1、3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.2 俄歇電子能譜基本原理俄歇電子能譜基本原理3.5.2.1 俄歇電子發(fā)射俄歇電子發(fā)射3.5.2.2 俄歇電子產(chǎn)率俄歇電子產(chǎn)率3.5.2.3 俄歇電子命名俄歇電子命名3.5.2.4 俄歇電子能量俄歇電子能量3.5.3 俄歇電子能譜俄歇電子能譜3.5.4 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.5 俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域3.5.1 概述概述3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.1 概述概述俄歇電子能譜俄歇電子能譜(Auger Electron Spectroscopy ，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱AES

2、)能提供材能提供材料表面幾個(gè)原子層的成分及分布信息，基礎(chǔ)是法國(guó)物理學(xué)家料表面幾個(gè)原子層的成分及分布信息，基礎(chǔ)是法國(guó)物理學(xué)家Pierre Auger于于1925年觀測(cè)到的俄歇電子發(fā)射現(xiàn)象。年觀測(cè)到的俄歇電子發(fā)射現(xiàn)象。實(shí)際上實(shí)際上“俄歇電子發(fā)射現(xiàn)象俄歇電子發(fā)射現(xiàn)象”已分別被已分別被Lise Meitner和和Pierre Auger 于十九世紀(jì)二十年代獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，其中首先由于十九世紀(jì)二十年代獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，其中首先由Meitner于于1923年在期刊年在期刊Zeitschrift fr Physik對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，但英語(yǔ)科學(xué)對(duì)該發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道，但英語(yǔ)科學(xué)團(tuán)體依然用俄歇的名字來(lái)命名它。團(tuán)體依然用俄歇的名

3、字來(lái)命名它。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.2 俄歇電子能譜基本原理俄歇電子能譜基本原理3.5.2.1 俄歇電子發(fā)射俄歇電子發(fā)射 A+* A+* + h (熒光熒光X射線射線) A+* A2+* + e (Auger電子電子)兩個(gè)過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)；兩個(gè)過(guò)程競(jìng)爭(zhēng)；雙電離態(tài)；雙電離態(tài)；Auger電子電子X(jué)射線射線/電子束電子束激發(fā)電子激發(fā)電子熒光熒光X射線射線3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.2.1 俄歇電子產(chǎn)率俄歇電子產(chǎn)率 用幾率來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，發(fā)射用幾率來(lái)衡量?jī)蓚€(gè)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，發(fā)射X射線熒光的幾率射線熒光的幾率PKX；發(fā)射；發(fā)射K系系 Auger電子電子的幾率的幾率P

4、KA，則，則K層層X(jué)射線熒光產(chǎn)額：射線熒光產(chǎn)額：KAKXKXKXPPPK層層Auger電子幾率產(chǎn)額：電子幾率產(chǎn)額： KA=1- - KXZ 19, 俄歇電子俄歇電子產(chǎn)額大于產(chǎn)額大于90%；俄歇電子能譜法更適用于輕元素（俄歇電子能譜法更適用于輕元素（Z33）的分析）的分析3.5.2.3 俄歇電子命名俄歇電子命名俄歇電子的發(fā)射牽涉到三個(gè)電子的能級(jí)，因此，常常將三個(gè)俄歇電子的發(fā)射牽涉到三個(gè)電子的能級(jí)，因此，常常將三個(gè)殼層的符號(hào)并列來(lái)命名俄歇電子殼層的符號(hào)并列來(lái)命名俄歇電子L2，3VVKL1L1L1M1M13.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)Mg1s1/23.5.2.3 俄歇電子命名俄歇電子命名

5、氫原子氫原子（1s1)和氦原子和氦原子(1s2)孤立的孤立的鋰原子鋰原子(1s22s1)只有只有K層電子，不能產(chǎn)生俄歇電子。層電子，不能產(chǎn)生俄歇電子。 也不可能產(chǎn)生俄歇電子，因?yàn)殇囋又挥幸粋€(gè)也不可能產(chǎn)生俄歇電子，因?yàn)殇囋又挥幸粋€(gè)L1電子，電子，但金屬鋰可以有但金屬鋰可以有iKVV（V表示價(jià)帶），因?yàn)閮r(jià)帶中有許多價(jià)電表示價(jià)帶），因?yàn)閮r(jià)帶中有許多價(jià)電子。子。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.2.4 俄歇電子能量俄歇電子能量俄歇電子的動(dòng)能只與牽扯到的電子在物質(zhì)中所處的能級(jí)俄歇電子的動(dòng)能只與牽扯到的電子在物質(zhì)中所處的能級(jí)及儀器的功函數(shù)及儀器的功函數(shù) SP有關(guān)，與激發(fā)源能量無(wú)關(guān)。有關(guān)

6、，與激發(fā)源能量無(wú)關(guān)。常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式為常用的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式為EZ ：原子序數(shù)為：原子序數(shù)為Z的原子所發(fā)射的的原子所發(fā)射的俄歇電子的能量；俄歇電子的能量；Ez ， Ez ， Ez 都代表原子中的電子束縛能；都代表原子中的電子束縛能；Ez Ez Ez 表示表示 、 、 層的束縛能之差，層的束縛能之差，是主要的部分是主要的部分；括號(hào)的項(xiàng)是較小的修正，代表當(dāng)括號(hào)的項(xiàng)是較小的修正，代表當(dāng) 電子不在時(shí)電子不在時(shí) 電子束縛能的增加和電子束縛能的增加和 電子不在電子不在時(shí)時(shí) 電子束縛能的增加二者的平均值。電子束縛能的增加二者的平均值。 3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)1112ZZZZZZZZEEEE

7、EEEEsp各元素的俄歇電子的動(dòng)能可以從有關(guān)手冊(cè)上查到各元素的俄歇電子的動(dòng)能可以從有關(guān)手冊(cè)上查到3.5.2.4 俄歇電子能量俄歇電子能量通常情況下，通常情況下，z14的元素用的元素用KLL群群較合適，較合適，14z42的元素用的元素用LMM群較合適，群較合適，z42的元素，用的元素，用MNN群較合適。群較合適。主要俄歇電子能量圖主要俄歇電子能量圖 (紅色圓點(diǎn)代紅色圓點(diǎn)代表每個(gè)元素的強(qiáng)峰表每個(gè)元素的強(qiáng)峰)并標(biāo)出每種元并標(biāo)出每種元素所產(chǎn)生的俄歇電子能量及其相對(duì)素所產(chǎn)生的俄歇電子能量及其相對(duì)強(qiáng)度強(qiáng)度3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜俄歇電子能譜常用的俄歇能譜有常用的俄

