材料科学研究方法_第九章_材料表面分析技术.pptVIP

第九章 材料表面分析技术 俄歇电子能谱分析（AES） X射线光电子能谱分析(XPS) 原子探针显微分析 什么是电子能谱分析法？ 电子能谱分析法是采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来（这些自由电子带有样品表面信息），然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息的一类分析方法。 X射线光电子能谱（XPS） 紫外光电子能谱（UPS） 俄歇电子能谱(AES) 9.1 俄歇电子能谱法 俄歇电子能谱（Auger Electron Spectrometry，简称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的信息的方法。 P. Auger 在1923 年发现了Auger效应. 9.1.1俄歇电子能谱分析的基本原理 1. 俄歇电子的产生和俄歇电子跃迁过程 一定能量的电子束轰击固体样品表面，将样品内原子的内层电子击出，使原子处于高能的激发态。外层电子跃迁到内层的电子空位，同时以两种方式释放能量：发射特征X射线；或引起另一外层电子电离，使其以特征能量射出固体样品表面，此即俄歇电子。 俄歇电子跃迁过程 俄歇电子跃迁过程能级图 俄歇跃迁的方式不同，产生的俄歇电子能量不同。上图所示俄歇跃迁所产生的俄歇电子可被标记为WXY跃迁。如 KLL跃迁：K层电子被激发后，可产生KL1L1，KL1L2，KL2L3，…等K系俄歇电子。 2. 俄歇电子能谱分析的依据 俄歇电子的激发方式虽然有多种（如X射线、电子束等），但通常主要采用一次电子激发。因为电子便于产生高束流，容易聚焦和偏转。 分析依据：俄歇电子的能量具有特征值，其能量特征主要由原子的种类确定，只依赖于原子的能级结构和俄歇电子发射前它所处的能级位置, 和入射电子的能量无关。测试俄歇电子的能量，可以进行定性分析；根据俄歇电子信号的强度，可以确定元素含量，进行定量分析。 俄歇电子产额: 俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度，直接关系到元素的定量分析。俄歇电子与特征X射线是两个互相关联和竞争的发射过程。对同一K层空穴，退激发过程中荧光X射线与俄歇电子的相对发射几率，即荧光产额(PX)和俄歇电子产额(PA )满足 PX + PA =1 俄歇分析的选择 对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析； 14Z42的元素，采用LMM俄歇电子较合适； Z42时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。 为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且空间分辨率高？ 大多数元素在50~1000eV能量范围内都有产额较高的俄歇电子，它们的有效激发体积（空间分辨率）取决于入射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射深度。 能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇电子，发射深度仅限于表面以下大约2nm以内，约相当于表面几个原子层，且发射（逸出）深度与俄歇电子的能量以及样品材料有关。 在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射电子束的侧向扩展几乎尚未开始，故其空间分辨率直接由入射电子束的直径决定。 9.1.2 俄歇电子能谱仪 主要组成部分：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、（样品）分析室、溅射离子枪和信号处理与记录系统等。 样品和电子枪装置需置于10-7~10-8Pa的超高真空分析室中。 初期的俄歇谱仪只能做定点的成分分析。 70年代中，把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄歇微探针(SAM)，可实现样品成分的点、线、面分析和深度剖面分析。 由于配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头（特征X射线），使这种仪器兼有扫描电镜和电子探针的功能。 筒镜分析器（CMA）： 它是由同轴的两个圆筒形电极构成的静电发射系统。如图。内圆筒开两个环状狭缝（入口光阑和出口光阑），样品放于中心轴位置，样品和内筒接地，外筒加负电压 -V。 样品上S点发射的电子以42.3°的发射角由入口光阑进入内外筒之间，外筒的负电位使具有一定能量的电子偏转方向，通过出口光阑聚焦在中心轴上，聚焦点F(电子检测器)离S点的距离为L = 6.19r1。连续改变外筒的偏转负电压，即可得电子能谱曲线: 能够被聚焦和检测的电子，其能量须满足如下关系： 激发源： 俄歇电子能谱仪的激发源为电子束，因并非每次碰撞都能产生原子内层电子的电离，故定义电离截面。 电离截面Qw：某一入射粒子穿越样品时能发生电离碰撞的几率。可理解为能量为Ep的一次电子把原子中w能级上结合能为BEw的电子电离出去的难易程