材料方法教学课件PPT表面分析技术.ppt
二、俄歇电子能谱,(1)原子内某一内层电子被激发电离从而形成空位，(2)一个较高能级的电子跃迁到该空位上，(3)再接着另一个电子被激发发射，形成无辐射跃迁过程，这一过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger电子。,1、基本原理,电子能级、X射线能级和电子数,用于表面分析的Auger电子的能量一般在02000eV之间,各种元素的俄歇电子峰,原子序数的原子产生俄歇电子，对于原子序数大于的原子可以产生L、等俄歇过程,2、Auger电子的能量和产额,Auger电子的能量和产额,Auger电子几率,3、俄歇电子能谱分析方法,（一）定性分析 定性分析是进行AES分析的首要内容，其任务是根据测得的Auger电子谱峰的位置和形状识别分析区域内所存在的元素。AES定性分析的方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进行对比，来识别分析区域内的未知元素。,Al(左)和Al2O3(右)俄歇电子微分谱，N(E)为俄歇电子强度（电子数）,4、定性分析步骤,(1)首先选择最强的峰，利用图标准谱图标明属于该元素的所有峰，判断可能是什么元素。识别时应考虑化学位移的影响。(2)选择除已识别元素峰外的最强峰，重复上述过程。对含量少的元素可能只有一个主峰反映在Auger电子谱上。(3)若还有一些峰没有确定，可考虑它们是否是某一能量下背散出来的一次电子的能量损失峰。可以改变激发电子束的能量，观察该峰是否移动，若随电子束能量而移动则不是Auger电子峰。,TiN的俄歇能谱,球状体颗粒核壳AES谱线,AES patterns of the shell or core in the grown spheroid,（二）定量分析 从理论上说，如果知道Auger电子峰的强度，根据一定的理论和计算方法，就可确定元素在所分析区域内的含量。实际过程中，定量分析将遇到各样的困难，使得Auger电子能谱的定量分析变得极为复杂。目前Auger电子能谱一般的分析精度为30%左右。若校正，定量分析精度可提高到5%左右。AES定量分析的主要困难：试样的复杂性，即试样的非均匀性、表面成分的未知性、试样表面的粗糙度的影响，多晶样品表面取向不同的影响；仪器性能对分析结果的影响；基体效应对分析结果的影响。,1、标样法 标样法是以所分析区域内所有元素的纯元素为标准样品，在相同的测试条件下，测出试样中i元素及i标样的强度Ii,WXY。所取Auger电子峰一般为主峰，试样表面清洁可靠。,2、相对灵敏度因子法 相对灵敏度因子法是最常用的的一种方法。它是事先已知各标准样品与Ag标样351 eV峰的相对灵敏度因子，然后作定量计算。,灵敏度因子,5、俄歇电子能谱仪,Auger电子能量分析系统电子能量分析器，超高真空系统，数据采集和记录系统及样品清洗、剖离系统组成。,分析器工作原理,Fe轻微氧化的俄歇电子直接谱,石墨的俄歇谱,从微分前俄歇谱的N(E)看出，电子能量减小后迭加在俄歇峰的低能侧，把峰的前沿变成一个缓慢变化的斜坡，而峰的高能侧则保持原来的趋势不变。俄歇峰两侧的变化趋势不同，微分后出现正负峰不对称。,锰和氧化锰的俄歇电子谱,Ag-Pd合金退火前后的AES谱a.退火前；b.700K退火5min.,研究表明，表面组成和体相组成不同，这是由于发生表面富集或形成强的吸附键所导致的。用AES或XPS能测量样品表面“富集”情况。,体相Pd原子浓度为40%的Ag-Pd合金,Ar轰击表面清洁处理后，由于Ag的溅射几率较高，合金表面Pd的相对浓度为57%,高温退火后，合金稳定的表面组成为Pd32Ag68，表面为Ag富集。,当俄歇跃迁涉及到价电子能带时，情况就复杂了，这时俄歇电子位移和原子的化学环境就不存在简单的关系，不仅峰的位置会变化，而且峰的形状也会变化。