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俄歇电子能谱的理论

 

简介
俄歇电子能谱AES)现已成为一种最广泛使用获取固体表面化学成分的分析技术。而这一技术的基本优点是它在0.4至5纳米表面高灵敏度的化学分析,快速的数据采集速度,它能够探测到氦元素以上所有元素和高空间分辨率的能力。可以达到高空间分辨率是因为样品在超高真空(UHV)技术下被已聚焦成细探针的电子束所激发。

 


 

基本原理

俄歇效应 - AES背后的技术是俄歇效应,是由皮埃尔俄歇在1925年发现的。图1显示了俄歇能谱使用K,LI,LII和LIII电子层的图标。这些可能是一个原子在分子或固态的环境下的内壳层。俄歇原理是当X射线或高能电子辐射到物体上时,由于光子能量很高,能穿入物体,使原子内壳层上的束缚电子发射出来。当一个处于内层电子被移除后,在内壳层上出现空位,而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上,同时释放能量。一定的内原子壳空位可以引起一个或多个俄歇电子跃迁。跃迁时释放的能量将以辐射的形式向外发射。通常能量以发射光子的形式释放,但也可以通过发射原子中的一个电子来释放,被发射的电子叫做俄歇电子。被发射时,俄歇电子的动能等于第一次电子跃迁的能量与俄歇电子的离子能之间的能差。这些能级的大小取决于原子类型和原子所处的化学环境。

 

图1 - 上图显示了俄歇效应图1 - 上图显示了俄歇效应

 

下面图 2是一个拥有同轴式筒镜分析仪(CMA)的光学柱里电子路径的横截面图。 AES可以有采谱,线扫描,定位和深度剖面分析与离子枪溅射。分析俄歇电子信号有两种分析仪,半球形能量分析器(SCA)和同轴式筒镜分析器。 CMA有两个主要优点:(1)当电子束是在一个倾斜的角度测试时,CMA还可以接收得到强有力的信号,以保持较高的灵敏度。 (2)随着360度的数据接收角度,可以保持最小的空间分辨率和强有力的信号。因此,如从CMA得到的俄歇图比SCA更清楚 。


图2 - 电子路径的横截面图2 - 电子路径的横截面

 

 

图3 - CMA和SCA的二次电子电镜图像和俄歇图的比较

图3 - CMA和SCA的二次电子扫描电镜图像和俄歇图的比较

 


 

AES的应用
例1 - 图 4显示10NM GaAs/AlAs超晶格结构的Ga元素俄歇图和扫描电镜图像。该500kV Ga元素俄歇图和扫描电镜图像的分辨率显示了10nm的层结构。

 

(一)                                                                                                                      (二)

图4 -(一)10nm  GaAs/AlAs超晶格结构的元素俄歇成像图。(二)10nm  GaAs/AlAs超晶格结构的扫描电镜图。

图4 -(一)10nm GaAs/AlAs超晶格结构的元素俄歇成像图。(二)10nm GaAs/AlAs超晶格结构的扫描电镜图。

 

例2 - 此外,俄歇分析绝缘材料的能力会因样品表面荷电而减低。样品表面荷电会导致二次电子光谱严重扭曲和移位,其中包括俄歇电子峰,导致俄歇数据变得毫无意义。图 5显示在俄歇分析期间使用了70eV正氩离子束以消除焊盘周围聚酰亚胺上的电荷。这使得我们可以在焊盘上能获得正常的俄歇谱。

 

(一) (二)   (三)
图5 - 使用低能量离子作电荷中和的俄歇谱。 (一)分析被包围聚酰亚胺铝焊盘。 (二)无中和俄歇谱。 图5 - 使用低能量离子作电荷中和的俄歇谱。 (三)有中和俄歇谱。
图5 - 使用低能量离子作电荷中和的俄歇谱。 (一)分析被包围聚酰亚胺铝焊盘。 (二)无中和俄歇谱。 (三)有中和俄歇谱。

 

例3 - 为了得到更好的能量分辨率,PHI700Xi AES提供了0.5%至0.05%的能量分辨率。图6显示了铝箔的AES光谱。普通AES只可以分辨氧化铝1386.9 eV的峰值,但PHI700Xi可以分辨1393.4eV金属铝状态的峰值。这超高分辨率可以使我们用AES观察到化学结合状态。

 

图6 - 由PHI700XiAES从铝箔上可以得到超高能量分辨率的

图6 - 由PHI700Xi AES从铝箔上可以得到超高能量分辨率的谱峰。

 


 

总结

俄歇电子能谱(AES)是一种表面灵敏的用于元素表面分析光谱技术,它提供了:

(1)除了H和He以外所有元素高灵敏度,;

(2)对样品表面清洁度的监测;

(3)通过与已知的标准样品比较,做样品表面区域的定量成分分析。

现在,AES被广泛应用于半导体,冶金,催化剂,腐蚀,玻璃,水晶和界面的研究。

 

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