AES可以用于研究固體表面的能帶結構、表面物理化學性質的變化（如表面吸附、脫附以及表面化學反應）；用于材料組分的確定、純度的檢測、材料尤其是薄膜材料的生長等。?

俄歇電子能譜（Auger Electron Spectrometry，簡稱AES）是用具有一定能量的電子束(或X射線)激發樣品俄歇效應，通過檢測俄歇電子的能量和強度，從而獲得有關材料表面化學成分和結構的信息的方法。P. Auger 在1923 年發現了Auger效應

俄歇電子的產生和俄歇電子躍遷過程：一定能量的電子束轟擊固體樣品表面，將樣品內原子的內層電子擊出，使原子處于高能的激發態。外層電子躍遷到內層的電子空位，同時以兩種方式釋放能量：發射特征X射線；或引起另一外層電子電離，使其以特征能量射出固體樣品表面，此即俄歇電子。

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?俄歇電子躍遷過程與俄歇電子躍遷過程能級圖

俄歇躍遷的方式不同，產生的俄歇電子能量不同。上圖所示俄歇躍遷所產生的俄歇電子可被標記為WXY躍遷。如 KLL躍遷：K層電子被激發后，可產生KL1L1，KL1L2，KL2L3，…等K系俄歇電子。

俄歇電子的激發方式雖然有多種（如X射線、電子束等），但通常主要采用一次電子激發。因為電子便于產生高束流，容易聚焦和偏轉。

俄歇電子的能量具有特征值，其能量特征主要由原子的種類確定，只依賴于原子的能級結構和俄歇電子發射前它所處的能級位置, 和入射電子的能量無關。測試俄歇電子的能量，可以進行定性分析；根據俄歇電子信號的強度，可以確定元素含量，進行定量分析。??

俄歇電子產額或俄歇躍遷幾率決定俄歇譜峰強度，直接關系到元素的定量分析。俄歇電子與特征X射線是兩個互相關聯和競爭的發射過程。對同一K層空穴，退激發過程中熒光X射線與俄歇電子的相對發射幾率，即熒光產額(PX)和俄歇電子產額(PA )滿足：PX + PA =1。

俄歇電子產額與原子序數的關系

由圖可知，對于K層空穴Z<19，發射俄歇電子的幾率在90％以上；隨Z的增加，X射線熒光產額增加，而俄歇電子產額下降。Z<33時，俄歇發射占優勢。

Z＜15的輕元素的K系俄歇電子以及所有元素的L系和M系俄歇電子產額都很高。由此可見，俄歇電子能譜對輕元素的檢測特別敏感和有效。

俄歇躍遷幾率及熒光幾率與原子序數的關系

對于Z≤14的元素，采用KLL俄歇電子分析；

14<Z<42的元素，采用LMM俄歇電子較合適；

Z>42時，以采用MNN和MNO俄歇電子為佳。

（1）大多數元素在50~1000eV能量范圍內都有產額較高的俄歇電子，它們的有效激發體積（空間分辨率）取決于入射電子束的束斑直徑和俄歇電子的發射深度。

（2）能夠保持特征能量（沒有能量損失）而逸出表面的俄歇電子，發射深度僅限于表面以下大約2nm以內，約相當于表面幾個原子層，且發射（逸出）深度與俄歇電子的能量以及樣品材料有關。

（3）在這樣淺的表層內逸出俄歇電子時，入射電子束的側向擴展幾乎尚未開始，故其空間分辨率直接由入射電子束的直徑決定。

（1）原子“化學環境”指原子的價態或在形成化合物時，與該(元素)原子相結合的其它(元素)原子的電負性等情況。如：原子發生電荷轉移(如價態變化)引起內層能級變化，從而改變俄歇躍遷能量，導致俄歇峰位移；?

