1、1电子能谱学的定义电子能谱学的定义n定义：定义：利用具有一定能量的粒子（光子、电子、粒子）轰击特定的样品，研究从样品中释放出来的电子或离子电子或离子的能量分能量分布布和空间分布，从而了解样品的基本特征的方法。 n工作原理：工作原理：入射粒子与样品中的原子发生相互作用，经历各种能量转递的物理效应，最后释放出的电子和粒子具有样品具有样品中原子的特征信息中原子的特征信息。通过对这些信息的解析信息的解析，可以获得样品中原子的各种信息如含量，化学价态等。2 电子能谱学的内容非常广泛，凡是涉及到利用利用，均可归属为电子能谱学的范围。 根据激发离子以及出射离子的性质，可以分为以下几种技术。n 紫外紫外光电子
2、能谱光电子能谱(Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy，UPS），n X射线射线光电子能谱光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）,n 俄歇电子能谱俄歇电子能谱（Auger Electron Spectroscopy, AES），n 离子散射谱（Ion Scattering Spectroscopy，ISS），n 电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）等。3电子能谱分析光电子能谱光电子能谱X-X-射线光电子能谱射线光电子能谱AugerAuger电子能谱电子
3、能谱紫外光电子能谱紫外光电子能谱4俄歇电子能谱法俄歇电子能谱法n俄歇电子能谱法：用具有一定能量的电子束(或X射线)激发样品产生俄歇效应，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。 俄歇能谱仪俄歇能谱仪与低能电子衍射仪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表面探针。 AES的工作方式：的工作方式：入射电子束或入射电子束或X射线使原子内层能级电子电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。能谱仪在真空中对它们进行探
4、测。5俄歇电子能谱的建立俄歇电子能谱的建立n1925年法国的物理学家俄歇（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； n1953年J.J.Lander首次使用了电子束激发的俄歇电子能谱(Auger Electron Spectroscopy, AES)并探讨了俄歇效应应用于表面分析的可探讨了俄歇效应应用于表面分析的可能性。能性。 n1967年在Harris采用了微分锁相技术，使俄歇电子能谱获得了很高的信背比后，才开始出现了商业化的俄歇电子能谱仪。 n1969年Palmberg等人引入了筒镜能量分析器（Cylindrical Mirror Analyse
5、r,CMA），使得俄歇电子能谱的信背比获得了很大的改善，使俄歇电子能谱被广泛应用。n70年代中期年代中期,把细聚焦扫描入射电子束与俄歇能谱仪结合构成扫描俄歇微探针(SAM)配备有二次电子和吸收电子检测器及能谱探头,兼有扫描电镜和电子探针的功能。6 断口表层断口表层距断口表层距断口表层4.5nm深度处深度处（采用氩离子喷溅技术逐层剥离）（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：合金钢的回火脆化；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396594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
6、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。7 磷在晶界处显著富集，含量高达4.72%，较基体磷高235倍倍，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2 nm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 m左右）俄歇能谱分析结果表明：8基本原理基本原理（1）俄歇电子的产生）俄歇电子的产生 原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或原子在载能粒子（电子、离子或中性粒子）或X射线的照射射线的照射下，内层电子可能获得足够的能量而电离，并留下空穴（下，内层电子可能获得足够的能量而
