分析。

（2）分析元素廣，除H和He外的所有元素，對輕元素敏感。

（3）分析區(qū)域小，≤50nm區(qū)域內(nèi)成分變化的分析。由于電子束束斑非常小，AES具有很高的空間分辨率，可以進(jìn)行掃描和在微區(qū)上進(jìn)行元素的選點分析、線掃描分析和面分布分析。

（4）可獲得元素化學(xué)態(tài)的信息。

（5）具有元素深度分布分析的能力，需配合離子束剝離技術(shù)。

（6）定量分析精度還不夠高。? ?? ?? ?? ???

俄歇電子能譜現(xiàn)已發(fā)展成為表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微區(qū)分析的重要手段。在材料研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。