（2）原子“化學環境”變化，不僅可能引起俄歇峰的位移(稱化學位移)，也可能引起其強度的變化，這兩種變化的交疊，則將引起俄歇峰(圖)形狀的改變。

（3）俄歇躍遷涉及三個能級，元素化學態變化時，能級狀態有小的變化，結果這些俄歇電子峰與零價狀態的峰相比有幾個電子伏特的位移。因此，由俄歇電子峰的位置和形狀可得知樣品表面區域原子的化學環境或化學狀態的信息。

依據：俄歇電子的能量僅與原子本身的軌道能級有關，與入射電子的能量無關。對于特定的元素及特定的俄歇躍遷過程，其俄歇電子的能量是特征的。由此，可根據俄歇電子的動能來定性分析樣品表面物質的元素種類。

方法：實際分析的俄歇電子譜圖是樣品中各種元素俄歇電子譜的組合，定性分析的方法是將測得的俄歇電子譜與純元素的標準譜圖比較，通過對比峰的位置和形狀來識別元素的種類。

（1）俄歇電子能譜定性分析方法適用于除氫、氦以外的所有元素，且每個元素有多個俄歇峰，定性分析的準確性很高。?

（2）AES技術適用于對所有元素進行一次全分析，對未知樣品的定性鑒定非常有效。

（3）為了增加譜圖的信背比，通常采用俄歇譜的微分譜的負峰來進行定性鑒定。

（4）在判斷元素是否存在時，應用其所有的次強峰進行佐證。

（5）由于相近原子序數元素激發出的俄歇電子的動能有較大差異，因此相鄰元素間的干擾作用很小。?

(1) 利用“主要俄歇電子能量圖”，確定實測譜中最強峰可能對應的幾種(一般為2、3種)元素；

(2) 實測譜與可能的幾種元素的標淮譜對照，確定最強峰對應元素的所有峰；

(3) 反復重復上述步驟識別實測譜中尚未標識的其余峰。注意：化學環境對俄歇譜的影響造成定性分析的困難(但又為研究樣品表面狀況提供了有益的信息)，應注意識別。?

俄歇電子強度與樣品中對應原子的濃度有線性關系，據此可以進行元素的半定量分析。

俄歇電子強度除與原子的濃度有關外，還與樣品表面的光潔度、元素存在的化學狀態以及儀器的狀態（譜儀對不同能量的俄歇電子的傳輸效率不同）有關，譜儀的污染程度、樣品表面的C和O的污染、吸附物的存在、激發源能量的不同均影響定量分析結果，所以，AES不是一種很好的定量分析方法，它給出的僅僅是半定量的分析結果。

根據測得的俄歇電子信號的強度來確定產生俄歇電子的元素在樣品表面的濃度。元素的濃度用原子分數C表示。C即樣品表面區域單位體積內元素X的原子數占總原子數的分數（百分比）。定量分析方法有以下兩種：

(1) 標準樣品法

純元素標樣法：在相同條件下測量樣品中元素X和純元素X標樣的同一俄歇峰，俄歇電子信號強度分別為Ix和Ixstd，則：? ?? ?? ?? ?? ?? ?? ???

Cx ＝Ix / Ixstd?

多元素標樣法：用多元素標樣（各元素濃度均已知）代替純元素標樣，標樣的元素種類及含量與樣品相近。設Cxstd為標樣中元素X的原子分數，則：

Cx ＝Cxstd Ix / Ixstd?

因需提供大量標樣，所以，實際分析中標準樣品法應用不多。

(2) 相對靈敏度因子法

該法是將各元素產生的俄歇電子信號均換算成純Ag當量來進行比較計算。具體過程：在相同條件下測量純元素X和純Ag的主要俄歇峰強度Ix和IAg，比值Sx＝Ix / IAg即為元素X的相對靈敏度因子，表示元素X產生俄歇電子信號與純Ag產生的相當程度。這樣，元素X的原子分數為：

式中，為Ii樣品中元素i的俄歇峰強度，Si為元素i的相對靈敏度因子，可從相關手冊中查出。因此，只要測出樣品中各元素的俄歇電子信號強度，查出相應元素的Si ，即可計算各元素的濃度，而不需要任何標樣。故相對靈敏度因子法最常用。

AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能，主要分析元素及含量隨樣品表面深度的變化。

鍍銅鋼深度分析曲線

采用能量為500eV～5keV的惰性氣體氬離子濺射逐層剝離樣品，并用俄歇電子能譜儀對樣品原位進行分析，測量俄歇電子信號強度I （元素含量）隨濺射時間t（濺射深度）的關系曲線,這樣就可以獲得元素在樣品中沿深度方向的分布。

在經過界面反應后，在PZT薄膜與硅基底間形成了穩定的SiO2界面層。這界面層是通過從樣品表面擴散進的氧與從基底上擴散出的硅反應而形成的。

濺射產額與離子束的能量、種類、入射方向、被濺射固體材料的性質以及元素種類有關。

多組分材料由于其中各元素的濺射產額不同，濺射產額高的元素被大量濺射掉，而濺射產額低的元素在表面富集，使得測量成分發生變化，稱之為擇優濺射。有時擇優濺射的影響很大。如上圖。?