7、电离，并留下空穴（受受激激）。）。 当外层电子跃入内层空位时，将释放多余的能量（当外层电子跃入内层空位时，将释放多余的能量（退激退激）释放的方式可以是：释放的方式可以是： 发射发射X射线（辐射跃迁退激方式）；射线（辐射跃迁退激方式）； 发射第三个电子发射第三个电子俄歇电子俄歇电子（俄歇跃迁退激方式俄歇跃迁退激方式）。）。9（2）俄歇电子的表示）俄歇电子的表示 每一俄歇电子的发射都涉及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。号并列表示俄歇跃迁和俄歇电子。KL1L1L1M1M1L2, 3VV10（3）俄歇过程和俄歇电子能量）俄歇过
8、程和俄歇电子能量 WXY俄歇过程示意图俄歇过程示意图WXY跃迁产生的跃迁产生的俄歇电子的动能俄歇电子的动能可近似地用经验公式估算，即：可近似地用经验公式估算，即： W XYWXYEEEE俄歇电子俄歇电子为为近似公式近似公式，因为，因为Ex表示的是内层填满电子的情况下原子表示的是内层填满电子的情况下原子X能级电子的结能级电子的结合能；对于俄歇过程，内层有一空位合能；对于俄歇过程，内层有一空位X能级的电子结合能就要增大，故实能级的电子结合能就要增大，故实际际X能级电子电离所需要的能量应大于能级电子电离所需要的能量应大于EX。11 原则上，俄歇电子动能由原子核外电子跃迁前后的原子系原则上，俄歇电子动
9、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：统总能量的差别算出。常用的一个经验公式为： ）（ZxZxZyZyZyZxZwZwxyEEEEEEEE1121式中：式中：w、x、y 分别代表俄歇电子发射所涉及的三个电子能级分别代表俄歇电子发射所涉及的三个电子能级 EZwxy 原子序数为原子序数为Z的原子发射的俄歇电子的能量的原子发射的俄歇电子的能量 E 原子中的电子结合能。原子中的电子结合能。 12）（ZxZxZyZyZyZxZwZwxyEEEEEEEE1121例：已知例：已知EKNi8.333 KeV，EL1Ni1.008 KeV，EL2Ni0.872 KeV，EL1
10、Cu1.096 KeV， EL2Cu0.951 KeV，求，求Ni的的KL1L2俄俄歇电子的能量。歇电子的能量。解：用上经验公式求得：主要部分（前三项）解：用上经验公式求得：主要部分（前三项）6.453 KeV； 修正项（后一项）修正项（后一项） 0.084 KeV所以：所以： Ni的的KL1L2俄歇电子的能量俄歇电子的能量6.4530.0846.369 KeV 与实测值与实测值6.384相当吻合。相当吻合。 13注意：注意： 俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以俄歇过程至少有两个能级和三个电子参与，所以氢原子和氦氢原子和氦原子不能产生俄歇电子原子不能产生俄歇电子。(Z(Z 3)3)孤立
11、的锂原子因最外层只有一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，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所以金属锂可以发生KVV KVV 型的俄歇跃迁。型的俄歇跃迁。14 显然，俄歇电子与特征显然，俄歇电子与特征X射线一样，其射线一样，其能量与入射粒子无关，能量与入射粒子无关，而仅仅取决于受激原子核外能级而仅仅取决于受激原子核外能级，所以，根据莫塞莱定律，可，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。组成的定性定量分
12、析。 15俄歇电子能量图：俄歇电子能量图： （图中右侧自下而上为元素符号）横轴为俄歇电子能量 和表示每种元素所产生的俄歇电子能量的相对强度，表示相对强度高 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。16俄歇电子产额俄歇电子产额 俄歇电子产额或俄歇跃迁几率俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度决定俄歇谱峰强度，直接关系到，直接关系到元素的定量分析。元素的定量分析。 俄歇电子与荧光俄歇电子与荧光X射线是两个互射线是两个互相关联和竞争的发射过程相关联和竞争的发射过程。对同。对同一一K
