俄歇电子能谱（AES）到底可以用来测什么？

1.俄歇电子能谱研究化学组态

（1）原子“化学环境”指原子的价态或在形成化合物时，与该(元素)原子相结合的其它(元素)原子的电负性等情况           
如：原子发生电荷转移(如价态变化)引起内层能级变化，从而改变俄歇跃迁能量，导致俄歇峰位移； 

（2） 原子“化学环境”的变化不仅会引起俄歇峰的位移（称为化学位移），还会引起俄歇峰强度的变化。这两个变化的重叠将导致俄歇峰的变化（图）。

（3） 俄歇跃迁涉及三个能级。当元素的化学状态发生变化时，能级状态变化不大。结果，这些俄歇电子峰与零价态的峰相比有几个电子伏特的位移。因此，从俄歇电子峰的位置和形状可以知道样品表面原子的化学环境或化学状态的信息。

2、定性分析

根据：俄歇电子的能量只与原子本身的轨道能级有关，与入射电子的能量无关。对于特定的元素和特定的俄歇跃迁过程，其俄歇电子的能量是特征的。因此，可以根据俄歇电子的动能定性地分析样品表面材料的元素种类。

方法：实际分析的俄歇电子能谱是样品中各种元素的俄歇电子能谱的组合。定性分析的方法是将测得的俄歇电子能谱与纯元素的标准谱进行比较，并通过比较峰的位置和形状来确定元素的类型。

（1） 俄歇电子能谱定性分析方法适用于除氢、氦以外的所有元素，且每个元素都有多个俄歇峰，因此定性分析的准确度很高。

（2） AES技术适用于所有元素的一次全分析，对未知样品的定性鉴别非常有效。

（3）为了增加谱图的信背比，通常采用俄歇谱的微分谱的负峰来进行定性鉴定。

（5） 由于原子序数相近的元素激发的俄歇电子的动能差别很大，因此相邻元素之间的干扰很小。

定性分析的一般步骤

（1） 利用“主俄歇电子能量图”，确定了可能对应于被测光谱中最强峰的几个元素（一般为2和3）；

（2） 将测得的光谱与几种可能元素的标准光谱进行比较，以确定与最强峰对应的所有峰；

（3） 重复上述步骤，以确定测量光谱中未确定的剩余峰。注：化学环境对俄歇光谱的影响使定性分析变得困难（但也为研究样品的表面状况提供了有用的信息），因此应注意鉴别。

3、定量分析或半定量分析

俄歇电子强度与样品中对应原子的浓度有线性关系，据此可以进行元素的半定量分析。

俄歇电子强度除与原子的浓度有关外，还与样品表面的光洁度、元素存在的化学状态以及仪器的状态（谱仪对不同能量的俄歇电子的传输效率不同）有关，谱仪的污染程度、样品表面的C和O的污染、吸附物的存在、激发源能量的不同均影响定量分析结果，所以，AES不是一种很好的定量分析方法，它给出的仅仅是半定量的分析结果。

根据测得的俄歇电子信号的强度来确定产生俄歇电子的元素在样品表面的浓度。元素的浓度用原子分数C表示。C即样品表面区域单位体积内元素X的原子数占总原子数的分数（百分比）。定量分析方法有以下两种：

(1) 标准样品法

纯元素标样法：在相同条件下测量样品中元素X和纯元素X标样的同一俄歇峰，俄歇电子信号强度分别为Ix和Ixstd，则：         

Cx ＝Ix / Ixstd 

多元素标样法：用多元素标样（各元素浓度均已知）代替纯元素标样，标样的元素种类及含量与样品相近。设Cxstd为标样中元素X的原子分数，则：

Cx ＝Cxstd Ix / Ixstd 

因需提供大量标样，所以，实际分析中标准样品法应用不多。

(2) 相对灵敏度因子法

该法是将各元素产生的俄歇电子信号均换算成纯Ag当量来进行比较计算。具体过程：在相同条件下测量纯元素X和纯Ag的主要俄歇峰强度Ix和IAg，比值Sx＝Ix / IAg即为元素X的相对灵敏度因子，表示元素X产生俄歇电子信号与纯Ag产生的相当程度。这样，元素X的原子分数为：

式中，为Ii样品中元素i的俄歇峰强度，Si为元素i的相对灵敏度因子，可从相关手册中查出。因此，只要测出样品中各元素的俄歇电子信号强度，查出相应元素的Si ，即可计算各元素的浓度，而不需要任何标样。故相对灵敏度因子法最常用。

4、成分深度分析

AES的深度分析功能是AES最有用的分析功能，主要分析元素及含量随样品表面深度的变化。

镀铜钢深度分析曲线

采用能量为500eV～5keV的惰性气体氩离子溅射逐层剥离样品，并用俄歇电子能谱仪对样品原位进行分析，测量俄歇电子信号强度I （元素含量）随溅射时间t（溅射深度）的关系曲线,这样就可以获得元素在样品中沿深度方向的分布。

在经过界面反应后，在PZT薄膜与硅基底间形成了稳定的SiO2界面层。这界面层是通过从样品表面扩散进的氧与从基底上扩散出的硅反应而形成的。

溅射产额与离子束的能量、种类、入射方向、被溅射固体材料的性质以及元素种类有关。

多组分材料由于其中各元素的溅射产额不同，溅射产额高的元素被大量溅射掉，而溅射产额低的元素在表面富集，使得测量成分发生变化，称之为择优溅射。有时择优溅射的影响很大。如上图。

工作模式有两种：

1)连续溅射式：离子溅射的同时进行AES分析；   2)间歇溅射式：离子溅射和AES分析交替进行。

离子溅射深度分布分析是一种破坏性分析方法。离子的溅射过程非常复杂，不仅会改变样品表面的成分和形貌，有时还会引起元素化学价态的变化。溅射产生的表面粗糙也会大大降低深度剖析的深度分辨率。溅射时间越长，表面粗糙度越大，解决方法是旋转样品，以增加离子束的均匀性。

5、微区分析

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。

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。

（1）选点分析

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。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。

a. 在正常样品区，表面主要有Si, N以及C和O元素存在;

b. 而在损伤点，表面的C,O含量很高，而Si, N元素的含量却比较低;

c. 说明在损伤区发生了Si3N4薄膜的分解。

(2)线扫描分析

俄歇线扫描线扫描分析可以在微观和宏观的范围内进行(1～6000微米)，可以了解一些元素沿某一方向的分布情况。

横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号强度

（3）面扫描：元素面分布分析

可以把某个元素在某一区域内的分布以图像的方式表示出来。

6、俄歇电子能谱分析的特点

(1)分析层薄，0～3nm。AES的采样深度为1～2nm，比XPS(对无机物约2nm，对高聚物≤10nm)还要浅，更适合于表面元素定性和定量分析。

(2)分析元素广，除H和He外的所有元素，对轻元素敏感。

(3)分析区域小，≤50nm区域内成分变化的分析。由于电子束束斑非常小，AES具有很高的空间分辨率，可以进行扫描和在微区上进行元素的选点分析、线扫描分析和面分布分析。

(4)可获得元素化学态的信息。

(5)具有元素深度分布分析的能力，需配合离子束剥离技术。

(6)定量分析精度还不够高。

俄歇电子能谱现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段。在材料研究领域具有广泛的应用前景。

本文来源：百家号、小木虫