8、歇能譜有直接譜直接譜和和微分譜微分譜兩種。兩種。直接譜直接譜是用俄歇電子強(qiáng)度（電子計(jì)數(shù)或密度是用俄歇電子強(qiáng)度（電子計(jì)數(shù)或密度N）對(duì)其能量）對(duì)其能量E的分布。的分布。 N（E）E作圖，直接譜的信噪比較差。作圖，直接譜的信噪比較差。微分譜微分譜是用是用dN(E)/dEE作圖，微分峰有正峰和負(fù)峰，一般用負(fù)峰的峰作圖，微分峰有正峰和負(fù)峰，一般用負(fù)峰的峰值作為定性分析指標(biāo)，用峰值作為定性分析指標(biāo)，用峰峰值表示峰強(qiáng)度，為定量分析指標(biāo)。微分峰值表示峰強(qiáng)度，為定量分析指標(biāo)。微分譜的信噪比大大提高了，靈敏度好于直接譜。譜的信噪比大大提高了，靈敏度好于直接譜。用能量為用能量為1 keV的一次電子束所的一次電子束所

9、激發(fā)的純銀樣品的電子能譜激發(fā)的純銀樣品的電子能譜3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用 根據(jù)從樣品表面發(fā)射的根據(jù)從樣品表面發(fā)射的俄歇電子能量俄歇電子能量，可以確定表面存在什，可以確定表面存在什么元素么元素定性分析定性分析 根據(jù)發(fā)射根據(jù)發(fā)射俄歇電子的數(shù)量俄歇電子的數(shù)量，可以確定元素在表面的含量，可以確定元素在表面的含量定量分析（不能準(zhǔn)確定量）定量分析（不能準(zhǔn)確定量）不同的化學(xué)環(huán)境，會(huì)使俄歇峰不同的化學(xué)環(huán)境，會(huì)使俄歇峰位置移動(dòng)，峰形發(fā)生變化位置移動(dòng)，峰形

10、發(fā)生變化，所以，所以俄歇峰包含豐富的化學(xué)信息俄歇峰包含豐富的化學(xué)信息化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析如果用離子束濺射，逐漸如果用離子束濺射，逐漸剝離表面剝離表面，還可以得到元素在深度方，還可以得到元素在深度方向的分布向的分布元素深度剖析元素深度剖析電子束電子束可以聚的非常細(xì)，偏轉(zhuǎn)、掃描也容易，讓一束聚的很細(xì)可以聚的非常細(xì)，偏轉(zhuǎn)、掃描也容易，讓一束聚的很細(xì)的電子在樣品表面的電子在樣品表面掃描掃描，就可以測(cè)得元素在表面上的分布，就可以測(cè)得元素在表面上的分布 微區(qū)分析微區(qū)分析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)在俄歇電子能譜儀中，一束電子照射到樣品表面會(huì)得到哪些信息？在俄歇電子能譜儀中，一束電子照射到樣品

11、表面會(huì)得到哪些信息？3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.1 定性分析定性分析俄歇電子能譜的定性分析是一種最常規(guī)的分析方法俄歇電子能譜的定性分析是一種最常規(guī)的分析方法定性分析的任務(wù)是根據(jù)測(cè)得的微分譜上負(fù)峰位置識(shí)別定性分析的任務(wù)是根據(jù)測(cè)得的微分譜上負(fù)峰位置識(shí)別元素元素，方法是與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比，工具是有標(biāo)準(zhǔn)譜圖的手冊(cè)，如PE公司的“俄歇電子譜手冊(cè)”（L. E. Davis等編），在這本手冊(cè)里，有每一種元素的標(biāo)準(zhǔn)譜圖及主要俄歇電子能量圖。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.1 定性分析定性分

12、析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)一般定性分析步驟如下：1、首先把注意力集中在最強(qiáng)的俄歇峰上。利用“主要俄歇電子能量圖主要俄歇電子能量圖”，把對(duì)應(yīng)于此峰的可能元素降低到23種。然后用這幾種可能元素的標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行對(duì)比分析，確定元素種類。考慮到元素化學(xué)狀態(tài)不同所產(chǎn)生的化學(xué)位考慮到元素化學(xué)狀態(tài)不同所產(chǎn)生的化學(xué)位移，測(cè)得的峰的能量與標(biāo)準(zhǔn)譜上的峰的能量相差幾個(gè)電子伏特是很正常的移，測(cè)得的峰的能量與標(biāo)準(zhǔn)譜上的峰的能量相差幾個(gè)電子伏特是很正常的。2、在確定主峰元素后，利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖，在俄歇電子能譜圖上標(biāo)注所有屬于此元素的峰。3、重復(fù)1和2的過(guò)程，去標(biāo)識(shí)更弱的峰。3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇

13、電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.2 半定量分析半定量分析 從樣品表面出射的俄歇電子的強(qiáng)度與樣品中該原子的濃度有線性關(guān)系，因此可以利用這一特征進(jìn)行元素的半定半定量分析，量分析，但但AES不是一種很好定量分析方法不是一種很好定量分析方法。 因?yàn)槎硇娮拥膹?qiáng)度不僅與原子的多少有關(guān)，還與俄歇俄歇電子的逃逸深度、樣品的表面光潔度，元素存在的化電子的逃逸深度、樣品的表面光潔度，元素存在的化學(xué)狀態(tài)以及儀器的狀態(tài)學(xué)狀態(tài)以及儀器的狀態(tài)有關(guān)。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.2半定量分析半定量分析目前，俄歇電子圖譜的實(shí)用定量分析方法中

14、應(yīng)用較多的是相對(duì)相對(duì)靈敏度因子法靈敏度因子法。AgAA/IIS 如果測(cè)得俄歇譜中所有存在元素（A, B, C, N）的峰幅值，則A元素的原子百分濃度可由下式計(jì)算：NAjjjSISIC)/(/AAA相對(duì)靈敏度因子法相對(duì)靈敏度因子法是將各元素產(chǎn)生的俄歇電子信號(hào)換算成Ag當(dāng)量來(lái)進(jìn)行比較計(jì)算的。測(cè)量純?cè)谹與純Ag的主要俄歇峰的強(qiáng)度IA和IAg，則元素A的相對(duì)靈敏度因子為：3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.2 定量分析定量分析例題例題某同學(xué)對(duì)304不銹鋼新鮮塑性斷裂表面進(jìn)行了AES分析，其微分譜圖如下，其中Ep=3KeV，

15、各元素在Ep=3KeV時(shí)的相對(duì)靈敏度因子為：SCr=0.29；SFe=0.20；SNi=0.27，圖中標(biāo)*的峰峰高分別為：Cr:4.7; Fe:10.1; Ni:1.5,試幫助他計(jì)算出各元素含量。NAjjjSISIC)/(/AAAC Fe=10.1/0.2010.1/0.20 + 4.7/0.29 + 1.5/0.27= 70%C Cr = 22%C Ni= 8%3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)復(fù)習(xí)復(fù)習(xí)XPSAES電子發(fā)射電子發(fā)射 A + h A+* + e(X光電子光電子) A+* A2+* + e (Auger電子電子)電子產(chǎn)率電子產(chǎn)率/ KA=1- - KXKL1L1、L1M1