13、层空穴，退激发过程中荧光层空穴，退激发过程中荧光X射线与俄歇电子的相对发射几率，射线与俄歇电子的相对发射几率，即荧光产额即荧光产额( K)和俄歇电子产额和俄歇电子产额( )满足满足 =1 KKK俄歇电子产额与原子序数的关系俄歇电子产额与原子序数的关系 由图可知，对于K层空穴Z19，发射俄歇电子的几率在90以上；随Z的增加，X射线荧光产额增加，而俄歇电子产额下降。Z33时，俄歇发射占优势。17俄歇分析的选择俄歇分析的选择n通常通常n对于对于Z14的元素，采用的元素，采用KLL俄歇电子分析；俄歇电子分析；n14Z42时，以采用时，以采用MNN和和MNO俄歇电子为佳。俄歇电子为佳。18Mg的KLL系
14、列俄歇电子能谱（材料物理现代研究方法P183图7-2）Z = 14 19为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法且空间分辨率高？空间分辨率高？n大多数元素在501000eV能量范围内都有产额较高的俄歇电子，它们的有效激发体积（空间分辨率）取决于入射电子束的束取决于入射电子束的束斑直径和俄歇电子的发射深度斑直径和俄歇电子的发射深度。n能够保持特征能量（没有能量损失）而逸出表面的俄歇电子，发射深度仅限于表面以下大约2 nm以内，约相当于表面几个原子层，且发射（逸出）深度与俄歇电子的能量以及样品材发射（逸出）深度与俄歇电子的能量以及样品材料有关料有关。n
15、在这样浅的表层内逸出俄歇电子时，入射X射线或电子束的侧向扩展几乎尚未开始，故其空间分辨空间分辨率直接由入射电子束的直径决定。200.42nm510nm500nm5m知识回顾：电子束与固体物质的作用体积知识回顾：电子束与固体物质的作用体积 21俄歇电子峰俄歇电子峰弹性散射弹性散射峰峰二次电二次电子子高能区处出现一个很尖的峰高能区处出现一个很尖的峰,此为入射此为入射e与原子弹性碰撞后产与原子弹性碰撞后产生的散射峰，能量保持不变。生的散射峰，能量保持不变。在低能区出现一个较高的宽峰在低能区出现一个较高的宽峰，此为入射此为入射e与原子非弹性碰撞所与原子非弹性碰撞所产生的二次产生的二次e，这些二次，这些
16、二次e又链式又链式诱发出更多的二次级电子。诱发出更多的二次级电子。 二 峰 之 间 的 一 个 广 阔 区 域二 峰 之 间 的 一 个 广 阔 区 域（50eV2000eV）电子数目少）电子数目少,产生的峰为俄歇电子峰。产生的峰为俄歇电子峰。俄歇电子能谱俄歇电子能谱 由二次电子能量分布曲线看出：由二次电子能量分布曲线看出：俄歇信号淹没在很大的本底和俄歇信号淹没在很大的本底和噪声之中噪声之中。22n俄歇谱一般具有两种形式：直接谱（直接谱（积分谱）和微分谱；n直接谱直接谱可以保证原来的信息量，但背景太高，难以直接处理。n微分谱将直接谱的每一个峰转化为一对正、负峰，直接谱的每一个峰转化为一对正、负
17、峰，具有很高的信背比，容易识别，但会失去部分有用信息以及解释复杂。可通过微分电路或计算机数字微分获得。俄歇电子谱俄歇电子谱负峰尖锐，正峰较小负峰尖锐，正峰较小23n俄歇电子涉及到三个原子轨道能级；n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化学环境中是不一样的，有一些微小的差异。n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俄歇化学位移，它取决于元素在样品中所处的化学环境。n利用这种俄歇化学位移可以分析元素在该物种中的化学化学价态价态和存在形式和存在形式。在表面科学和材料科学的研究中具有广阔的应用前景24俄歇
18、化学效应有三类；n原子发生电荷转移引起内层能级移动；n化学环境变化引起价电子态密度变化，从而引起价带谱的峰形变化；n俄歇电子逸出表面时由于能量损失机理引起的低能端形状改变，同样也与化学环境有关。25 一般元素的一般元素的化合价越正化合价越正，俄歇电子，俄歇电子动能越低动能越低，化学化学位移越负位移越负；相反地，；相反地，化合价越负化合价越负,俄歇电子动能越高俄歇电子动能越高, 化学化学位移越正。位移越正。26n金属金属Ni的的MVV俄歇电子动俄歇电子动能为能为61.7 eV; nNiO中的中的Ni MVV俄歇峰的俄歇峰的能量为能量为57.5 eV, 俄歇化学位俄歇化学位移为移为-4.2 eV;
19、 nNi2O3, Ni MVV的能量为的能量为52.3 eV, 俄歇化学位移为俄歇化学位移为-9.4 eV。405060Kinetic Energy / eVCounts / a.u.pure NiNiONi2O3不同价态的镍氧化物的不同价态的镍氧化物的Ni MVV俄歇谱俄歇谱 27n 不论是不论是Si3N4还是还是SiO2,其中在其中在SiO2和和Si3N4中中, Si都是以正四价存在但都是以正四价存在但Si3N4的的Si-N键的电负性差为键的电负性差为-1.2，俄歇化学位移为，俄歇化学位移为-8.7 eV。而在。而在SiO2中中, Si-O键的电负性差键的电负性差为为-1.7, 俄歇化学位
