材料科学研究方法-俄歇电子能谱

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1、俄歇电子能谱(AES)深圳大学材料学院俄歇电子能谱法俄歇电子能谱法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。利用受激原子俄歇跃迁退激过程发射的俄歇电子对试样微区的表面成分进行的定性定量分析。俄歇能谱仪与低能电子衍射仪联用，可进行试样表面成分和晶体结构分析，因此被称为表面探针。俄歇电子能谱(AES)俄歇电子能谱的基本机理是：入射电子束或X射线使原子内层能级电子电离，外层电子产生无辐射俄歇跃迁，发射俄歇电子，用电子能谱仪在真空中对它们进行探测。1925年法

2、国的物理学家俄歇（P.Auger）在用X射线研究光电效应时就已发现俄歇电子，并对现象给予了正确的解释。1968年L.A.Harris采用微分电子线路，使俄歇电子能谱开始进入实用阶段。1969年，Palmberg、Bohn和Tracey引进了筒镜能量分析器，提高了灵敏度和分析速度，使俄歇电子能谱被广泛应用。断口表层距断口表层4.5nm深度处（采用氩离子喷溅技术逐层剥离）（《材料电子显微分析》P176图5-15）例：合金钢的回火脆。疑晶界有杂质富集。将成分（％）0.32C、0.02P、3.87Ni及2.3Cr的合金钢奥氏体化后，在396－594

3、℃范围缓冷，产生明显回火脆。断口显示明显的晶间脆断特征。电镜几十万倍下观察，未见晶界处任何沉淀析出。故一直未能找到直接证据，直到使用俄歇能谱仪。磷在晶界处显著富集，含量高达4.72%，较基体磷高235倍，而在晶界两侧急剧下降，在距晶界约4.5nm处已下降到基体水平。所以，磷元素主要集中在晶界2nm的范围内，这不是其它微区分析技术所能测出来的。（如：普通EPMA的空间分辨率约为1微米左右）俄歇能谱分析结果表明：基本原理(1)俄歇电子的产生原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或X射线的照射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴（受激

4、）。当外层电子跃入内层空位时，将释放多余的能量（退激）释放的方式可以是：发射X射线（辐射跃迁退激方式）；发射第三个电子─俄歇电子（俄歇跃迁退激方式）。（2）俄歇电子的表示每一俄歇电子的发射都涉及3个电子能级，故常以三壳层符号并列表示俄歇跃迁和俄歇电子。（《材料物理现代研究方法》P183图7-1）KL1L1L1M1M1L2,3VV（3）俄歇过程和俄歇电子能量WXY俄歇过程示意图WXY跃迁产生的俄歇电子的动能可近似地用经验公式估算，即：俄歇电子原则上，俄歇电子动能由原子核外电子跃迁前后的原子系统总能量的差别算出。常用的一个经验公式为：式中：w、

5、x、y━分别代表俄歇电子发射所涉及的三个电子能级EZwxy━原子序数为Z的原子发射的俄歇电子的αβγ俄歇电子的能量E━原子中的电子束缚能。例：已知EKNi＝8.333KeV，EL1Ni＝1.008KeV，EL2Ni＝0.872KeV，EL1Cu＝1.096KeV，EL2Cu＝0.951KeV，求Ni的KL1L2俄歇电子的能量。（3）俄歇电子的能量解：用上经验公式求得：主要部分（前三项）＝6.453KeV；修正项（后一项）＝0.084KeV所以：Ni的KL1L2俄歇电子的能量＝6.453－0.084＝6.369KeV与实测值6.384相当吻合

6、。俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。(Z3)孤立的锂原子因最外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子，但固体中因价电子是共用的，所以金属锂可以发生KVV型的俄歇跃迁。（《测试方法》P295图5-26）显然，俄歇电子与特征X射线一样，其能量与入射粒子无关，而仅仅取决于受激原子核外能级，所以，根据莫塞莱定律，可以利用此信号所携带的能量特征和信号强度，对试样进行元素组成的定性定量分析。（《材料物理现代研究方法》P185图7-3）俄歇电子能量图：（图中右侧自下而上为元素符号）各种系列的俄歇电子能量；每种元素所产

7、生的俄歇电子能量及其相对强度（实心圆点高）。由于束缚能强烈依赖于原子序数，所以，用确定能量的俄歇电子来鉴别元素是明确而不易混淆的。实际检测中，各种元素的主要俄歇电子能量和标准谱都可以在有关手册中查到。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。俄歇电子与荧光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(K)和俄歇电子产额()满足=1－K俄歇电子产额与原子序数的关系由图可知，对于K层空穴Z<19，发射俄歇电子的几率在90％以上；随Z的

8、增加，X射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。Z<33时，俄歇发射占优势。俄歇分析的选择通常对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析；14