电子能谱学第 8 讲俄歇电子能谱仪

电子能谱学第8讲俄歇电子能谱仪 朱永法清华大学化学系 2005.11.14

俄歇电子能谱仪的基本结构 • 真空系统 • 超高真空的获得 • 电子枪 • 能量分析器 • 离子枪 • 数据采集和处理系统清华大学化学系材料与表面实验室

Acoustic Isolation Enclosure EDS FIB Ion Pump Mini-Environment SED Air Flow Fila Ion Gun MCD E-Gun Column Ulpa Filter H2O Cooling CMA Air Flow Video Cam FOUP Electron Gun & analyzer 200 mm Cass. 300 mm Intro 2 levels Transfer Arm Stage Vac Chamber Aligner Vibration Isolation Frame FIM Turbo Robot Ion Pump Ion Pump PHI SMART-Tool Schematic 清华大学化学系材料与表面实验室

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电子源 • 在俄歇电子能谱仪中，通常采用的有三种电子束源，包括钨丝，六硼化铼灯丝以及场发射电子枪。 • 其中目前最常用的是采用六硼化铼灯丝的电子束源。该灯丝具有电子束束流密度高，单色性好以及高温耐氧化等特性。 • 现在新一代的俄歇电子能谱仪较多地采用场发射电子枪，其优点是空间分辨率高，束流密度大，缺点是价格贵，维护复杂，对真空要求高。 • 而电子枪又可分为固定式电子枪和扫描式电子枪两种。扫描式电子枪适合于俄歇电子能谱的微区分析。清华大学化学系材料与表面实验室

Calculated Auger Intensity across Sphere 1400 1200 1000 800 Auger intensity (cps) 600 Coaxial CMA 400 Non-Coaxial 200 0 -1 -0.5 0 0.5 1 Position along Sphere PHI 690 Analyzer Geometry versus Sensitivity Easy alignment of the electron beam, the analyzer focal point, and the ion beam. Field Emission Electron Source Multi-Channel Detector Cylindrical Mirror Analyzer Ion Gun Sample 清华大学化学系材料与表面实验室

同轴和非同轴电子枪的阴影效应 清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的实验技术 样品制备技术 • 俄歇电子能谱仪对分析样品有特定的要求，在通常情况下只能分析固体导电样品。经过特殊处理，绝缘体固体也可以进行分析。 • 粉体样品原则上不能进行俄歇电子能谱分析，但经特殊制样处理也可以进行一定的分析。 • 由于涉及到样品在真空中的传递和放置，待分析的样品一般都需要经过一定的预处理。主要包括样品大小，挥发性样品的处理，表面污染样品及带有微弱磁性的样品等的处理。清华大学化学系材料与表面实验室

样品大小 • 由于在实验过程中样品必须通过传递杆，穿过超高真空隔离阀，送到样品分析室。因此，样品的尺寸必须符合一定的大小规范，以利于真空系统的快速进样。 • 对于块状样品和薄膜样品，其长宽最好小于10mm, 高度小于5 mm。对于体积较大的样品则必须通过适当方法制备成大小合适的样品。 • 但在制备过程中，必须考虑处理过程可能对表面成分和化学状态所产生的影响。 • 由于俄歇电子能谱具有较高的空间分辨率，因此，在样品固定方便的前提下，样品面积应尽可能地小，这样可以在样品台上多固定一些样品。清华大学化学系材料与表面实验室

粉末样品 • 对于粉体样品有两种常用的制样方法。一种是用导电胶带直接把粉体固定在样品台上，另一种是把粉体样品压成薄片，然后再固定在样品台上。 • 前者的优点是制样方便，样品用量少，预抽到高真空的时间较短，缺点是胶带的成分可能会干扰样品的分析。此外，荷电效应也会影响到俄歇电子谱的采集。后者的优点是可以在真空中对样品进行处理，如加热，表面反应等，其信号强度也要比胶带法高得多。缺点是样品用量太大，抽到超高真空的时间太长。并且对于绝缘体样品，荷电效应会直接影响俄歇电子能谱的录谱。 • 一般把粉体样品或小颗粒样品直接压到金属铟或锡的基材表面。可以固定样品和解决样品的荷电问题。对于需要用离子束溅射的样品，建议使用锡作为基材，因为在溅射过程中金属铟经常会扩散到样品表面而影响样品的分析结果。清华大学化学系材料与表面实验室