20、移则为俄歇化学位移则为-16.3 eV。708090100Kinetic Energy / eVCounts / a.u.SiO2Si3N4电负性差对电负性差对Si LVV谱的影响谱的影响 对于相同化学价态的原子对于相同化学价态的原子, , 俄歇化学位移的差别主要和原子间的俄歇化学位移的差别主要和原子间的电负性差电负性差有关。有关。电负性差越大电负性差越大, ,原子得失的电荷也越大原子得失的电荷也越大, , 因此俄歇化学位移也越大因此俄歇化学位移也越大Si3N4的的Si LVV俄歇动能为俄歇动能为80.1 eV, 俄歇化学位移为俄歇化学位移为-8.7 eV。SiO2的的Si LVV的俄歇动能为
21、的俄歇动能为72.5 eV, 俄歇化学位移为俄歇化学位移为-16.3 eV。28俄歇谱仪示意图俄歇谱仪示意图29俄歇电子能谱法的应用俄歇电子能谱法的应用优点：作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸出深度(电子平均自由程)。对于能量为50 eV2 keV范围内的俄歇电子，逸出深度为0.42 nm。深度分辨率约为深度分辨率约为1 nm，横向分辨率取决于，横向分辨率取决于入射束斑大小入射束斑大小。可分析除H、He以外的各种元素。对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度。可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析。30在材料科学研究中的应用在材料科学研究中的应用材料表面材料表面偏析、表面杂质
22、分布、晶界元素分析；偏析、表面杂质分布、晶界元素分析；金属、半导体、复合材料等金属、半导体、复合材料等界面研究界面研究；薄膜薄膜、多层膜生长机理的研究；、多层膜生长机理的研究；表面的力学性质表面的力学性质(如摩擦、磨损、粘着、断裂等如摩擦、磨损、粘着、断裂等)研究；研究；表面化学过程表面化学过程(如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化如腐蚀、钝化、催化、晶间腐蚀、氢脆、氧化等等)研究；研究；集成电路集成电路掺杂的三维微区分析；掺杂的三维微区分析；固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等固体表面吸附、清洁度、沾染物鉴定等。31局限性局限性不能分析氢和氦元素；不能分析氢和氦元素；定量分析的准确度不高定
23、量分析的准确度不高；对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%1.0%；电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、生物样品和某些陶瓷材料中的应用；样品和某些陶瓷材料中的应用；对样品要求高，表面必须清洁对样品要求高，表面必须清洁(最好光滑最好光滑)等。等。 32俄歇电子能谱能提供的信息n元素沿深度方向的分布分析元素沿深度方向的分布分析 AES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用的分析功能的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用的分析功能。 一般采用Ar离子束进行样品表面剥离的深度分析方法。该方法是一种破坏性分析方
24、法，会引起表面晶格的损伤，择优溅射和表面原子混合等现象。33深度分析右图是右图是PZT/Si薄膜界面反应后的典薄膜界面反应后的典型的俄歇深度分析图。型的俄歇深度分析图。横坐标：横坐标：溅射时间，与溅射深度有溅射时间，与溅射深度有对应关系。对应关系。纵坐标：纵坐标：元素的原子百分比。元素的原子百分比。 可以清晰地看到各元素在薄膜中可以清晰地看到各元素在薄膜中的分布情况。在经过界面反应后，的分布情况。在经过界面反应后，在在PZT薄膜与硅基底间形成了稳定薄膜与硅基底间形成了稳定的的SiO2界面层界面层。这界面层是通过从。这界面层是通过从样品表面扩散进的氧与从基底上扩样品表面扩散进的氧与从基底上扩散出
