俄歇電子能譜(AES)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)

俄歇電子能譜(AugerElectronSpectroscopy,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(guò)檢測(cè)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)信息的方法。

俄歇電子能譜儀的主要組成:電子槍、能量分析儀、二次電子探測(cè)器、(樣品)分析室、濺射離子槍和信號(hào)處理系統(tǒng)與記錄系統(tǒng)等(圖1所示)。

圖1

俄歇電子能譜基本原理

俄歇電子的產(chǎn)生

俄歇電子能譜的原理比較復(fù)雜，涉及到三個(gè)原子軌道上兩個(gè)電子的躍遷過(guò)程。當(dāng)具有足夠能量的粒子(光子、電子或離子)與一個(gè)原子碰撞時(shí)，原子內(nèi)層軌道上的電子被激發(fā)出后，在原子的內(nèi)層軌道上產(chǎn)生一個(gè)空穴，形成了激發(fā)態(tài)正離子。激發(fā)態(tài)正離子是不穩(wěn)定的，必須通過(guò)退激發(fā)而回到穩(wěn)定態(tài)。在退激發(fā)過(guò)程中，外層軌道的電子可以向該空穴躍遷并釋放出能量，并激發(fā)同一軌道層或更外層軌道的電子使之電離而逃離樣品表面，這種出射電子就是俄歇電子(圖2)。俄歇電子的躍遷過(guò)程能級(jí)圖如圖3所示。

俄歇電子能譜分析技術(shù)

AES具有五個(gè)特征量:特征能星、強(qiáng)度、峰位移、譜線寬和線型。由AES這五個(gè)方面的特征可以獲得固體表面特征、化學(xué)組成、覆蓋度、鍵中的電荷轉(zhuǎn)移、電子態(tài)密度和表面鍵中的電子能級(jí)。

表面元素定性分析

依據(jù):俄歇電子的能量?jī)H與原子本身的軌道能級(jí)有關(guān)，與入射電子的能量無(wú)關(guān)，也就是說(shuō)與激發(fā)源無(wú)關(guān)。對(duì)于特定的元素及特定的俄歇躍遷過(guò)程，其俄歇電子的能量是特征性的。因此，可以根據(jù)俄歇電子的動(dòng)能來(lái)定性分析樣品表面物質(zhì)的元素種類(lèi)。由于每個(gè)元素會(huì)有多個(gè)俄歇峰，定性分析的準(zhǔn)確性很高。

方法:將測(cè)得的俄歇電子譜與純?cè)氐臉?biāo)準(zhǔn)譜比較，通過(guò)對(duì)比峰的位置和形狀來(lái)識(shí)別元素的種類(lèi)。

定性分析時(shí)注意以下情況:(1）化學(xué)效應(yīng)或物理因素引起的峰位移或譜線形狀變化;(2)與大氣接觸或試樣表面被污染而產(chǎn)生的峰;(3）核對(duì)的關(guān)鍵部位在于峰位，而非峰高; (4)同一元素的俄歇峰可能有幾個(gè)，不同元素的俄歇峰可能會(huì)重疊，甚至變形，微量元素的俄歇峰可能會(huì)湮沒(méi)，而俄歇峰沒(méi)有明顯的變異;(5）當(dāng)圖譜中無(wú)法對(duì)應(yīng)的俄歇電子峰時(shí)，這可能是—次電子的能量損失峰。

定性分析可由計(jì)算機(jī)軟件完成，但某些重疊峰和弱峰還需人工進(jìn)—步確定。

樣品制備

俄歇電子能譜儀對(duì)分析樣品有特定的要求，在通常情況下只能分析導(dǎo)電固體樣品。經(jīng)過(guò)特殊處理，絕緣體固體也可以進(jìn)行分析。由于涉及到樣品在真空中的傳遞和放置，所以分析樣品一般都需要經(jīng)過(guò)一定的預(yù)處理。

①樣品的尺寸:尺寸高度不超過(guò)3mm，1mm以?xún)?nèi)最好，面積5*5mm以?xún)?nèi)，不可以太大，最佳尺寸是3mm*3mm,厚度不超1mm,樣品表面平整

②粉末樣品處理:有兩種常用制樣方法，一是用導(dǎo)電膠帶把粉末固定在樣品臺(tái)上，另一種是把粉體樣品壓成薄片，然后再固定在樣品臺(tái)上。前者優(yōu)點(diǎn)是制樣方便，樣品用量少，預(yù)抽到高真空的時(shí)間短;缺點(diǎn)是膠體的成分可能會(huì)干擾樣品的分析，此外荷電效應(yīng)也會(huì)影響到俄歇電子譜的采集。后者的優(yōu)點(diǎn)是可以在真空中對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，如加熱、表面反應(yīng)等，缺點(diǎn)是樣品用量大，并且對(duì)于絕緣體樣品，荷電效應(yīng)會(huì)直接影響到俄歇電子能譜的錄譜。

③含有揮發(fā)性物質(zhì)樣品:樣品進(jìn)入真空系統(tǒng)前必須清除揮發(fā)性物質(zhì)，一般可以對(duì)樣品進(jìn)行加熱或用溶劑清洗。對(duì)含有油性物質(zhì)的樣品，一般依次用正己烷、丙酮和乙醇超聲清洗，紅外烘干，再進(jìn)入真空系統(tǒng)。

表面污染樣品的處理:采用油性溶劑，如環(huán)己烷、丙酮等清潔樣品表面的油污，再用乙醇去除有機(jī)溶劑。為了保證樣品表面不被氧化，一般采用自然干燥。

絕對(duì)禁止帶有強(qiáng)磁性的樣品進(jìn)入分析室:因磁性會(huì)導(dǎo)致分析起頭及樣品架磁化。樣品中有磁性時(shí)，俄歇電子在磁場(chǎng)作用下偏離接受角，不能達(dá)到分析器，得不到AES譜。帶有微弱磁性的樣品:通過(guò)退磁的方法去掉微弱磁性。

俄歇電子能譜的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

(1)作為固體表面分析法，其信息深度取決于俄歇電子逸出深度（電子平均自由程)。對(duì)于能量為50eV~2keV范圍內(nèi)的俄歇電子，逸出深度為0.4~2nm。檢測(cè)極限約為10-3原子單層，采用電子束作為激發(fā)源，具有很高的空間分辨率，最小可達(dá)6nm。

(2）可分析除H、Hel以外的各種元素;

(3）對(duì)于輕元素C、O、N、S、P等有較高分析靈敏度;(4）可進(jìn)行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。

缺點(diǎn)

(1)定量分析的準(zhǔn)確度不高;

(2)對(duì)多數(shù)元素探測(cè)靈敏度為原子摩爾分?jǐn)?shù)0.1%~1.0%;

(3)電子束轟擊損傷和電荷積累問(wèn)題限制其在有機(jī)材料、生物樣品和某些陶瓷材料中的應(yīng)用;

(4)對(duì)樣品要求高，表面必須清潔(最好光滑）等。

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