16、M1、L2，3VV 1s1/2，2p1/2, 2p3/2 , 3d3/2 , 3d5/2 命名命名能量能量E Ek k h h -E-Eb b- -sp與三個(gè)電子所在能級(jí)的與三個(gè)電子所在能級(jí)的Eb及及 sp相關(guān)相關(guān)電子能譜電子能譜縱坐標(biāo)是光電子數(shù)或光電子縱坐標(biāo)是光電子數(shù)或光電子強(qiáng)度橫坐標(biāo)是強(qiáng)度橫坐標(biāo)是Ek或或EbdN(E)/dEE激發(fā)光源激發(fā)光源X射線射線電子束電子束應(yīng)應(yīng) 用用定性分析定性分析定量分析定量分析化學(xué)價(jià)態(tài)分析化學(xué)價(jià)態(tài)分析深度剖析深度剖析微區(qū)分析微區(qū)分析強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)強(qiáng)半定量半定量1%比比XPS還差還差強(qiáng)強(qiáng)可以分析，比可以分析，比XPS差差可以分析，分辨率低可以分析，分辨率低分辨率高分辨率高

17、可以分析，分辨率低可以分析，分辨率低Auger電子電子X(jué)射線射線/電子束電子束光電子光電子熒光熒光X射線射線分辨率高分辨率高3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.3 化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析表面元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析是表面元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析是AES分析的一種重要功能分析的一種重要功能，但由，但由于譜圖解析的困難和能量分辨率低的緣故，一直未能獲得于譜圖解析的困難和能量分辨率低的緣故，一直未能獲得廣泛的應(yīng)用。最近隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用積分譜和廣泛的應(yīng)用。最近隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用積分譜和扣背景處理，譜圖的解析變得容易多了，加上扣背景處理，譜圖的解析變得容易多了，加上俄

18、歇化學(xué)位俄歇化學(xué)位移比移比XPS的化學(xué)位移大得多的化學(xué)位移大得多，且結(jié)合深度分析可以研究界，且結(jié)合深度分析可以研究界面上的化學(xué)狀態(tài)。因此，近年來(lái)俄歇電子能譜的化學(xué)位移面上的化學(xué)狀態(tài)。因此，近年來(lái)俄歇電子能譜的化學(xué)位移分析在薄膜材料的研究上獲得了重要的應(yīng)用。分析在薄膜材料的研究上獲得了重要的應(yīng)用。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.3 化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)1、用化學(xué)位移來(lái)鑒別不同化學(xué)環(huán)境中的同種原子、用化學(xué)位移來(lái)鑒別不同化學(xué)環(huán)境中的同種原子氧化鋁的氧化鋁的Al俄歇峰相對(duì)于金屬俄

19、歇峰相對(duì)于金屬Al的化學(xué)位移。在低能的的化學(xué)位移。在低能的LVV躍遷躍遷(68 eV)和高能的和高能的KLL躍躍遷遷(1396 eV)，位移都很明顯，位移都很明顯，達(dá)到達(dá)到1718 eV。3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.3 化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES) 元素組成離子鍵化合物時(shí)，化學(xué)位移可達(dá)幾個(gè)電子伏特；合金中金屬組元的成分變化不會(huì)產(chǎn)生明顯的化學(xué)位移；清潔金屬表面上吸附哪怕不到一個(gè)單原子層的氧，也會(huì)使金屬元素的俄歇峰出現(xiàn)可觀測(cè)到的位移，并且氧覆蓋愈多位移愈大。對(duì)于多數(shù)金屬，此類位移小于或等于1eV；在表面形成體相的硫化物、

20、碳化物或氧化物，位移將超過(guò)1eV，如Ta2O5中的Ta就位移了6eV。一般的說(shuō)，電負(fù)性差別愈大，移動(dòng)愈大。但是，氧化的價(jià)數(shù)也會(huì)影一般的說(shuō)，電負(fù)性差別愈大，移動(dòng)愈大。但是，氧化的價(jià)數(shù)也會(huì)影響位移量。響位移量。 幾點(diǎn)關(guān)于俄歇化學(xué)位移的經(jīng)驗(yàn)：幾點(diǎn)關(guān)于俄歇化學(xué)位移的經(jīng)驗(yàn)：3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.3 化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)例如，例如，Al的的KLL俄歇電子從俄歇電子從金屬逸出時(shí)激發(fā)很強(qiáng)的等離子金屬逸出時(shí)激發(fā)很強(qiáng)的等離子激元而損失能量激元而損失能量(量子化的量子化的)，形成許多次峰，而氧化鋁則沒(méi)形成許多次峰，而氧化鋁則

21、沒(méi)有有2、峰形分析也可以用于元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析、峰形分析也可以用于元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析3.5.3.3 化學(xué)態(tài)分析化學(xué)態(tài)分析當(dāng)俄歇躍遷涉及到當(dāng)俄歇躍遷涉及到價(jià)電子能帶價(jià)電子能帶時(shí)，不時(shí)，不僅峰的位置會(huì)變化，而且由于新化學(xué)僅峰的位置會(huì)變化，而且由于新化學(xué)鍵形成時(shí)原子外層電子重排，鍵形成時(shí)原子外層電子重排，譜峰的譜峰的形狀也會(huì)變化形狀也會(huì)變化。3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)40氧化程度不同，不僅使俄歇電子峰氧化程度不同，不僅使俄歇電子峰位移了幾個(gè)電子伏，而且在位移了幾個(gè)電子伏，而且在40 eV處還發(fā)生了峰的分裂處還發(fā)生了峰的分裂2、峰

22、形分析也可以用于元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析、峰形分析也可以用于元素化學(xué)價(jià)態(tài)分析3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 元素深度剖析元素深度剖析3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)俄歇電子能譜最有用的分析功能俄歇電子能譜最有用的分析功能用載能惰性氣體離子用載能惰性氣體離子(如如Ar+)轟擊樣品使表面濺射，再用電子轟擊樣品使表面濺射，再用電子束進(jìn)行束進(jìn)行AES分析，可以得到元素濃度沿深度分布的剖圖。分析，可以得到元素濃度沿深度分布的剖圖。 3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 元素深度剖析元素深度剖析從圖上可以清晰地看到各元從圖

23、上可以清晰地看到各元素在薄膜中的分布情況。素在薄膜中的分布情況。在經(jīng)過(guò)界面反應(yīng)后，在在經(jīng)過(guò)界面反應(yīng)后，在PZT薄膜與硅基底間形成了穩(wěn)定薄膜與硅基底間形成了穩(wěn)定的的SiO2界面層。這界面層是界面層。這界面層是通過(guò)從樣品表面擴(kuò)散進(jìn)的氧通過(guò)從樣品表面擴(kuò)散進(jìn)的氧與從基底上擴(kuò)散出的硅反應(yīng)與從基底上擴(kuò)散出的硅反應(yīng)而形成的而形成的若已知離子槍的濺射速率，若已知離子槍的濺射速率，還可以粗測(cè)出各層的厚度。還可以粗測(cè)出各層的厚度。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)PZT/Si薄膜界面反應(yīng)后的俄歇深度分析譜薄膜界面反應(yīng)后的俄歇深度分析譜00.511.522.533.54020406080100OOSiSiO