25、的硅反应而形成的。散出的硅反应而形成的。 00.511.522.533.54020406080100OOSiSiOPZT溅射时间 / min原子摩尔百分数浓度SiO2 界面层PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱 注：注：PZT：压电陶瓷（锆钛酸铅）：压电陶瓷（锆钛酸铅） 34微区分析微区分析 n微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个方面。n这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常用的方法，也是纳米材料研究的主要手段。 35微区分析n选点分析选点分析 俄歇电子能谱由于采用电子束作为激发源，其束斑面积可俄歇电
26、子能谱由于采用电子束作为激发源，其束斑面积可以聚焦到非常小。以聚焦到非常小。从理论上，俄歇电子能谱选点分析的空间分从理论上，俄歇电子能谱选点分析的空间分别率可以达到束斑面积大小别率可以达到束斑面积大小。因此，利用俄歇电子能谱可以在。因此，利用俄歇电子能谱可以在很微小的区域内进行选点分析。很微小的区域内进行选点分析。36微区分析02004006008001000Kinetic Energy / eVdN(E)/dE / a.u.OCSiNAbnormalNormal图为Si3N4薄膜经850快速热退火处理后表面不同点的俄歇定性分析图。正常样品区：表面主要有Si, N以及C和O元素存在。损伤点：表
27、面的C,O含量很高，而Si, N元素的含量却比较低。 结论：结论：这结果说明在损伤区发生了Si3N4薄膜的分解。 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇定性分析谱薄膜表面损伤点的俄歇定性分析谱 正常位置正常位置 破损位置破损位置 370246810Sputtering Time / minACP / SiNOSi3N4薄膜表面正常点的薄膜表面正常点的俄歇深度分析俄歇深度分析 0246810Sputtering Time / minACP / SiNO Si3N4薄膜表面损伤点的薄膜表面损伤点的俄歇深度分析俄歇深度分析 从图上可见，从图上可见，在正常区在正常区，Si3N4薄膜的组成是非常均匀的，薄膜的组
28、成是非常均匀的，N/Si原子比为原子比为0.43。而在损伤区而在损伤区，虽然，虽然Si3N4薄膜的组成也是非常均匀的，但其薄膜的组成也是非常均匀的，但其N/Si原子原子比下降到比下降到0.06。N元素大量损失，该结果表明元素大量损失，该结果表明Si3N4薄膜在热处理过程中，薄膜在热处理过程中，在某些区域发生了在某些区域发生了氮化硅的脱氮分解反应，并在样品表面形成结碳氮化硅的脱氮分解反应，并在样品表面形成结碳。 表面分析后的深度分析表面分析后的深度分析38 俄歇电子能谱的应用举例俄歇电子能谱的应用举例 n固体表面的能带结构、态密度等。n表面的物理化学性质的变化。如表面吸附、脱附以及表面化学反应。
29、n材料组分的确定，纯度的检测，n材料特别是薄膜材料的生长。n表面化学吸附以及表面化学反应。 在物理学，化学，材料科学以及微电子学等方面有着重要的应用。39固体表面清洁程度的测定固体表面清洁程度的测定 n在研究工作中，经常需要获得清洁的表面。一般对于金属样品可以通过加热氧化除去有机物污染，再通过真空热退火除去氧化物而得到清洁表面。n而最简单的方法则是离子枪溅射样品表面来除去表面污染物。样品的表面清洁程度可以用俄歇电子能谱来实时监测。 40固体表面清洁程度的测定固体表面清洁程度的测定结论：结论：样品表面的样品表面的C污染应是在放置过程中污染应是在放置过程中吸附的大气中的污染吸附的大气中的污染；有少
30、量有少量O存在于制备的存在于制备的Cr薄膜层中，可能是由靶材的纯度或薄膜样品制备薄膜层中，可能是由靶材的纯度或薄膜样品制备过程中的真空度较低有关，而过程中的真空度较低有关，而不仅仅是表面污染不仅仅是表面污染。200300400500600700SurfaceSputtering 1 minC KLLCr LMMO KLLKinetic Energy / eVdN(E)/dE磁控溅射制备的铬薄膜表面清洁前后的俄歇谱磁控溅射制备的铬薄膜表面清洁前后的俄歇谱 原始表面：原始表面：除有除有CrCr元素存在外，还元素存在外，还有有C C、O O等污染杂质存在。等污染杂质存在。经过经过ArAr离子溅射清洁
31、后：离子溅射清洁后：表面的表面的C C杂质峰基本消失；但氧的特征俄杂质峰基本消失；但氧的特征俄歇峰即使在溅射清洁很长时间后，歇峰即使在溅射清洁很长时间后，仍有小峰存在仍有小峰存在。C 41表面吸附和化学反应的研究表面吸附和化学反应的研究 n由于俄歇电子能谱具有很高的表面灵敏度，可以检测到10-3原子单层，因此可以很方便和有效地用来研究固体表面的化学吸附和化学反应。n下图分别是在多晶锌表面初始氧化过程中的Zn LVV和O KLL俄歇谱。 42n当暴氧量达到50 L时：Zn LVV的线形就发生了明显的变化。 俄歇动能为俄歇动能为54.6eV的峰增强，而俄的峰增强，而俄歇动能为歇动能为57.6eV的