該工作模式有兩種：???

1)連續濺射式：離子濺射的同時進行AES分析；??

2)間歇濺射式：離子濺射和AES分析交替進行。

離子濺射深度分布分析是一種破壞性分析方法。離子的濺射過程非常復雜，不僅會改變樣品表面的成分和形貌，有時還會引起元素化學價態的變化。濺射產生的表面粗糙也會大大降低深度剖析的深度分辨率。濺射時間越長，表面粗糙度越大，解決方法是旋轉樣品，以增加離子束的均勻性。

微區分析也是俄歇電子能譜分析的一個重要功能，可以分為選點分析，線掃描分析和面掃描分析三個方面。、

這種功能是俄歇電子能譜在微電子器件研究中最常用的方法，也是納米材料研究的主要手段。?

（1）選點分析

俄歇電子能譜選點分析的空間分別率可以達到束斑面積大小。因此，利用俄歇電子能譜可以在很微小的區域內進行選點分析。

a. 在正常樣品區，表面主要有Si, N以及C和O元素存在；

b. 而在損傷點，表面的C,O含量很高，而Si, N元素的含量卻比較低；

c. 說明在損傷區發生了Si3N4薄膜的分解。

（2）線掃描分析

俄歇線掃描線掃描分析可以在微觀和宏觀的范圍內進行（1～6000微米），可以了解一些元素沿某一方向的分布情況。

橫坐標為線掃描寬度，縱坐標為元素的信號強度

（3）面掃描：元素面分布分析

可以把某個元素在某一區域內的分布以圖像的方式表示出來。

(1) 離子束濺射

因樣品在空氣中極易吸附氣體分子（包括元素O、C等），當需要分析氧、碳元素或清潔被污染的固體表面時，應先用離子束濺射樣品，去除污染物。

(2) 樣品制備

含有揮發性物質和表面污染的樣品：對樣品加熱或用溶劑清洗。清洗溶劑：正己烷、丙酮、乙醇等。絕對禁止帶有強磁性的樣品進入分析室，因磁性會導致分析器頭及樣品架磁化。樣品有磁性時，俄歇電子在磁場作用下偏離接受角，不能到達分析器，得不到AES譜。帶有微弱磁性的樣品：通過退磁的方法去掉微弱磁性。?

(3) 樣品荷電問題?

通常情況下只能分析固體導電樣品；經過特殊處理，絕緣體固體和粉末樣品也可以分析。

粉末樣品：一種是用導電膠帶直接把粉體固定在樣品臺上，另一種是把粉體樣品壓成薄片，然后再固定在樣品臺上。

導電性能不好的樣品如半導體材料、絕緣體薄膜，在電子束的作用下，其表面會產生一定的負電荷積累，此即俄歇電子能譜的荷電效應。樣品表面荷電相當于給表面自由的俄歇電子增加額外電場，使俄歇動能變大。荷電嚴重時不能獲得俄歇譜。? ? ? ? ? ?

100nm厚度以下的絕緣體薄膜，若基體材料導電，其荷電效應基本可自身消除。

對于絕緣體樣品，可通過在分析點周圍鍍金的方法解決荷電效應。也有用帶小窗口的Al、Sn、Cu箔等包覆樣品的方法。?

（1）分析層薄，0～3nm。AES的采樣深度為1～2nm，比XPS（對無機物約2nm，對高聚物≤10nm）還要淺，更適合于表面元素定性和定量分析。

（2）分析元素廣，除H和He外的所有元素，對輕元素敏感。

（3）分析區域小，≤50nm區域內成分變化的分析。由于電子束束斑非常小，AES具有很高的空間分辨率，可以進行掃描和在微區上進行元素的選點分析、線掃描分析和面分布分析。

（4）可獲得元素化學態的信息。

（5）具有元素深度分布分析的能力，需配合離子束剝離技術。

（6）定量分析精度還不夠高。? ?? ?? ?? ???

俄歇電子能譜現已發展成為表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微區分析的重要手段。在材料研究領域具有廣泛的應用前景。