24、PZT濺射時(shí)間 / min原子摩爾百分?jǐn)?shù)濃度SiO2 界面層3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 元素深度剖析元素深度剖析 圖是在單晶圖是在單晶Si基底上制備的基底上制備的TiO2 薄膜光催化劑的俄歇薄膜光催化劑的俄歇深度剖析譜。從圖上可見(jiàn)，深度剖析譜。從圖上可見(jiàn)，TiO2薄膜層的濺射時(shí)間約薄膜層的濺射時(shí)間約為為6分鐘，由離子槍的濺射分鐘，由離子槍的濺射速率（速率（30nm/min），可知），可知TiO2 薄膜光催化劑的厚度薄膜光催化劑的厚度約為約為 nm。AES測(cè)定TiO2薄膜光催化劑的厚度 該結(jié)果與該結(jié)果與X射線熒光分析的結(jié)果非常吻合（射線熒光分析的結(jié)

25、果非常吻合（182nm）。）。 1803.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)02468050100Sputtering Time minACPOTiSiSiTiO2 500oC 1hour3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4微區(qū)分析微區(qū)分析微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個(gè)重要功能微區(qū)分析也是俄歇電子能譜分析的一個(gè)重要功能。分為選點(diǎn)分析、線掃描分析和面掃描分析 選點(diǎn)分析選點(diǎn)分析從表面定性分析圖上可見(jiàn)，在正常從表面定性分析圖上可見(jiàn)，在正常樣品區(qū)，表面主要有樣品區(qū)，表面主要有Si, N以及以及C和和O元素存在。而在損傷點(diǎn)，表面的元素存在。而在損傷點(diǎn)，表面的

26、C,O含量很高，而含量很高，而Si, N元素的含量元素的含量卻比較低。這結(jié)果說(shuō)明在損傷區(qū)發(fā)卻比較低。這結(jié)果說(shuō)明在損傷區(qū)發(fā)生了生了Si3N4薄膜的分解。薄膜的分解。 Si3N4薄膜經(jīng)薄膜經(jīng)850 快速熱退火處理快速熱退火處理后表面不同點(diǎn)的俄歇定性分析圖后表面不同點(diǎn)的俄歇定性分析圖3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 微區(qū)分析微區(qū)分析 線掃描分析線掃描分析在研究工作中，不僅需要了解元素在不同位置的存在狀況，在研究工作中，不僅需要了解元素在不同位置的存在狀況，有時(shí)還需要了解一些元素沿某一方向的分布情況，俄歇線掃有時(shí)還需要

27、了解一些元素沿某一方向的分布情況，俄歇線掃描分析能很好地解決這一問(wèn)題；描分析能很好地解決這一問(wèn)題；線掃描分析常應(yīng)用于線掃描分析常應(yīng)用于表面擴(kuò)散研究，界面分析研究表面擴(kuò)散研究，界面分析研究等方面。等方面。 3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 微區(qū)分析微區(qū)分析 線掃描分析線掃描分析從圖上可見(jiàn)，雖然從圖上可見(jiàn)，雖然Ag和和Au元素的分元素的分布結(jié)構(gòu)大致相同，但可見(jiàn)布結(jié)構(gòu)大致相同，但可見(jiàn)Au已向左已向左端進(jìn)行了較大規(guī)模的擴(kuò)散。這表明端進(jìn)行了較大規(guī)模的擴(kuò)散。這表明Ag和和Au在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散過(guò)程是在電場(chǎng)作用下的擴(kuò)散過(guò)程是

28、不一樣的。此外，其擴(kuò)散是單向性，不一樣的。此外，其擴(kuò)散是單向性，取決于電場(chǎng)的方向。取決于電場(chǎng)的方向。0100200300400500600700距離 / m計(jì)數(shù) / 任意單位AgAuAg Au/Si(111)Ag-Au合金超薄膜在合金超薄膜在Si(111)面單面單晶硅上的電遷移后的樣品表面的晶硅上的電遷移后的樣品表面的Ag和和Au元素的線掃描分布。橫元素的線掃描分布。橫坐標(biāo)為線掃描寬度，縱坐標(biāo)為元坐標(biāo)為線掃描寬度，縱坐標(biāo)為元素的信號(hào)強(qiáng)度。素的信號(hào)強(qiáng)度。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 微區(qū)分析微區(qū)分析面掃描分析

29、面掃描分析（元素分布的圖像分析）（元素分布的圖像分析）3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)電子束的橫向分辨率高（最小聚焦小于電子束的橫向分辨率高（最小聚焦小于20 nm), 讓細(xì)聚焦的讓細(xì)聚焦的入射電子束在試樣表面沿指定區(qū)域掃描，同步探測(cè)俄歇電子入射電子束在試樣表面沿指定區(qū)域掃描，同步探測(cè)俄歇電子信號(hào)，就能獲得俄歇電子圖像。信號(hào)，就能獲得俄歇電子圖像。3.5.3 俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用俄歇電子能譜分析法的應(yīng)用3.5.3.4 微區(qū)分析微區(qū)分析硅集成電路上晶態(tài)殘留硅集成電路上晶態(tài)殘留物的物的AES成像成像成像用的成像用的AES峰及亮區(qū)峰及亮區(qū)顯示：顯示：a-72eV(SiO2中的中的Si峰

30、）峰）;b-89eV(元素元素Si峰峰);c-505eV(O峰峰);d-65eV(元素元素Al峰峰)面掃描分析面掃描分析（元素分布的圖像分析）（元素分布的圖像分析）3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.5 俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域域俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域材料表面偏析、表面雜質(zhì)分布、晶界元素分析；材料表面偏析、表面雜質(zhì)分布、晶界元素分析；金屬、半導(dǎo)體、復(fù)合材料等界面研究；金屬、半導(dǎo)體、復(fù)合材料等界面研究；薄膜、多層膜生長(zhǎng)機(jī)理的研究；薄膜、多層膜生長(zhǎng)機(jī)理的研究；表面化學(xué)過(guò)程表面化學(xué)過(guò)程(如腐蝕、鈍化、催化、氧化等如腐蝕、鈍化、催化、氧