含有挥发性物质的样品 • 对于含有挥发性物质的样品，在样品进入真空系统前必须清除掉挥发性物质。 • 一般可以通过对样品进行加热或用溶剂清洗等方法。如含有油性物质的样品，一般依次用正己烷、丙酮和乙醇超声清洗，然后红外烘干，才可以进入真空系统。清华大学化学系材料与表面实验室

表面有污染的样品 • 对于表面有油等有机物污染的样品，在进入真空系统前必须用油溶性溶剂如环己烷，丙酮等清洗掉样品表面的油污。最后再用乙醇清洗掉有机溶剂，为了保证样品表面不被氧化，一般采用自然干燥。 • 而对于一些样品，可以进行表面打磨等处理。清华大学化学系材料与表面实验室

带有微弱磁性的样品 • 由于俄歇电子带有负电荷，在微弱的磁场作用下，也可以发生偏转。当样品具有磁性时，由样品表面出射的俄歇电子就会在磁场的作用下偏离接收角，最后不能到达分析器，得不到正确的AES谱。此外，当样品的磁性很强时，还存在导致分析器头及样品架磁化的危险，因此，绝对禁止带有强磁性的样品进入分析室。对于具有弱磁性的样品，一般可以通过退磁的方法去掉样品的微弱磁性，然后就可以象正常样品一样分析。清华大学化学系材料与表面实验室

离子束溅射技术 • 在俄歇电子能谱分析中，为了清洁被污染的固体表面和进行离子束剥离深度分析，常常利用离子束对样品表面进行溅射剥离。 • 利用离子束可定量控制地剥离一定厚度的表面层，然后再用俄歇电子谱分析表面成分，这样就可以获得元素成分沿深度方向的分布图。 • 作为深度分析用的离子枪，一般使用0.5～5 KeV的Ar离子源，离子束的束斑直径在1～10mm范围内，并可扫描。依据不同的溅射条件，溅射速率可从0.1 ～50 nm/min变化。清华大学化学系材料与表面实验室

离子束溅射技术 • 为了提高分析过程的深度分辩率，一般应采用间断溅射方式。 • 为了减少离子束的坑边效应，应增加离子束/电子束的直径比。 • 为了降低离子束的择优溅射效应及基底效应，应提高溅射速率和降低每次溅射间隔的时间。 • 离子束的溅射速率不仅与离子束的能量和束流密度有关，还与溅射材料的性质有关，所以给出的溅射速率是相对与某种标准物质的相对溅射速率，而不是绝对溅射速率。俄歇深度分析表示的深度也是相对深度，而不是绝对深度。清华大学化学系材料与表面实验室

样品荷电问题 • 对于导电性能不好的样品如半导体材料，绝缘体薄膜，在电子束的作用下，其表面会产生一定的负电荷积累，这就是俄歇电子能谱中的荷电效应。 • 样品表面荷电相当于给表面自由的俄歇电子增加了一定的额外电压, 使得测得的俄歇动能比正常的要高。 • 在俄歇电子能谱中，由于电子束的束流密度很高，样品荷电是一个非常严重的问题。清华大学化学系材料与表面实验室

样品荷电问题 • 有些导电性不好的样品，经常因为荷电严重而不能获得俄歇谱。 • 但由于高能电子的穿透能力以及样品表面二次电子的发射作用，对于一般在100nm厚度以下的绝缘体薄膜，如果基体材料能导电的话，其荷电效应几乎可以自身消除。因此，对于普通的薄膜样品，一般不用考虑其荷电效应。 • 对于绝缘体样品，可以通过在分析点（面积越小越好，一般应小于1mm）周围镀金的方法来解决荷电问题。此外，还有用带小窗口的Al, Sn, Cu箔等包覆样品等方法。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱采样深度 • 俄歇电子能谱的采样深度与出射的俄歇电子的能量及材料的性质有关。 • 一般定义俄歇电子能谱的采样深度为俄歇电子平均自由程的3倍。根据俄歇电子的平均自由程的数据可以估计出各种材料的采样深度。 • 一般对于金属为0.5 ～2 nm, 对于无机物为1 ～3 nm, 对于有机物为1 ～3 nm。 • 从总体上来看，俄歇电子能谱的采样深度比XPS的要浅, 更具有表面灵敏性。清华大学化学系材料与表面实验室

