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欧杰电子能谱仪

发布时间:2020-07-18作者: 阅读:(229)

欧杰电子 (Auger electron)的产生现象,最先是由法国人Pierr Auger于1924年所发现,故以欧杰电子为名。欧杰电子能谱术 (Auger electron spectroscopy,AES),是利用一电子束(能量约为 3 keV 或 5 keV )聚焦成微米大小打在样品表面上,使该样品表面原子产生欧杰电子,藉由半球形能量分析仪 (Concentric Hemispherical Analyzer,CHA) 捕捉分析欧杰电子的特徵动能,即可研判表面元素成分及其化学态。此外,欧杰电子的产生涉及三个电子轨域,因此有很好的鉴别特性,因而使欧杰电子能谱术成为表面分析的利器[1]。

欧杰电子的原理及分析

欧杰电子能谱仪

欧杰电子的产生机制如图1所示,图中所示为一个原子内层电子的能阶,我们利用光子能谱的能阶符号,分别以 KLM 等来表示不同的能阶。

当原子的内层轨域中有电子受到一动能大于内层电子束缚能的入射电子而激发游离时,在内层轨域便产生了一个空洞。为了降低此原子激发态的系统能量,此空洞会由较高能阶的电子来递补,在递补的过程中会释放出能量。若此释放之能量被外层的电子所吸收,且若此能量大于外层电子的束缚能时,外层的电子则可获得一动能而游离成为自由态,此自由态的电子便称为欧杰电子。因此,欧杰电子的能量涉及了三个电子轨域,因此每种元素的欧杰电子特性能量皆不同。在图1 (c) 中, K 能阶上的一个电子已被入射电子游离了, L1 能阶的电子填充 K 层的空洞,多余的能量使另一 L2 能阶的电子被游离释出,称为 KL1L2 欧杰跃迁。由于整个欧杰电子产生过程中, L1 (2s)能阶的电子填充 (1s) 层的空洞乃是受库侖作用力影响,并不会放出光子,因此整个跃迁不受到选取法则 (selection rule) 的影响。

欧杰电子能量为 EAuger = EK-EL1-EL2,3-φ ,明显和入射电子能量无关, φ 为材料之功函数。由于牵扯到元素中电子壳层的三个轨域能量差,所以能发射欧杰电子最轻的原子是 Be ,因为 H 和 He 及单个 Li 原子因为其电子数皆少于三,所以无法产生欧杰电子。

欧杰电子的探测深度因电子的散射截面及自由程,有效讯息只约 10埃 左右,若配合扫瞄式电子显微镜系统,可得知元素的三度空间分布情形;配合离子枪则可做深度分析的工作。

一般而言欧杰电子能谱多以微分形式 (dN/dE) 来读取[2],微分能谱乃是将电子讯号强度对电子动能微分所得之能谱,能谱图扫出来的峰值 (peak) 底下面积恰为具有该特徵能量的欧杰电子数,我们计算面积的方式是考虑它的峰宽,中心点重置于原点之后利用高斯函数来近似此峰[2]。实验中所使用微分后的讯号强度 (dN/dE AES intenstiy) 即是以微分之后的能谱图(图2)中一段特徵能量最高峰与最低峰的差值,来表示该特徵能量的电子数,间接代表对应元素的含量。微分能谱还有另一个优点:除去背景杂讯,使特徵能量峰值较为明显,如此若材料表面有即微量的氧或碳,仍然可以量测得出来。

欧杰电子能谱仪

此外要分辨所量测到电子能谱的讯号峰,是欧杰电子亦或是吸收电子束能量而被激发的核心电子所贡献,仅需要将入射电子束的能量改变即可确定,如为欧杰电子讯号峰,则不会随着电子束能量改变而有所漂移。


参考资料
[1]  G. Ertl, J. Kuppers(1985),「Low-Energy Electrons and Surface Chemistry」,VCH。
[2]  陈信良(1997),国立台湾师範大学物理所硕士论文。

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