第三章 固体表面研究的基础试验方法

表面科学，是在原子水平上对表面的反映、现象进行研究 ? 表面检测

几何结构的检测：原子重排，吸附位置，键角，键长 化学成份的检测：元素及其深度

理化性能的检测：氧化态，化学、电子及机械性能 ? 测量技术要求

1、区分表面和体相，要求所用到的技术必须是表面灵敏的； 2、仪器灵敏度非常高；

3、要测量无污染表面，必须在超真空条件下进行； 4、必须有信号载体； 5、样品表面可控

? 信号载体的探针包括：

电子、离子、光子、中性粒子、热、电场、磁场等 ? 现代表面分析技术的分类

按探测粒子或发射粒子分类：电子谱，光谱，离子谱，光电子谱 按用途分类：组分分析，结构分析，电子态分析，原子态分析

? 为什么要真空？

无碰撞条件；维持清洁表面

? 一、俄歇电子能谱AES（Auger Electron Spectroscopy）

? 俄歇过程：

俄歇电子在低原子(Z<15)的无辐射内部重排发射出来，其步骤为：

1、入射电子撞击原子，使其离子化，然后发射出内部电子离开芯能级； 2、高能电子掉入芯能级；

3、第二步中产生的能量激发了另一个电子，一般来自于同一壳层 ? 俄歇电子动能：

KE=E1s-E2p-E2p，与入射电子能量无关，只与电子能级能量差有关。由于不同原子的轨道能量不一样，俄歇电子动能不一样，因此能做定性分析。 ? 俄歇电子标记

? K系列俄歇跃迁：

同一空穴可以产生不同俄歇跃迁，当初始空穴在K能级时，就出现K系列跃迁，如KLL，KLM，KMN ? 俄歇群：

同一主壳层标记的次壳层不同的俄歇跃迁，如KL1L1，KL1L2，KL1L3，KL2L3 ? C-K（Coster-Kronig）跃迁：

初始空穴和填充电子处于同一主壳层的不同次壳层，如LLM，MMN。 特点：跃迁速度非常快 ? 超C-K跃迁：

三个能级处于同一主壳层；如：LLL，MMM （H、He无俄歇跃迁，Li有）

一般：Z<15: KLL; Z: 16~41, LMM; Z>42, MNN ? 能量分析器：

用来测量从样品中发射出来的电子的能量分布，分辨率（δ=E/ΔE1/2，ΔE1/2为能量的半高宽） ? 柱偏转分析器（127°-CDA）：

半球形分析器（CHA/SDA）；平面镜分析器（PMA）；筒镜分析器（CMA） ? 检测器：

通道式电子倍增管；打拿极式倍增管

? 能量分布涉及4个电子：原始入射电子（P），激发的二次电子（s），跃迁

电子(t)，俄歇电子（若跃迁电子或俄歇电子是价带电子，谱线宽化） ? 背景分析

碰撞能量损失、二次电子损失。产生背底 ? X-射线荧光

去激发过程中，产生俄歇电子，或X-射线荧光，其几率和为1。 当Z=33时，两者几率相等 ? 平均逃逸深度和平均自由程：

俄歇电子能够逃出样品的数量（N）与取样深度（z）以及俄歇电子的平均自由程（λ）有关：

N0：总的Auger电子数，（z=3λ时，N/N0=5％）

? ?

?

?

当入射电子能量/轨道电子能量=2.7时，电离几率最大

化学位移：元素所处化学环境的变化导致俄歇电子能量位移 （电负性越大，位移越大，俄歇电子能量越低）

AES应用：1、表面成分分析（可以用作表面元素种类、化学价分析，检测表面是否清洁）；2、化学环境分析；3、深度剖析（给出样品不同深度原子浓度分布情况，离子束）；4、界面分析（薄膜界面元素分布和原子浓度变化）；5、金属薄膜生长模式分析；6、微区成像分析 电子束在表面扫描：表平面元素分布情况 离子束溅射刻蚀：样品不同深度元素分布信息

化学环境差异，峰位置移动，峰型变化，得到化学信息 定性分析（能量）

总结：对照，比较，再选取，确定 ? 定量分析（数量）

标样法：I=kN 灵敏因子分析法： 灵敏因子：在给定的试验条件下，各种元素的特征俄歇跃迁在经历了样品内部各过程后，俄歇电子溢出表面的几率

在灵敏因子相互独立的仪器因子相同时：不同元素的相对浓度（原子百分比）：

Ci=

Ni Ii Si

= Nj Ij Sj

? Auger电子的特征能量计算

能量守恒原理：EZXY=EZ Z ?EX Z ?EY Z 经验公式： 实际计算公式：

电离截面是指原子被入射粒子电离产生空穴的几率。