电子束激发俄歇电子能谱(EAES)与 X射线激发俄歇电子能谱(XAES)的比较 • 用电子束作为激发源的优点是：（1）电子束的强度大于X射线源多个数量级；（2）电子束可以进行聚焦，具有很高的空间分辨率；（3）电子束可以扫描，具有很强的图像分析功能；（4）由于电子束束斑直径小，具有很强的深度分析能力。 • 然而XAES 也具有很多优点：（1）由于X射线引发的二次电子较弱，俄歇峰具有很高的信/背比；（2）X射线引发的俄歇电子具有较高的能量分辨率；（3）X射线束对样品的表面损伤小得多。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱图的分析技术 • 俄歇电子能谱的定性分析 • 俄歇电子能谱的定量分析 • 俄歇电子能谱的深度分析 • 俄歇电子能谱的微区分析 • 俄歇电子能谱的价态分析清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 由于俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关，也就是说与激发源无关。 • 对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。由此，我们可以根据俄歇电子的动能用来定性分析样品表面物质的元素种类。 • 定性分析方法可适用于除氢、氦以外的所有元素，且由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很高。 • 因此，AES技术是适用于对所有元素进行一次全分析的有效定性分析方法，这对于未知样品的定性鉴定是非常有效的。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 由于激发源的能量远高于原子内层轨道的能量，一束电子束可以激发出原子芯能级上的多个内层轨道电子，再加上退激发过程中还涉及到两个次外层轨道的电子跃迁过程。因此，多种俄歇跃迁过程可以同时出现，并在俄歇电子能谱图上产生多组俄歇峰。 • 尤其是对原子序数较高的元素，俄歇峰的数目更多，使俄歇电子能谱的定性分析变得非常复杂。在利用俄歇电子能谱进行元素定性分析时，必须非常小心。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 通常在进行定性分析时，主要是利用与标准谱图对比的方法。根据Perkin-Elmer[3]公司的《俄歇电子能谱手册》，建议俄歇电子能谱的定性分析过程如下： • 首先把注意力集中在最强的俄歇峰上。利用“主要俄歇电子能量图” 或表一，可以把对应于此峰的可能元素降低到2~3种。然后通过与这几种可能元素的标准谱进行对比分析，确定元素种类。考虑到元素化学状态不同所产生的化学位移，测得的峰的能量与标准谱上的峰的能量相差几个电子伏特是很正常的。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 在确定主峰元素后，利用标准谱图，在俄歇电子能谱图上标注所有属于此元素的峰。 • 重复（a）和（b）的过程，去标识更弱的峰。含量少的元素，有可能只有主峰才能在俄歇谱上观测到。 • 如果还有峰未能标识，则它们有可能是一次电子所产生的能量损失峰。改变入射电子能量，观察该峰是否移动，如移动就不是俄歇峰。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 俄歇电子能谱的定性分析是一种最常规的分析方法，也是俄歇电子能谱最早的应用之一。 • 一般利用AES谱仪的宽扫描程序, 收集从20～1700 eV动能区域的俄歇谱。 • 为了增加谱图的信背比，通常采用微分谱来进行定性鉴定。 • 对大部分元素，其俄歇峰主要集中在20～1200eV的范围内，对于有些元素则需利用高能端的俄歇峰来辅助进行定性分析。 • 此外，为了提高高能端俄歇峰的信号强度，可以通过提高激发源电子能量的方法来获得。清华大学化学系材料与表面实验室

俄歇电子能谱的定性分析 • 在进行定性分析时，通常采取俄歇谱的微分谱的负峰能量作为俄歇动能，进行元素的定性标定。 • 在分析俄歇电子能谱图时，有时还必须考虑样品的荷电位移问题。一般来说，金属和半导体样品几乎不会荷电，因此不用校准。但对于绝缘体薄膜样品，有时必须进行校准，通常以C KLL峰的俄歇动能为278.0 eV作为基准。在离子溅射的样品中，也可以用Ar KLL峰的俄歇动能214.0 eV来校准。 • 在判断元素是否存在时，应用其所有的次强峰进行佐证，否则应考虑是否为其他元素的干扰峰。清华大学化学系材料与表面实验室