31、化等)研究；研究；表面的力學(xué)性質(zhì)表面的力學(xué)性質(zhì)(如摩擦、磨損、粘著、斷裂等如摩擦、磨損、粘著、斷裂等)研究；研究；集成電路摻雜的三維微區(qū)分析；集成電路摻雜的三維微區(qū)分析；固體表面吸附、清潔度、沾染物鑒定等。固體表面吸附、清潔度、沾染物鑒定等。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)1、微電子學(xué)的應(yīng)用、微電子學(xué)的應(yīng)用 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的日益發(fā)展，需要在更小的微區(qū)內(nèi)了解表面或近表面區(qū)、薄膜及其界面的物理性質(zhì)和化學(xué)成分。AES為此提供了有力的工具。 Au-Ni-Cu金屬化系統(tǒng)廣泛用作內(nèi)連線、混合微電路的外接引線及陶瓷襯底上的薄膜。常用的結(jié)構(gòu)是最內(nèi)層為Cu，最外層為Au，以防止環(huán)境侵蝕并保證可

32、連接性和低的接觸電阻，中間用Ni作擴(kuò)散阻擋層。樣品是在涂復(fù)了Cu層的陶瓷襯底上電鍍一層0.1m厚的Ni和2.0m厚的Au。整個(gè)系統(tǒng)在空氣中300熱處理4h，以模擬檢驗(yàn)過(guò)程。處理后從25m25m面積的表面收取的AES譜。 3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 由譜可見(jiàn)，表面除了Au之外還有C、O和Ni。掃描AES圖說(shuō)明，在某些區(qū)域只存在Ni和O，而另一些區(qū)域則還有Au和C。 3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES) 在富Ni區(qū)作的成分深度剖圖，此處Ni和O僅局限于最表面的5nm層內(nèi)，而在其下面的Au膜內(nèi)只有極少量的Ni。說(shuō)明Ni是通過(guò)Au的晶界擴(kuò)散出來(lái)，再通過(guò)表面擴(kuò)散而富

33、集在表面，同時(shí)發(fā)生氧化。 上述分析結(jié)果表明，Ni以NiO的形式存在并覆蓋著大部分Au膜表面是造成可連接性差的原因。3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)2、固體表面清潔程度的測(cè)定、固體表面清潔程度的測(cè)定圖顯示了在磁控濺射制備的鉻薄膜表面清潔前后的俄歇譜。從圖上可見(jiàn)，在樣品的原始表面上，除有Cr元素存在外，還有C、O等污染雜質(zhì)存在。在經(jīng)過(guò)Ar離子濺射清潔后，其表面的C雜質(zhì)峰基本消失。樣品表面的C污染并不是在制備過(guò)程中形成的，而是在放置過(guò)程中吸附的大氣中的污染。但氧的特征俄歇峰即使在濺射清潔很長(zhǎng)時(shí)間后，仍有小峰存在。該結(jié)果表明有少量O存在于制備的Cr薄膜層中。該氧可能是由靶材的純度或薄膜樣品制

34、備過(guò)程中的真空度較低有關(guān)，而不僅僅是表面污染。200300400500600700SurfaceSputtering 1 minC KLLCr LMMO KLLKinetic Energy / eVdN(E)/dE表面清潔前后的鉻薄膜表面俄歇電子能譜檢測(cè)3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3、表面偏聚的研究 許多合金元素或雜質(zhì)雖然含量很少許多合金元素或雜質(zhì)雖然含量很少(甚至僅為甚至僅為10-6量級(jí)量級(jí))，卻能通過(guò)，卻能通過(guò)擴(kuò)散并偏聚在表面而顯著改變表面的化學(xué)成分?jǐn)U散并偏聚在表面而顯著改變表面的化學(xué)成分。適當(dāng)熱處理后。這種偏聚又可能反轉(zhuǎn)。多數(shù)工程材料是二元的或更復(fù)雜的成分，因此常會(huì)出現(xiàn)表面

35、偏聚。這種現(xiàn)象對(duì)于材料的粘接、氧化、催化、腐蝕及燒結(jié)性質(zhì)十分重要。另外，研究表面偏聚也有助于了解晶界偏聚，因?yàn)槎叩男袨槭窍嗨频?。AES由于其對(duì)表面的高靈敏度特別適于研究表面偏聚。 3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)304不銹鋼樣品做成帶狀，在進(jìn)行表面分析之前在真空室內(nèi)濺射清洗和加熱。不同溫度下表面的P、S、Si和N等元素的AES峰高隨時(shí)間的變化如下圖所示。350 535745Si明顯地迅速偏聚到表面Si在表面的濃度開(kāi)始迅速增加，以后反而隨時(shí)間而逐漸減少。與此同時(shí)，P卻連續(xù)地集聚到表面。N的情況和Si相似，S也發(fā)生偏聚但速率較小Si和N基本未參與偏聚過(guò)程，P的偏聚發(fā)生反轉(zhuǎn)，而S則連續(xù)地

36、偏聚3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)3.5.5 俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)俄歇電子能譜的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域域優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)可測(cè)范圍廣，可分析除可測(cè)范圍廣，可分析除H、He以外的各種元素；以外的各種元素；(2)對(duì)于輕元素對(duì)于輕元素C、O、N、S、P等有較高的分析靈敏度；等有較高的分析靈敏度；(3)可結(jié)合化學(xué)位移和譜峰變化，對(duì)化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析可結(jié)合化學(xué)位移和譜峰變化，對(duì)化學(xué)態(tài)進(jìn)行分析(4)配合離子槍，在深度剖析時(shí)具有良好的深度分辨率；配合離子槍，在深度剖析時(shí)具有良好的深度分辨率；(5)優(yōu)異的橫向分辨率，小于優(yōu)異的橫向分辨率，小于20 nm，可以顯示元素分布像，可以顯示元素分布像(6)分析速

37、度快分析速度快缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)定量分析的準(zhǔn)確度不高；定量分析的準(zhǔn)確度不高； (2)化學(xué)位移較難理解，缺乏提供化學(xué)信息的廣泛數(shù)據(jù)庫(kù)化學(xué)位移較難理解，缺乏提供化學(xué)信息的廣泛數(shù)據(jù)庫(kù)(3)電子束轟擊損傷和電荷積累問(wèn)題限制其在有機(jī)材料、生電子束轟擊損傷和電荷積累問(wèn)題限制其在有機(jī)材料、生物樣品和某些陶瓷材料中的應(yīng)用；物樣品和某些陶瓷材料中的應(yīng)用；俄歇電子能譜的特點(diǎn)俄歇電子能譜的特點(diǎn)3.5 俄歇電子能譜俄歇電子能譜(AES)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)可測(cè)除可測(cè)除H、He外的所以元素外的所以元素(2)定量元素分析定量元素分析(3)優(yōu)異的化學(xué)信息，化學(xué)位移與完整優(yōu)異的化學(xué)信息，化學(xué)位移與完整的標(biāo)準(zhǔn)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)合使