32、峰则降低。表明的峰则降低。表明有少量的有少量的ZnO物种生成。物种生成。n随着暴氧量的继续增加：Zn LVV线形的变化更加明显，并在低能端出现新的俄歇峰。 表明有大量的表明有大量的ZnO表面反应产物生表面反应产物生成。成。 50556065Pure Zn50 L1000 L3000 LPure ZnOKinetic Energy eVCounts a.u.54.657.651.254.2表面初始氧化过程的表面初始氧化过程的Zn LVV谱谱 Zn LVV 俄歇谱俄歇谱43n1 L的暴氧量的吸附后：的暴氧量的吸附后： 开始出现动能为开始出现动能为508.2eV的峰；的峰；n当暴氧量增加到当暴氧量增
33、加到30 L时，在时，在O KLL谱谱上出现了高动能的伴峰，通过曲线解上出现了高动能的伴峰，通过曲线解叠可以获得俄歇动能为叠可以获得俄歇动能为508.6 eV和和512.0 eV的两个峰。的两个峰。n即使经过即使经过3000 L剂量的暴氧后，在多剂量的暴氧后，在多晶锌表面仍有两种氧物种存在。晶锌表面仍有两种氧物种存在。n结果表明在低氧分压的情况下，只有结果表明在低氧分压的情况下，只有部分活性强的部分活性强的Zn被氧化为被氧化为ZnO物种，物种，而活性较弱的而活性较弱的Zn只能与氧形成吸附状只能与氧形成吸附状态。态。 5005105201 L30 L3000 LPure ZnOKinetic E
34、nergy eVCounts a.u.508.6 eV512.0 eV表面初始氧化过程的表面初始氧化过程的O KLL谱谱 O KLL俄歇谱俄歇谱508.2 eV Zn表面表面的化学吸附态氧的化学吸附态氧ZnO物种物种中的氧中的氧44薄膜厚度测定薄膜厚度测定n在单晶在单晶Si基底上制备的基底上制备的TiO2 薄薄膜光催化剂的俄歇深度剖析谱。膜光催化剂的俄歇深度剖析谱。 从图上可见，从图上可见，TiO2薄膜层的溅薄膜层的溅射时间约为射时间约为6分钟，由离子枪的分钟，由离子枪的溅射速率（溅射速率（30 nm/min），可以），可以获得获得TiO2 薄膜光催化剂的厚度约薄膜光催化剂的厚度约为为180
35、nm。该结果与。该结果与X射线荧光射线荧光分析的结果非常吻合（分析的结果非常吻合（182 nm）。）。 02468050100Sputtering Time minACPOTiSiSiTiO2 500oC 1hourAES测定测定TiO2薄膜光催化剂的厚度薄膜光催化剂的厚度 45e枪AA Ve2（TEM）电子束与样品作用后产生的粒子和波如下图电子束与样品作用后产生的粒子和波如下图: :以电子束为入射源的材料分析方法以电子束为入射源的材料分析方法46e枪2以以X-Ray为入射源的材料分析方法为入射源的材料分析方法X射线管射线管 单晶单晶/多晶多晶X射线衍射射线衍射 单色单色X-Ray X射线光电
36、子能谱分析射线光电子能谱分析 XPS 47e枪以电磁波为入射源的材料分析方法以电磁波为入射源的材料分析方法电磁波电磁波 原子吸收光谱原子吸收光谱 红外吸收光谱红外吸收光谱 紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 激光拉曼光谱激光拉曼光谱 分子发光分析分子发光分析 核磁共振波谱核磁共振波谱 48 End 1. 俄歇电子能谱分析原理。俄歇电子能谱分析原理。2. 为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法，并解释其为什么说俄歇电子能谱分析是一种表面分析方法，并解释其空间分辨率为什么很高空间分辨率为什么很高49n直接谱直接谱：俄歇电子强度密度(电子数)N(E)对其能量E的分布N(E)E。n微分谱微分谱：由
37、直接谱微分而来，是dN(E)/dE对E的分布dN(E)/dEE。俄歇电子能谱示例(Ag的俄歇能谱) 俄歇谱一般具有两种形式，直接谱直接谱(积分谱)和微分谱；50石墨的俄歇谱石墨的俄歇谱 从微分前俄歇谱从微分前俄歇谱的的N(E)看出，这部分看出，这部分电子能量减小后迭加电子能量减小后迭加在俄歇峰的低能侧，在俄歇峰的低能侧，把峰的前沿变成一个把峰的前沿变成一个缓慢变化的斜坡，而缓慢变化的斜坡，而峰的高能侧则保持原峰的高能侧则保持原来的趋势不变。俄歇来的趋势不变。俄歇峰两侧的变化趋势不峰两侧的变化趋势不同，微分后出现正负同，微分后出现正负峰不对称峰不对称。5152化学位移效应化学位移效应化学环境的强