图8金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱 清华大学化学系材料与表面实验室

图8是金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱（微分谱），电子枪的加速电压为3 kV。 • AES谱图的横坐标为俄歇电子动能，纵坐标为俄歇电子计数的一次微分。激发出来的俄歇电子由其俄歇过程所涉及的轨道的名称标记。 • 由于俄歇跃迁过程涉及到多个能级，可以同时激发出多种俄歇电子，因此在AES谱图上可以发现Ti LMM俄歇跃迁有两个峰。由于大部分元素都可以激发出多组光电子峰，因此非常有利于元素的定性标定，排除能量相近峰的干扰。 • 由于相近原子序数元素激发出的俄歇电子的动能有较大的差异，因此相邻元素间的干扰作用很小。清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的半定量分析 • 从样品表面出射的俄歇电子的强度与样品中该原子的浓度有线性关系，因此可以利用这一特征进行元素的半定量分析。 • 因为俄歇电子的强度不仅与原子的多少有关，还与俄歇电子的逃逸深度、样品的表面光洁度，元素存在的化学状态以及仪器的状态有关。 • 因此，AES技术一般不能给出所分析元素的绝对含量，仅能提供元素的相对含量。清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的半定量分析 • 且因为元素的灵敏度因子不仅与元素种类有关还与元素在样品中的存在状态及仪器的状态有关，即使是相对含量不经校准也存在很大的误差。 • 此外，虽然AES的绝对检测灵敏度很高，可以达到10-3原子单层，但它是一种表面灵敏的分析方法，对于体相检测灵敏度仅为0.1%左右。 • 其表面采样深度为1.0～3.0 nm，提供的是表面上的元素含量，与体相成分会有很大的差别。 • 最后，还应注意AES的采样深度与材料性质和激发电子的能量有关，也与样品表面与分析器的角度有关。清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的半定量分析 • 俄歇电子能谱的定量分析方法很多，主要包括纯元素标样法，相对灵敏度因子法以及相近成分的多元素标样法。 • 最常用和实用的方法是相对灵敏度因子法。该方法的定量计算可以用下式进行 • ci - 第i种元素的摩尔分数浓度； • Ii - 第i种元素的AES信号强度； • Si - 第i种元素的相对灵敏度因子， • 可以从手册上获得清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的半定量分析 • 由AES提供的定量数据是以摩尔百分比含量表示的，而不是我们平常所使用的质量百分比。这种比例关系可以通过下列公式换算 • ciwt - 第i种元素的质量分数浓度； • ci - 第i种元素的AES摩尔分数； • Ai - 第i种元素的相对原子质量清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的半定量分析 • 在定量分析中必须注意的是AES给出的相对含量也与谱仪的状况有关，因为不仅各元素的灵敏度因子是不同的，AES谱仪对不同能量的俄歇电子的传输效率也是不同的，并会随谱仪污染程度而改变。 • 当谱仪的分析器受到严重污染时，低能端俄歇峰的强度可以大幅度下降。AES仅提供表面1～3 nm厚的表面层信息，样品表面的C, O污染以及吸附物的存在也会严重影响其定量分析的结果 • 由于俄歇能谱的各元素的灵敏度因子与一次电子束的激发能量有关，因此，俄歇电子能谱的激发源的能量也会影响定量结果清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的化学价态分析 • 虽然俄歇电子的动能主要由元素的种类和跃迁轨道所决定，但由于原子内部外层电子的屏蔽效应，芯能级轨道和次外层轨道上的电子的结合能在不同的化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。 • 这种轨道结合能上的微小差异可以导致俄歇电子能量的变化，这种变化就称作元素的俄歇化学位移，它取决于元素在样品中所处的化学环境。 • 一般来说，由于俄歇电子涉及到三个原子轨道能级，其化学位移要比XPS的化学位移大得多。清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的化学价态分析 • 利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学价态和存在形式。 • 由于俄歇电子能谱的分辨率低以及化学位移的理论分析的困难，俄歇化学效应在化学价态研究上的应用未能得到足够的重视。 • 随着俄歇电子能谱技术和理论的发展，俄歇化学效应的应用也受到了重视，甚至可以利用这种效应对样品表面进行元素的化学成像分析。清华大学化学系材料与表面实验室

表面元素的化学价态分析 • 与XPS相比，俄歇电子能谱虽然存在能量分辨率较低的缺点, 但却具有XPS难以达到的微区分析优点。 • 此外, 某些元素的XPS 化学位移很小, 难以鉴别其化学环境的影响, 但它们的俄歇化学位移却相当大, 显然，后者更适合于表征化学环境的作用。 • 同样在XPS中产生的俄歇峰其化学位移也比相应XPS结合能的化学位移要大得多。 • 因此俄歇电子能谱的化学位移在表面科学和材料科学的研究中具有广阔的应用前景清华大学化学系材料与表面实验室

金属Ni的MVV俄歇电子动能为61.7 eV; • NiO中的Ni MVV俄歇峰的能量为57.5 eV, 俄歇化学位移为-4.2 eV; 对于 • Ni2O3, Ni MVV的能量为52.3 eV, 俄歇化学位移为-9.4 eV。不同价态的镍氧化物的Ni MVV俄歇谱清华大学化学系材料与表面实验室