,Mo2C、SiC、石墨和金刚石中碳的 KLL（KVV或）俄歇谱,能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰低能侧的拖尾峰。由于俄歇电子位移机理比较复杂，涉及到三个能级，不象X射线光电子能谱那样容易识别和分析，并且通常使用的俄歇谱仪分辨率较低，这方面的应用受到了很大的限制。,扫描Auger显微探针是利用Auger电子能谱研究表面二维元素分布的一项技术。它是将很细的初级电子束在样品表面扫描，同时选取能量分析器的通过能量为某一元素Auger电子峰的能量，使该元素的Auger电子成像。这样，它不仅可以知道样品表面的元素种类、含量，还可以得知各元素在表面的分布情况。,6、扫描Auger显微探针(SAM),目前，最好的SAM的初级电子束直径为15 nm，其空间分辨能力很高。在实际的分析过程中，可用的最小束径一般大于电子枪的最小束径。因为：(1)束径越细，Ep越大，Ip越小，使得信噪比下降。(2)样品的抗辐照损伤的能力对束径的大小有限制。(3)束斑漂移对束径也有限制。,用俄歇电子信号进行微区成份分析，包括点分析、线扫描分析、面分布分析、氩离子枪溅射深度剖面分析等，元素分析范围为：LiU。,SEM S的SAM,半导体器件测试模板的C,Si,O的SAM和SEM,Al-Si合金的SEM,SAM及线扫描,SAM常配有线扫描功能，给出成分沿某一方向上的变化。,Al-Si合金的线扫描 AES分布,俄歇图象 Fe(蓝),Sb(红),Cr(绿),深度剖面分析 深度剖面分析是AES常用的分析手段之一。它是利用具有一定能量的离子束对样品表面进行剥离，同时采集各元素的Auger电子能谱，从而获得元素含量与刻蚀时间(深度)的分布情况。离子枪引出的一般是具有500eV5keV的Ar离子，束径则根据离子枪的种类不同而有较大的差异。,Ti离子注入到Fe中的AES深度剖面分布图,小 结,概念1.XPS是一种表面分析方法，提供的是样品表面的元素含量与形态，而不是样品整体的成分。其信息深度约为3-5nm。如果利用离子作为剥离手段，利用XPS 作为分析方法，则可以实现对样品的深度分析。固体样品中除氢、氦之外的所有元素都可以进行XPS分析。2.俄歇电子能谱法（AES）的优点是：在靠近表面5-20 埃范围内化学分析的灵敏度高；数据分析速度快；能探测周期表上He 以后的所有元素。它可以用于许多领域，如半导体技术、冶金、催化、矿物加工和晶体生长等方面。俄歇效应虽然是在1925 年时发现的，但真正使俄歇能谱仪获得应用却是在1968 年以后。,XPS与AES比较,1.相同之处：它们都是得到元素的价电子和内层电子的信息，从而对材料表面的元素进行定性或定量分析，也可以通过氦离子对表面的刻蚀来分析材料表面的元素，得到材料和分析物渗透方面的信息。2.相比之下，XPS 通过元素的结合能位移能更方便地对元素的价态进行分析，定量能力也更好，使用更为广泛。但由于其不易聚焦，照射面积大，得到的是毫米级直径范围内的平均值，其检测极限一般只有0.1%，因此要求材料表面的被测物比实际分析的量要大几个数量级。AES 有很高的微区分析能力和较强的深度剖面分析能力。另外，对于同时出现两个以上价态的元素，或同时处于不同的化学环境中时，用电子能谱法进行价态分析是比较复杂的。,XPS要点,基本原理：光电效应基本组成：真空室、X射线源、电子能量分析器辅助组成：离子枪主要功能：成分分析、化学态分析采谱方法：全谱、高分辨率谱分析方法：定性分析、定量分析,AES要点,基本原理：Auger效应基本组成：真空室、电子枪、电子能量分析器辅助组成：离子枪、SAM主要功能：成分分析（点、线、面、深度分布）采谱方法：微分谱、直接谱分析方法：定性分析、定量分析,