38、烈影响常常导致俄歇谱有如下三种可能的化学环境的强烈影响常常导致俄歇谱有如下三种可能的变化：变化：( (称为化学效应称为化学效应) )锰和氧化锰的俄歇电子谱锰和氧化锰的俄歇电子谱1 1）俄歇跃迁不涉及价带，）俄歇跃迁不涉及价带，化学环境的不同将导致内化学环境的不同将导致内层电子能级发生微小变化，层电子能级发生微小变化，造成俄歇电子能量微小变造成俄歇电子能量微小变化，表现在俄歇电子谱图化，表现在俄歇电子谱图上，谱线位置有微小移动，上，谱线位置有微小移动，这就是这就是化学位移化学位移。53锰和氧化锰的俄歇电子谱锰和氧化锰的俄歇电子谱3 , 23 , 23MML5 , 43 , 23MML5 , 45
39、 , 43MML氧化锰氧化锰540540eVeV587587eVeV636636eVeV 锰锰543543eV eV 590590eV eV 637637eVeV锰锰氧化锰氧化锰542）当俄歇跃迁涉及到价电）当俄歇跃迁涉及到价电子能带时，情况就复杂了，子能带时，情况就复杂了，这时俄歇电子位移和原子这时俄歇电子位移和原子的化学环境就不存在简单的化学环境就不存在简单的关系，不仅峰的位置会的关系，不仅峰的位置会变化，而且峰的形状也会变化，而且峰的形状也会变化。变化。Mo2C、SiC、石墨和金刚石中、石墨和金刚石中碳的碳的 KLL（KVV或）俄歇谱或）俄歇谱553)能量损失机理导致的变化将改变俄歇峰能
40、量损失机理导致的变化将改变俄歇峰低能侧的拖尾峰。低能侧的拖尾峰。 由于俄歇电子位移机理比较复杂，涉及到由于俄歇电子位移机理比较复杂，涉及到三个能级，不象三个能级，不象X射线光电子能谱那样容易识别和射线光电子能谱那样容易识别和分析，并且通常使用的俄歇谱仪分辨率较低，这方分析，并且通常使用的俄歇谱仪分辨率较低，这方面的应用受到了很大的限制。面的应用受到了很大的限制。56薄膜的界面扩散反应研究薄膜的界面扩散反应研究 n在薄膜材料的制备和使用过程中，不可避免会产生薄膜在薄膜材料的制备和使用过程中，不可避免会产生薄膜层间的界面扩散反应。层间的界面扩散反应。n有些情况下，希望薄膜之间能有较强的界面扩散反应
41、，有些情况下，希望薄膜之间能有较强的界面扩散反应，以增强薄膜间的物理和化学结合力或形成新的功能薄膜以增强薄膜间的物理和化学结合力或形成新的功能薄膜层。层。n另外一些情况则要降低薄膜层间的界面扩散反应。如多另外一些情况则要降低薄膜层间的界面扩散反应。如多层薄膜超晶格材料等。层薄膜超晶格材料等。n通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以研究各元素沿深度通过俄歇电子能谱的深度剖析，可以研究各元素沿深度方向的分布，因此可以研究薄膜的界面扩散动力学。同方向的分布，因此可以研究薄膜的界面扩散动力学。同时，通过对界面上各元素的俄歇线形研究，可以获得界时，通过对界面上各元素的俄歇线形研究，可以获得界面产物的化学信息，
42、鉴定界面反应产物。面产物的化学信息，鉴定界面反应产物。 57薄膜的界面扩散反应研究薄膜的界面扩散反应研究 难熔金属的硅化物是微电子器件中广泛应用的引线材料和欧母结材料，是大规模集成电路工艺研究的重要课题，目前已进行了大量的研究。图是Cr/Si薄膜在热处理后形成界面扩散反应后样品的俄歇深度分析图。从图上可见，薄膜样品在经过热处理后，已有稳定的金属硅化物层形成。同样，从深度分析图上还可见， Cr表面层已被氧化以及有C元素存在。这主要是由热处理过程中真空度不够以及残余有机物所引起的。此外，界面扩散反应的产物还可以通过俄歇线形来鉴定。 048121604080CrOCSiSiCrSiCrSputter
43、ing Time MinAtomic Concentration AES研究Cr/Si的界面扩散反应 58界面扩散反应研究 从图可见，金属Cr LMM谱为单个峰，其俄歇动能为485.7 eV，而氧化物Cr2O3也为单峰，俄歇动能为484.2 eV。在CrSi3硅化物层以及与单晶硅的界面层上，Cr LMM的线形为双峰，其俄歇动能为481.5 和485.3 eV。可以认为这是由CrSi3金属硅化物所产生。硅化物中Cr的电子结构与金属Cr以及而氧化物Cr2O3的是不同的。形成的金属硅化物不是简单的金属共熔物，而是具有较强的化学键存在。该结果还表明不仅在界面产物层是有金属硅化物组成，在与硅基底的界面扩