金属Ni的LMM俄歇动能为847.6 eV; • 而NiO中的Ni LMM俄歇峰的能量为841.9 eV, 俄歇化学位移为-5.7 eV; • 对于Ni2O3, Ni LMM的能量为839.1 eV, 俄歇化学位移为-8.5 eV。不同价态的镍氧化物的Ni LMM俄歇谱清华大学化学系材料与表面实验室

运用Pauling半经验方法可以获得NiO和Ni2O3中Ni原子的有效电荷。运用Pauling半经验方法可以获得NiO和Ni2O3中Ni原子的有效电荷。 • 在纯金属, Ni原子上的有效电荷为零; 而在NiO化合物中, Ni原子上的有效电荷则为+1.03 e, 在Ni2O3中, Ni原子上的有效电荷为+1.54 e。 • 根据式(17)可见, 原子所荷的正电荷越高, 俄歇化学位移越负, 俄歇动能越低。因此， Ni2O3中的Ni MVV和Ni LMM 俄歇化学位移均比NiO的要高，俄歇动能则比NiO的低，金属Ni的俄歇动能最高清华大学化学系材料与表面实验室

相邻原子的电负性差对俄歇化学位移的影响 • Si3N4的Si LVV俄歇动能为80.1 eV, 俄歇化学位移为-8.7 eV。 • 而SiO2的Si LVV的俄歇动能为72.5 eV, 俄歇化学位移为-16.3 eV。电负性差对Si LVV谱的影响清华大学化学系材料与表面实验室

相邻原子的电负性差对俄歇化学位移的影响 • Si KLL俄歇谱图同样显示出这两种化合物中Si俄歇化学位移的差别。 • Si3N4的俄歇动能为1610.0 eV, 俄歇化学位移为-5.6 eV。 • SiO2的俄歇动能为1605.0 eV, 俄歇化学位移-10.5 eV. • Si LVV的俄歇化学位移比Si KLL的要大。电负性差对Si KLL谱的影响清华大学化学系材料与表面实验室

相邻原子的电负性差对俄歇化学位移的影响 • 这清楚地表明价轨道比内层轨道对化学环境更为敏感； • 不论是Si3N4还是SiO2,其中在SiO2和Si3N4中, Si都是以正四价存在, 但Si3N4的Si-N键的电负性差为-1.2，俄歇化学位移为-8.7 eV。而在SiO2中, Si-O键的电负性差为-1.7, 俄歇化学位移则为-16.3 eV。 • 通过计算可知SiO2中Si的有效电荷为+2.06 e, 而Si3N4中Si的有效电荷为+1.21 e。清华大学化学系材料与表面实验室

弛豫势能的影响 • SiO2的O KLL俄歇动能为502.1 eV, 而TiO2的则为508.4 eV，其数值与PbO2的O KLL俄歇动能相近(508.6 eV)。 • 虽然在这些氧化物中氧都是以负二价离子O-2存在, 相应的电负性差也相近, 氧元素上的有效电荷也比较接近,但俄歇电子能量却相差甚远。 • 这种现象用电荷势模型就难以解释,这时必须用弛豫能的影响才能给予满意的解释。原子驰豫势能效应对O KLL谱的影响清华大学化学系材料与表面实验室

弛豫势能的影响 • 原子外弛豫能(离子有效半径)将起主要作用。正离子的离子半径越小, 对负离子O-2的极化作用越强, 这种正离子的极化作用将使负氧离子的电子云发生更大的变形,促使化学键由离子型向共价型过渡。这时正离子上的部分电荷不再全部转移到氧负离子的2p轨道上, 从而导致氧原子上的有效电荷降低, O KLL的俄歇动能比无极化作用时低。清华大学化学系材料与表面实验室

弛豫势能的影响 • 弛豫能与离子半径成反比, 离子半径越小, 弛豫能越大, 俄歇化学位移也越大, 俄歇动能越低。 • 在上述氧化物中SiO2的极化作用最大, 弛豫能也是最大。对于PbO2, 极化作用最弱,弛豫能也最低。因此,SiO2中的O KLL俄歇动能最低, 而PbO2的O KLL动能则最高。 • 极化作用，即驰豫能量大小对这组化合物中氧俄歇化学位移作了较好的解释清华大学化学系材料与表面实验室

Si LVV俄歇谱的动能与Si原子所处的化学环境有关。 • 在SiO2物种中，Si LVV俄歇谱的动能为72.5 eV, 而在单质硅中，其Si LVV俄歇谱的动能则为88.5 eV。 • 由图可见，随着界面的深入，SiO2物种的量不断减少，单质硅的量则不断地增加。清华大学化学系材料与表面实验室

电子能谱学 第 8 讲 俄歇电子能谱仪