AES俄歇電子能譜專輯之原理篇

1925年Pierre Auger在威爾遜云室中發現了(le)(le)(le)俄歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，并(bing)進行(xing)(xing)了(le)(le)(le)理(li)論解釋，俄歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)以他的(de)(de)(de)名字命名。1953年，James Joseph Lander使(shi)用了(le)(le)(le)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束激發俄歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)譜(pu)，并(bing)探(tan)討了(le)(le)(le)俄歇(xie)效應(ying)應(ying)用于表面分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)可能(neng)(neng)性(xing)。1967年Larry Harris提(ti)出了(le)(le)(le)微分(fen)處理(li)來增(zeng)強AES譜(pu)圖信(xin)號。美國明尼蘇(su)達大學的(de)(de)(de)Roland Weber, Paul Palmberg和他們(men)的(de)(de)(de)導師Bill Peria進行(xing)(xing)的(de)(de)(de)研究(jiu)揭示了(le)(le)(le)俄歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)譜(pu)的(de)(de)(de)表面靈敏特性(xing)，研制(zhi)了(le)(le)(le)早期商用俄歇(xie)表面分(fen)析(xi)儀器(qi)（如(ru)圖1所示），并(bing)基于此在1969年成立了(le)(le)(le)PHI公司（Physical Electronics）。目(mu)前，俄歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)能(neng)(neng)譜(pu)（Auger Electron Spectroscopy, AES）作為對導電(dian)(dian)樣品進行(xing)(xing)表面化學分(fen)析(xi)的(de)(de)(de)重要工具，通過電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束進行(xing)(xing)聚焦和掃描可實現對納米(mi)和微米(mi)尺(chi)寸內物質表面分(fen)析(xi)。

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

俄歇電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)產(chan)生的(de)(de)原(yuan)理，一(yi)般(ban)是由三個電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)參與的(de)(de)躍(yue)遷過(guo)程，當一(yi)定能(neng)(neng)量的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)束轟擊(ji)固體樣品(pin)的(de)(de)表面，將樣品(pin)原(yuan)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)內層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)擊(ji)出(chu)，使原(yuan)子(zi)(zi)(zi)處于高(gao)能(neng)(neng)的(de)(de)激發態，外(wai)(wai)層(ceng)(ceng)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)躍(yue)遷到內層(ceng)(ceng)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空(kong)位，同時以兩種方式釋放能(neng)(neng)量：前一(yi)種方式是外(wai)(wai)層(ceng)(ceng)軌(gui)道(dao)(dao)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)內躍(yue)遷填充(chong)空(kong)位產(chan)生Ｘ射線；第二種方式是外(wai)(wai)層(ceng)(ceng)軌(gui)道(dao)(dao)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)向(xiang)低能(neng)(neng)級(ji)的(de)(de)空(kong)穴躍(yue)遷并釋放出(chu)一(yi)定的(de)(de)能(neng)(neng)量，去激發同一(yi)軌(gui)道(dao)(dao)或更外(wai)(wai)層(ceng)(ceng)軌(gui)道(dao)(dao)的(de)(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，使得該(gai)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)被激發出(chu)來，該(gai)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)稱之為俄歇電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。

俄(e)歇(xie)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)的(de)動(dong)能(neng)等于前兩個(ge)能(neng)級能(neng)量差減去第(di)(di)三(san)個(ge)能(neng)級的(de)束縛能(neng)，EKLL = EK - EL - EL’，其(qi)帶(dai)有元(yuan)素(su)特征的(de)信息，可以(yi)進行元(yuan)素(su)判定。三(san)個(ge)字(zi)母描述分別是(shi)：首字(zi)母是(shi)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)空(kong)穴在哪(na)里產(chan)生，第(di)(di)二(er)個(ge)字(zi)母是(shi)哪(na)個(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)回填，第(di)(di)三(san)個(ge)字(zi)母是(shi)對應(ying)激(ji)發(fa)(fa)出去的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)。如圖2所(suo)示，K層電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)被激(ji)發(fa)(fa)產(chan)生空(kong)穴，L2中的(de)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)回填，釋放的(de)能(neng)量傳(chuan)遞給L3中的(de)一個(ge)電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)，導(dao)致L3電(dian)(dian)子(zi)(zi)(zi)激(ji)發(fa)(fa)出去，所(suo)以(yi)對應(ying)俄(e)歇(xie)躍遷(qian)為KL2L3，也可以(yi)直接(jie)寫成KLL。

圖2. 俄歇電子產生過程

俄歇電子能譜測試是采用精細聚焦掃描電子束激發樣品，典型的電子束電壓為3 kV~ 30 kV，電子束激發出的信號包括：（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，X射線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

俄歇電子的典型動能在100-2000 eV, 非彈性平均自由程λ較小，95%的俄歇信號來自于表面3λ以內，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射線的探測深度分布的示意圖

根據上(shang)述(shu)俄歇電(dian)子(zi)能(neng)譜的原理，AES主要于分(fen)析固(gu)體材(cai)(cai)料(liao)表(biao)面(mian)納(na)米深度(du)(du)的元素（部分(fen)化(hua)學態(tai)）成分(fen)組成，可(ke)以(yi)對納(na)米級形貌進行觀察和成分(fen)表(biao)征。AES既可(ke)以(yi)分(fen)析原材(cai)(cai)料(liao)（粉(fen)末顆粒，片材(cai)(cai)等(deng)(deng)）均(jun)勻表(biao)面(mian)組成，又可(ke)以(yi)分(fen)析材(cai)(cai)料(liao)或特定產品表(biao)面(mian)缺陷如污(wu)染、腐蝕、摻雜、吸附(fu)、雜質偏(pian)析等(deng)(deng)，同時還具備深度(du)(du)剖析功能(neng)表(biao)征鈍化(hua)層(ceng)(ceng)、摻雜深度(du)(du)、納(na)米級多(duo)層(ceng)(ceng)膜(mo)層(ceng)(ceng)結構等(deng)(deng)。俄歇電(dian)子(zi)能(neng)譜的應(ying)用領域目前已突破傳統的金屬和合金范圍(wei)，擴展到納(na)米薄(bo)膜(mo)、微電(dian)子(zi)、光(guang)電(dian)子(zi)和新能(neng)源等(deng)(deng)領域，未(wei)來在新材(cai)(cai)料(liao)研制、材(cai)(cai)料(liao)表(biao)面(mian)性能(neng)測試與分(fen)析中(zhong)都將發揮其不可(ke)替代(dai)的優勢(shi)。