俄歇电子能谱（AES）的原理及优缺点

一些同学在做AES测试的时候，可能会对到AES有些不理解的地方，今天铄思百检测直接整理好AES的相关知识，希望能帮到同学们。

俄歇电子能谱（AES)是用具有一定能量的电子束（或X射线）激发样品俄歇效应，通过检测俄歇电子的能量和强度，从而获得有关材料表面化学成分和结构信息的方法。

俄歇电子的产生

俄歇电子能谱（AES)的原理比较复杂，涉及到三个原子轨道上两个电子的跃迁过程。当具有足够能量的粒子(光子、电子或离子)与一个原子碰撞时，原子内层轨道上的电子被激发出后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。激发态正离子是不稳定的，必须通过退激发而回到稳定态。在退激发过程中，外层轨道的电子可以向该空穴跃迁并释放出能量，并激发同—轨道层或更外层轨道的电子使之电离而逃离样品表面，这种出射电子就是俄歇电子。

俄歇电子能谱（AES)的优点

(1)作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度（电子平均自由程)。对于能量为50eV~2keV范围内的饿歇电子，逸出深度为0.4~2nm。检测极限约为10-3原子单层，采用电子束作为激发源，具有很高的空间分辨率，最小可达6nm。

(2）可分析除H、He以外的各种元素；

(3）对于轻元素C、O、N、S、P等有较高分析灵敏度；(4）可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。

俄歇电子能谱（AES)的缺点

(1）定量分析的准确度不高；

(2）对多数元素探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%；

(3)电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料中的应用；

(4）对样品要求高，表面必须清洁（最好光滑)等。

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米格实验室——设备讲解俄歇电子能谱分析

仪器名称 ：Auger electron spectroscopy

用途： 元素的定性和半定量分析（相对精度30%）；元素的深度分布分析（Ar离子束进行样品表面剥离）；元素的化学价态分析；界面分析

特点： 横向分辨率取决于入射束斑大小；俄歇电子来自浅层表面(电子平均自由程决定)，其信息深度为1.0-3.0nm；检测极限可达10-3单原子层（可以有效的用来研究固体表面的化学吸附和化学反应）；并且其能谱的能量位置固定，容易分析；适用于轻元素的分析

被测样品要求 ：导体或半导体材料，表面清洁

基本原理 ：

1.入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子形成空穴。外层电子填充空穴向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子（如果电子束将某原子K层电子激发为自由电子，L层电子跃迁到K层，释放的能量又将L层的另一个电子激发为俄歇电子，这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子。同样，LMM俄歇电子是L层电子被激发，M层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子）

2.对于原子序数为Z的原子,俄歇电子的能量可以用下面经验公式计算：

EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z+ Δ)-Φ

EWXY(Z)：原子序数为Z的原子，W空穴被X电子填充得到的俄歇电子Y的能量

EW(Z)-EX(Z)：X电子填充W空穴时释放的能量

EY(Z+Δ)：Y电子电离所需的能量

3.由于一次电子束能量远高于原子内层轨道的能量，可以激发出多个内层电子，会产生多种俄歇跃迁，因此,在俄歇电子能谱图上会有多组俄歇峰，虽然使定性分析变得复杂，但依靠多个俄歇峰,会使得定性分析准确度很高，可以进行除H，He之外的多元素一次定性分析。同时,还可以利用俄歇电子的强度和样品中原子浓度的线性关系,进行元素的半定量分析

4.对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析

5.虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道决定，但由于原子内外层轨道的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，这种轨道结合能上的微小差异可以导致俄歇电子能量的变化，称为俄歇化学位移，主要取决于元素所处的化学环境，一般来说，俄歇电子设计三个原子轨道能级，所以其化学位移要比XPS的化学位移大的多，利用俄歇位移可以分析元素的化学价态和存在形式

6.一般元素的化合价越正，俄歇电子的动能越低，化学位移越负；相反，化合价越负，俄歇电子动能越高，化学位移越正；对于相同化学价态的原子，俄歇位移与原子间的电负性差有关，电负性差越大，原子得失的电荷也越大，因此俄歇化学位移也越大

数据处理 ：俄歇谱一般具有两种形式，积分谱和微分谱：1.积分谱可以保证原来的信息量，但背景太高，难以直接处理，可直接获得 2.微分谱具有很高的信背比，容易识别，但会失去部分有用信息以及解释复杂，可通过微分电路或计算机数字微分获得

测试结果例：

延伸： 与XPS相比，俄歇电子能谱虽然存在能量分辨率较低的缺点，但却具有XPS难以达到的微区分析（选点分析）优点；此外，XPS化学位移很小，难以鉴别其化学环境的影响，但他们的俄歇位移却很大，更适合于表征化学环境的作用

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