38、用的標(biāo)準(zhǔn)化合物數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)合使用(4)分析是非結(jié)構(gòu)破壞的；分析是非結(jié)構(gòu)破壞的；X射線束損射線束損失通常微不足道失通常微不足道缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：(1)典型的數(shù)據(jù)采集與典型的典型的數(shù)據(jù)采集與典型的AES比較比較起來(lái)比較慢，部分原因是由于起來(lái)比較慢，部分原因是由于XPS通常通常采集了更多的細(xì)節(jié)信息采集了更多的細(xì)節(jié)信息 (2)橫向分辨率低，在微米級(jí)。橫向分辨率低，在微米級(jí)。XPS的特點(diǎn)的特點(diǎn)3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS) 光電子能譜學(xué)科的發(fā)展一開(kāi)始就是從兩個(gè)方面進(jìn)行的一方光電子能譜學(xué)科的發(fā)展一開(kāi)始就是從兩個(gè)方面進(jìn)行的一方面是面是Siegbahn等人所創(chuàng)立的等人所創(chuàng)立的X射線光電子能譜，主要用于

39、測(cè)射線光電子能譜，主要用于測(cè)量?jī)?nèi)殼層電子結(jié)合能量?jī)?nèi)殼層電子結(jié)合能 另一方面是另一方面是Tunner等人所發(fā)展的紫等人所發(fā)展的紫外光電子能譜，主要用于研究?jī)r(jià)電子的電離電能。外光電子能譜，主要用于研究?jī)r(jià)電子的電離電能。紫外光電子能譜是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，它紫外光電子能譜是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，它在研究在研究原子、分子、固體以及表面原子、分子、固體以及表面/ /界面的電子結(jié)構(gòu)方面界面的電子結(jié)構(gòu)方面具具有獨(dú)特的功能。由紫外光電子能譜測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)譜有獨(dú)特的功能。由紫外光電子能譜測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)譜圖的理論分析，可以直接和分子軌道的能級(jí)、類型以及態(tài)密圖的理論分析，可以直

40、接和分子軌道的能級(jí)、類型以及態(tài)密度等對(duì)照。因此，在量子力學(xué)、固體物理、表面科學(xué)與材料度等對(duì)照。因此，在量子力學(xué)、固體物理、表面科學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用?？茖W(xué)等領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。 3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)XPS采用采用X射線射線激發(fā)樣品激發(fā)樣品MgK 1 : 1253.7 eV， MgK 2 : 1253.4 eV AlK 1 : 1486.7 eV, AlK 2 : 1486.7 eV主要用于測(cè)量主要用于測(cè)量?jī)?nèi)殼層電子內(nèi)殼層電子結(jié)合能結(jié)合能 XPS與與UPS獲得的信息既是類似的，也有不同之處因此在分析化學(xué)、獲得的信息既是類似的，也有不同之處因此在分析化學(xué)、結(jié)構(gòu)

41、化學(xué)和表面研究以及材料研究等應(yīng)用方面，它們是結(jié)構(gòu)化學(xué)和表面研究以及材料研究等應(yīng)用方面，它們是互相補(bǔ)充互相補(bǔ)充的。的。UPS采用真空采用真空紫外線紫外線激發(fā)樣品激發(fā)樣品稀有氣體放電中產(chǎn)生的共振線稀有氣體放電中產(chǎn)生的共振線 He I（21.2 eV） 、HeII （40.8 eV） 主要用于研究主要用于研究?jī)r(jià)電子價(jià)電子的電離電能的電離電能理論基礎(chǔ)也是理論基礎(chǔ)也是光電效應(yīng)光電效應(yīng)UPS譜儀的設(shè)計(jì)原理與譜儀的設(shè)計(jì)原理與XPS譜儀基本一樣譜儀基本一樣hh分辨率分辨率高高（He I的的線寬為線寬為0.003 eV,，He II為為0.017eV）分辨率分辨率低低（MgK 線寬為線寬為0.68 eV,，Al

42、K 為為0.83 eV）3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)紫外光電子能譜的原理3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)3.4.1 基本原理基本原理：UPS與與XPS的原理是相同的，但是，由于紫外光只能電離結(jié)合的原理是相同的，但是，由于紫外光只能電離結(jié)合能不大于紫外光子能量的外殼層能級(jí)，因此對(duì)于氣體分子而能不大于紫外光子能量的外殼層能級(jí)，因此對(duì)于氣體分子而言，還必須言，還必須考慮它被電離后生成的離子的狀態(tài)考慮它被電離后生成的離子的狀態(tài) 能量為能量為h 的入射光子從分子中激發(fā)出一個(gè)電子以后，留下一個(gè)離子，這個(gè)的入射光子從分子中激發(fā)出一個(gè)電子以后，留下一個(gè)離子，這個(gè)離子可以振動(dòng)、轉(zhuǎn)

43、動(dòng)或其它激發(fā)態(tài)存在如果激發(fā)出的光電子的動(dòng)能為離子可以振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)或其它激發(fā)態(tài)存在如果激發(fā)出的光電子的動(dòng)能為Ek，Ekh E IEv一一Er EI是電離能是電離能Ev是分子離子的振動(dòng)能，是分子離子的振動(dòng)能，Ev的能量范圍大約是的能量范圍大約是50一一500毫電子伏毫電子伏Er是轉(zhuǎn)動(dòng)能是轉(zhuǎn)動(dòng)能Er的能量更小，至多只有千分之幾電子伏，因此的能量更小，至多只有千分之幾電子伏，因此Ev和和Er比比EI 小得多小得多 但是用目前已有的高分辨紫外光電子譜儀但是用目前已有的高分辨紫外光電子譜儀(分辨能力約分辨能力約10一一25毫電子伏毫電子伏)，容易容易觀察到振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)觀察到振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu) 3.4 紫外光電子能

44、譜紫外光電子能譜(UPS)He I 共振線激發(fā)氫分子離子的紫外光電子能譜共振線激發(fā)氫分子離子的紫外光電子能譜14個(gè)峰對(duì)應(yīng)于氫分子離子的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)個(gè)峰對(duì)應(yīng)于氫分子離子的各個(gè)振動(dòng)能級(jí)3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)3.4.2 紫外光電子能譜的應(yīng)用紫外光電子能譜的應(yīng)用 UPS譜通過(guò)譜通過(guò)測(cè)量?jī)r(jià)電子的能量分布測(cè)量?jī)r(jià)電子的能量分布，得到各種信息。，得到各種信息。 它最初主要用來(lái)測(cè)量氣態(tài)分子的電離，研究它最初主要用來(lái)測(cè)量氣態(tài)分子的電離，研究分子軌道的鍵合分子軌道的鍵合性質(zhì)性質(zhì)以及定性以及定性鑒定化合物種類鑒定化合物種類。 對(duì)于清潔表面，對(duì)于清潔表面，UPS譜反映了譜反映了價(jià)電子帶的電子結(jié)構(gòu)

