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俄歇電子能譜

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俄歇電子能譜(AES、Auger)是一種利用高能電子束為激發源的表面分析技術. AES分析區域受激原子發射出具有元素特徵的俄歇電子。

1 俄歇電子能譜 -基本原理

俄歇電子能譜俄歇電子能譜

入射電子束和物質作用,可以激發出原子的內層電子。外層電子向內層躍遷過程中所釋放的能量,可能以X光的形式放出,即產生特徵X射線,也可能又使核外另一電子激發成為自由電子,這種自由電子就是俄歇電子。

入射電子束和物質作用,可以激發出原子的內層電子。外層電子向內層躍遷過程中所釋放的能量,可能以X光的形式放出,即產生特徵X射線,也可能又使核外另一電子激發成為自由電子,這種自由電子就是俄歇電子。對於一個原子來說,激發態原子在釋放能量時只能進行一種發射:特徵X射線或俄歇電子。原子序數大的元素,特徵X射線的發射幾率較大,原子序數小的元素,俄歇電子發射幾率較大,當原子序數為33時,兩種發射幾率大致相等。因此,俄歇電子能譜適用於輕元素的分析。

如果電子束將某原子K層電子激發為自由電子,L層電子躍遷到K層,釋放的能量又將L層的另一個電子激發為俄歇電子,這個俄歇電子就稱為KLL俄歇電子。同樣,LMM俄歇電子是L層電子被激發,M層電子填充到L層,釋放的能量又使另一個M層電子激發所形成的俄歇電子。
對於原子序數為Z的原子,俄歇電子的能量可以用下面經驗公式計算:
EWXY(Z)=EW(Z)-EX(Z)-EY(Z Δ)-Φ (10.6)
式中, EWXY(Z):原子序數為Z的原子,W空穴被X電子填充得到的俄歇電子Y的能量。

EW(Z)-EX(Z):X電子填充W空穴時釋放的能量。

EY(Z Δ):Y電子電離所需的能量。

因為Y電子是在已有一個空穴的情況下電離的,因此,該電離能相當於原子序數為Z和Z 1之間的原子的電離能。其中Δ=1/2-1/3。根據式(10.6)和各元素的電子電離能,可以計算出各俄歇電子的能量,製成譜圖手冊。因此,只要測定出俄歇電子的能量,對照現有的俄歇電子能量圖表,即可確定樣品表面的成份。

由於一次電子束能量遠高於原子內層軌道的能量,可以激發出多個內層電子,會產生多種俄歇躍遷,因此,在俄歇電子能譜圖上會有多組俄歇峰,雖然使定性分析變得複雜,但依靠多個俄歇峰,會使得定性分析準確度很高,可以進行除氫氦之外的多元素一次定性分析。同時,還可以利用俄歇電子的強度和樣品中原子濃度的線性關係,進行元素的半定量分析,俄歇電子能譜法是一種靈敏度很高的表面分析方法。其信息深度為1.0-3.0nm,絕對靈敏可達到10-3單原子層。是一種很有用的分析方法。

2 俄歇電子能譜 -定性分析

  測定俄歇電子的能量從而獲得固體表面組成等信息的技術。處於激發態的原子可能發生兩類過程(圖1)。俄歇電子能譜一類是內殼層空穴被外殼層電子所填充,由此釋放出能量而產生X射線熒光。另一類是電子由外殼層落到內殼層,用所釋放出來的能量打出一個其電離勢更低的軌道電子(通常為價電子)。后一個過程稱為俄歇過程,以發現此過程的法國科學家P.-V.俄歇命名,被打出來的電子稱為俄歇電子。用光或電子轟擊固體表面,都能產生俄歇效應。
  俄歇電子在固體中運行也同樣要經歷頻繁的非彈性散射,能逸出固體表面的僅僅是表面幾層原子所產生的俄歇電子,這些電子的能量大體上處於 10~500電子伏,它們的平均自由程很短,大約為5~20埃,因此俄歇電子能譜所考察的只是固體的表面層。俄歇電子能譜通常用電子束作輻射源,電子束可以聚焦、掃描,因此俄歇電子能譜可以作表面微區分析,並且可以從熒光屏上直接獲得俄歇元素像。它是近代考察固體表面的強有力工具,廣泛用於各種材料分析以及催化、吸附、腐蝕、磨損等方面的研究。
俄歇電子能譜俄歇電子能譜

3 俄歇電子能譜 -俄歇電子能譜儀

俄歇電子能譜筒鏡分析器裝置

俄歇能譜儀包括電子光學系統、電子能量分析器、樣品安放系統、離子槍、超高真空系統。以下分別進行介紹。

1 電子光學系統
電子光學系統主要由電子激發源(熱陰極電子槍)、電子束聚焦(電磁透鏡)和偏轉系統(偏轉線圈)組成。電子光學系統的主要指標是入射電子束能量,束流強度和束直徑三個指標。其中AES分析的最小區域基本上取決於入射電子束的最小束斑直徑;探測靈敏度取決於束流強度。這兩個指標通常有些矛盾,因為束徑變小將使束流顯著下降,因此一般需要折中。

俄歇電子能譜俄歇電子數目N隨電子能量E的分佈曲線

2 電子能量分析器
這是AES的心臟,其作用是收集並分開不同的動能的電子。 由於俄歇電子能量極低,必須採用特殊的裝置才能達到儀器所需的靈敏度。目前幾乎所有的俄歇譜儀都使用一種叫作筒鏡分析器的裝置。

分析器的主體是兩個同心的圓筒。樣品和內筒同時接地,在外筒上施加一個負的偏轉電壓,內筒上開有圓環狀的電子入口和出口,激發電子槍放在鏡筒分析器的內腔中(也可以放在鏡筒分析器外)。由樣品上發射的具有一定能量的電子從入口位置進入兩圓筒夾層,因外筒加有偏轉電壓,最後使電子從出口進入檢測器。若連續地改變外筒上的偏轉電壓,就可在檢測器上依次接收到具有不同能量的俄歇電子,從能量分析器輸出的電子經電子倍增器、前置放大器後進入脈衝計數器,最後由X-Y記錄儀或熒光屏顯示俄歇譜 俄歇電子數目N隨電子能量E的分佈曲線

若將筒鏡分析器與電子束掃描電路結合起來可以形成掃描俄歇顯微鏡(下圖)。電子槍的工作方式與掃描電鏡類似,兩級透鏡把電子束斑縮小到3微米,掃描系統控制使電子束在樣品上和顯像管熒光屏上產生同步掃描,筒鏡分析器探測到的俄歇電子信號經電子倍增器放大後用來對熒光屏光刪進行調製,如此便可得到俄歇電子像。

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