44、散层中，Cr也是以硅化物的形式存在。 470480490Cr2O3Spt.1 MinSpt. 6 MinSpt.10 MinPure Cr485.7 eV484.2 481.5 485.3 Kinetic Energy eVCounts a.u. 在不同界面处的Cr LMM俄歇线形59界面扩散反应研究n从图可见，金属Cr的MVV俄歇线的动能为32.5 eV, 而氧化物Cr2O3的MVV俄歇线的动能为28.5 eV。在金属硅化物层及界面层中，Cr MVV的俄歇动能为33.3 eV，该俄歇动能比纯金属Cr的俄歇动能还高。根据俄歇电子动能的讨论，可以认为在金属硅化物的形成过程中，Cr不仅没有失去电荷
45、，并从Si原子得到了部分电荷。这可以从Cr和Si的电负性以及电子排布结构来解释。Cr和Si原子的电负性分别为1.74和1.80，表明这两种元素的得失电子的能力相近。而Cr和Si原子的外层电子结构分别为3d54s1和3s13p3。当Cr原子与Si原子反应形成金属硅化物时，硅原子的3p电子可以迁移到Cr原子的4s轨道中，形成更稳定的电子结构。 25303540Cr2O3Spt.1 MinSpt. 6 MinSpt. 10 MinPure Cr32.5 eV33.3 eV28.5 eVCounts a.u.Kinetic Energy eV图29 在不同界面处的Cr MVV俄歇线形60固体表面离子注
46、入分布及化学状态的研究固体表面离子注入分布及化学状态的研究 n通过俄歇电子能谱的深度剖析，不仅可以研究离子注入元素沿深度方向的分布，还可以研究注入元素的化学状态。n图是SnO2薄膜经离子注入Sb后的薄膜的俄歇深度分析图。从图上可见，离子注入层的厚度大约35nm，而注入元素的浓度达到12%。仅从Sb离子的注入量和分布很难解释离子注入薄膜的电阻率的大幅度降低。 00.61.21.80204060SbSnOOSnSbSputtering Time MinAtomic Concentration离子注入Sb的SnO2气敏薄膜的俄歇深度分析图 61固体表面离子注入分布及化学状态的研究固体表面离子注入分布
47、及化学状态的研究n图是沿注入方向的Sn MNN俄歇线形变化。在注Sb膜层中，Sn MNN的俄歇动能为422.8 eV和430 .2 eV，介于金属锡和SnO2之间。显然在离子注入层中，Sn并不是以SnO2物种存在。在注Sb层中，Sn MNN的俄歇动能比无Sb层低，说明Sn的外层轨道获得了部分电子，这与UPS的研究结果是一致的。 420430440Pure SnSpt. 0.6 MinSpt. 0.8 MinPure SnO2Kinetic Energy eVCounts a.u.421.5 eV428.7 eV422.4 429.7 422.8 430.2425.5433.4在离子注Sb薄膜层
48、中的Sn MNN 线形 62固体表面离子注入分布及化学状态的研究固体表面离子注入分布及化学状态的研究n从Sb MNN的俄歇线形也可见，在注入层中，Sb MNN的俄歇动能为450.0 eV和457.3 eV，而纯Sb2O3的俄歇动能为447.2 eV和455.1eV。表明离子注入的Sb并不以三价态的Sb2O3存在，也不以金属态存在。由此可见，离子注入Sb薄膜的电阻率的降低不是由于金属态的Sb所产生的。这与Sb与SnO2的相互作用有关。Sb中的部分5p轨道的价电子转移到Sn的5s轨道，改变了薄膜的价带结构，从而促使薄膜导电性能的大幅度提高。440450460SbImplantedLayerSb2O
49、3Pure460.3451.5447.2 eV455.1 eV450.0457.3Kinetic Energy eVCounts a.u.在Sb离子注入薄膜层中Sb MNN俄歇线形 63固体化学反应研究固体化学反应研究 n俄歇电子能谱在薄膜的固体化学反应研究上也有着重要的作用。金刚石颗粒是一种重要的耐磨材料，经常包覆在金属基底材料中用作切割工具和耐磨工具。为了提高金刚石颗粒与基底金属的结合强度，必须在金刚石表面进行预金属化。 64固体化学反应研究固体化学反应研究 n图是金刚石表面镀Cr样品的俄歇深度分析图。从图上可见，在金刚石表面形成了很好的金属Cr层。Cr层与金刚石的界面虽有一定程度的界面扩
50、散，但并没有形成稳定的金属化合物相出现。在高真空中经高温热处理后，其俄歇深度剖析图发生了很大的变化。 0102030020406080100Sputtering Time minACP CCrOCrCCr/金刚石原始薄膜的俄歇深度分析 65固体化学反应n从图可见，热处理后，在Cr/C界面上发生了固相化学反应，并形成了两个界面化学反应产物层。表面层为CrC物种，而中间层为Cr3C4物种。010203040506070020406080100Sputtering Time minACP CCrOCrCDepth BDepth CDepth ACr/金刚石薄膜经真空热处理后的俄歇深度分析 66固体化