45、價(jià)電子帶的電子結(jié)構(gòu)（狀態(tài)密（狀態(tài)密度），包含了材料表面狀態(tài)和主體表層狀態(tài)的信息。度），包含了材料表面狀態(tài)和主體表層狀態(tài)的信息。 如果如果表面上吸附表面上吸附了物質(zhì)（物理吸附，化學(xué)吸附）都會(huì)使了物質(zhì)（物理吸附，化學(xué)吸附）都會(huì)使UPS譜發(fā)生較大變化，特別適合于研究吸附分子的定位信息，在譜發(fā)生較大變化，特別適合于研究吸附分子的定位信息，在催化機(jī)理及聚合物價(jià)帶結(jié)構(gòu)的研究方面有重要的應(yīng)用。催化機(jī)理及聚合物價(jià)帶結(jié)構(gòu)的研究方面有重要的應(yīng)用。3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS) Ek = h EI Er Ev 對(duì)于氣態(tài)樣品來(lái)說(shuō)，測(cè)得的電離電位相應(yīng)于分子軌道的對(duì)于氣態(tài)樣品來(lái)說(shuō)，測(cè)得的電離電位相應(yīng)于分子

46、軌道的能量能量。分子軌道的能量的大小和順序?qū)τ诮忉尫肿咏Y(jié)構(gòu)、研究化學(xué)反應(yīng)是重要的。在量子化學(xué)方面，紫外光電子能譜對(duì)于分子軌道能量的測(cè)量已經(jīng)成為各種分子軌道理論計(jì)算的有力的驗(yàn)證依據(jù)。EI +Er + Ev = h EkUPS 測(cè)量電離電位測(cè)量電離電位 因?yàn)橐驗(yàn)锳r分子最外層是封閉分子最外層是封閉價(jià)電子殼層為價(jià)電子殼層為P6。當(dāng)一個(gè)。當(dāng)一個(gè)電子被激發(fā)后，外殼層變電子被激發(fā)后，外殼層變?yōu)闉镻5。由自旋角動(dòng)量和軌。由自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量耦合有道角動(dòng)量耦合有2P3/2和和2P1/2，在光電子能譜圖上，在光電子能譜圖上表現(xiàn)為兩個(gè)銳峰表現(xiàn)為兩個(gè)銳峰。 Ar的的He I光電子能譜圖光電子能譜圖 Ar分子中電

47、子的電離能分子中電子的電離能3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)N2分子的分子的HeI紫外光電子譜圖紫外光電子譜圖 N2分子的電離能分子的電離能N2的電子構(gòu)型為的電子構(gòu)型為(1 g)2(1 u)2 (2 g)2(2 u)2 (1 u)4(3 g)2v N2分子從外殼層到內(nèi)分子從外殼層到內(nèi)殼層，可電離的占據(jù)分子殼層，可電離的占據(jù)分子軌道能級(jí)的次序?yàn)檐壍滥芗?jí)的次序?yàn)?g , u和和 u等。從這些軌道上發(fā)等。從這些軌道上發(fā)生電子電離，則得到的離生電子電離，則得到的離子的電子狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于子的電子狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于圖中的三條譜帶。譜峰線圖中的三條譜帶

48、。譜峰線產(chǎn)生于離子的振動(dòng)能級(jí)的產(chǎn)生于離子的振動(dòng)能級(jí)的不同激發(fā)。不同激發(fā)。 u u g 研究譜圖中各種譜帶的形狀可以得到有關(guān)分子軌道成鍵性質(zhì)的某些信息 例如，出現(xiàn)尖銳的電子峰能表明有非鍵電子存在，帶有振動(dòng)精細(xì)結(jié)構(gòu)的比較寬的峰可能表明有鍵存在等 UPS化學(xué)鍵的研究化學(xué)鍵的研究 3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)譜帶形狀反映了分子軌道的鍵合性質(zhì)3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)紫外光電子譜中典型的譜帶形狀紫外光電子譜中典型的譜帶形狀(I)非健或弱鍵軌道；非健或弱鍵軌道；(II)(III)成鍵或反鍵軌道；成鍵或反鍵軌道；(IV)非常強(qiáng)的成鍵或反鍵軌道；非常強(qiáng)的成鍵或反鍵軌道；(

49、V)振動(dòng)疊加在離子的連續(xù)譜上；振動(dòng)疊加在離子的連續(xù)譜上；(VI)組合譜帶（離子振動(dòng)類型不至一種）組合譜帶（離子振動(dòng)類型不至一種）3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)位于15.58電子伏的g能級(jí)和位于18.76電子伏的u能級(jí)是非鍵的，u能級(jí)是成鍵的。 UPS 化學(xué)鍵的研究化學(xué)鍵的研究 N2分子的分子的HeI紫外光電子譜圖紫外光電子譜圖 u u g3.4 紫外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS) 吸附過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，表面發(fā)射電子與體相發(fā)射電子吸附過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，表面發(fā)射電子與體相發(fā)射電子的干涉加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。為了處理方便，常做如下假設(shè)：的干涉加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。為了處理方便

50、，常做如下假設(shè)：q 吸附物質(zhì)對(duì)光電發(fā)射譜的貢獻(xiàn)只反映表面上或吸附物質(zhì)上的吸附物質(zhì)對(duì)光電發(fā)射譜的貢獻(xiàn)只反映表面上或吸附物質(zhì)上的局部態(tài)密度；局部態(tài)密度；q 光電發(fā)射譜線強(qiáng)度決定于初態(tài)密度。實(shí)驗(yàn)上為區(qū)別光電子譜光電發(fā)射譜線強(qiáng)度決定于初態(tài)密度。實(shí)驗(yàn)上為區(qū)別光電子譜中吸附物質(zhì)的貢獻(xiàn)，常采用差值曲線法。即分別取清潔表面中吸附物質(zhì)的貢獻(xiàn)，常采用差值曲線法。即分別取清潔表面及吸附物質(zhì)表面的掃描譜，取其差值，其中正貢獻(xiàn)來(lái)自吸附及吸附物質(zhì)表面的掃描譜，取其差值，其中正貢獻(xiàn)來(lái)自吸附物質(zhì)發(fā)射，負(fù)貢獻(xiàn)則歸因于基底對(duì)發(fā)射的抑制作用。物質(zhì)發(fā)射，負(fù)貢獻(xiàn)則歸因于基底對(duì)發(fā)射的抑制作用。 UPS 固體表面吸附固體表面吸附3.4 紫

51、外光電子能譜紫外光電子能譜(UPS)為氣相分子的紫外光電子為氣相分子的紫外光電子能譜。能譜。是當(dāng)氣體分子吸附在表面是當(dāng)氣體分子吸附在表面上時(shí)的光電子能譜。上時(shí)的光電子能譜。 是發(fā)生更強(qiáng)作用時(shí)的情況，是發(fā)生更強(qiáng)作用時(shí)的情況，可以觀察到吸附質(zhì)譜線的可以觀察到吸附質(zhì)譜線的展寬和位移。展寬和位移。是有解離發(fā)生時(shí)的譜線是有解離發(fā)生時(shí)的譜線。 表面吸附質(zhì)與純氣相表面吸附質(zhì)與純氣相UPSUPS譜的比較譜的比較 UPS 固體表面吸附固體表面吸附3.6 電子能譜儀電子能譜儀3.6 電子能譜儀電子能譜儀3.6 電子能譜儀電子能譜儀激發(fā)源激發(fā)源試樣室系統(tǒng)試樣室系統(tǒng)電子能量分析器電子能量分析器檢測(cè)器檢測(cè)器放大系統(tǒng)放大

52、系統(tǒng)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)3.6 電子能譜儀電子能譜儀電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：電子能譜儀通常采用的激發(fā)源有三種：X射線源、真空紫外燈射線源、真空紫外燈和電子槍和電子槍。由于各能譜儀之間除激發(fā)源不同外，其他部分基本。由于各能譜儀之間除激發(fā)源不同外，其他部分基本相同，因此，配備不同激發(fā)源，可使一臺(tái)能譜儀具有多種功能。相同，因此，配備不同激發(fā)源，可使一臺(tái)能譜儀具有多種功能。俄歇電子能譜儀常用電子槍作為激發(fā)源，以得到強(qiáng)度較大、多能量（俄歇電子能譜儀常用電子槍作為激發(fā)源，以得到強(qiáng)度較大、多能量（5-10KeV)的電子源的電子源3.6 電子能譜儀電子能譜儀單色器單色

53、器電子能量分析器電子能量分析器（測(cè)量電子能量分布的一種裝置）（測(cè)量電子能量分布的一種裝置）電子能量分析器可分為磁場(chǎng)型和靜電型兩類。電子能量分析器可分為磁場(chǎng)型和靜電型兩類。1. 半球形電子能量分析器半球形電子能量分析器負(fù)電位正電位3.6 電子能譜儀電子能譜儀2. 筒鏡電子能量分析器筒鏡電子能量分析器（CMA）能通過(guò)筒鏡分析器的電子能量由下式?jīng)Q定能通過(guò)筒鏡分析器的電子能量由下式?jīng)Q定212lnKeUEr r（U為加在內(nèi)外筒之間的電壓，為加在內(nèi)外筒之間的電壓，r1為內(nèi)筒為內(nèi)筒半徑，半徑，r2為外筒半徑）為外筒半徑）電子能量分析器的分辨率定義為：電子能量分析器的分辨率定義為：( E/EK) 100%,

54、表示分析器能夠區(qū)分兩種相表示分析器能夠區(qū)分兩種相近能量電子的能力。近能量電子的能力。3.6 電子能譜儀電子能譜儀3. 檢測(cè)器檢測(cè)器 由于原子和分子的光電子截面都較小，因此從原由于原子和分子的光電子截面都較小，因此從原子或分子產(chǎn)生并經(jīng)能量分析器出來(lái)的光電子流僅子或分子產(chǎn)生并經(jīng)能量分析器出來(lái)的光電子流僅10-13 10-19A，要接受這樣弱的信號(hào)，必須采用電子倍增器，要接受這樣弱的信號(hào)，必須采用電子倍增器，如如單通道電子倍增器或多通道電子倍增器單通道電子倍增器或多通道電子倍增器。3.6 電子能譜儀電子能譜儀4. 試樣室系統(tǒng)和真空系統(tǒng)試樣室系統(tǒng)和真空系統(tǒng) 試樣預(yù)處理試樣預(yù)處理(如氬離子清洗等如氬離子

55、清洗等)，進(jìn)樣系統(tǒng)和試樣，進(jìn)樣系統(tǒng)和試樣室三部分構(gòu)成了試樣室系統(tǒng)；真空系統(tǒng)提供高真空環(huán)室三部分構(gòu)成了試樣室系統(tǒng)；真空系統(tǒng)提供高真空環(huán)境。境。真空系統(tǒng)的兩個(gè)功能：真空系統(tǒng)的兩個(gè)功能：一是使試樣室和分析器保持一定的真空度，以便減一是使試樣室和分析器保持一定的真空度，以便減少光電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與殘留氣體分子發(fā)生碰撞而少光電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與殘留氣體分子發(fā)生碰撞而損失信號(hào)強(qiáng)度，損失信號(hào)強(qiáng)度，二是降低活性殘余氣體的分壓，防止雜質(zhì)峰產(chǎn)生。二是降低活性殘余氣體的分壓，防止雜質(zhì)峰產(chǎn)生。3.6 電子能譜儀電子能譜儀作業(yè)作業(yè)1、表面分析方法有哪幾種？表面分析可以得到哪些信息？、表面分析方法有哪幾種？表面分析可以得到

56、哪些信息？答：表面分析方法有電子能譜，光譜，離子譜，光電子能譜，答：表面分析方法有電子能譜，光譜，離子譜，光電子能譜，近場(chǎng)顯微技術(shù)，掃描隧道顯微技術(shù)，原子力顯微技術(shù)等。表面近場(chǎng)顯微技術(shù)，掃描隧道顯微技術(shù)，原子力顯微技術(shù)等。表面分析可以了解物質(zhì)表面的元素組成及大致含量；元素的價(jià)態(tài)及分析可以了解物質(zhì)表面的元素組成及大致含量；元素的價(jià)態(tài)及同一元素不同價(jià)態(tài)的比例；物質(zhì)表面原子的排列以及表面形貌同一元素不同價(jià)態(tài)的比例；物質(zhì)表面原子的排列以及表面形貌等。等。2、X射線光電子能譜分析是一種什么樣的分析方法？基本原射線光電子能譜分析是一種什么樣的分析方法？基本原理是什么？能分析的內(nèi)容有哪些？適宜什么樣的試樣？理是什么？能分析的內(nèi)容有哪些？適宜什么樣的試樣？答：答： X射線光電子能譜分析，以一定能量的射線光電子能譜分析，以一定能量的X射線輻照氣體分射線輻照氣體分子或固體表面，發(fā)射出的光電子的動(dòng)能與該電子原來(lái)所在的能子或固體表面，發(fā)射出的光電子的動(dòng)能與該電子原來(lái)所在的能級(jí)有關(guān)，記錄并分析這些光電子能量可得到元素種類、化學(xué)狀級(jí)有關(guān)，記錄并分析這些光電子能量可得到元素種類、化學(xué)狀態(tài)和電荷分布等方面的信息。基本原理是光電效應(yīng)。能分析的態(tài)和電荷分布等方面的信息?；驹硎枪怆娦?yīng)。能分析的內(nèi)容包括，原子的電子結(jié)合能、表面元素的定性分析、元素價(jià)內(nèi)容包括，原子的電子結(jié)合能、表面元素的定性分析、