天游线路检测中心 俄歇电子能谱 (AES)
什么是俄歇电子能谱 (AES)
微小和极端表面的探索者
JEOL 俄歇电子能谱仪“JAMP-9510F 场发射俄歇微探针”
俄歇电子能谱 (AES) 是阐明与材料表面相关的各种现象的强大分析方法之一。这个领域还有很多未知的领域，所获得的信息不仅本身就非常有趣，而且对于各种材料的开发也是不可或缺的。预计它将继续在越来越广泛的领域得到应用。
当用窄聚焦电子束照射材料表面时，它是从样品的最表层开始俄歇电子会飞出去。这些电子具有特定于元素类型的能量。通过测量这些俄歇电子的能量，我们可以找出在固体极端表面的微观区域中以什么化学状态存在的元素种类，并且通过检查其强度，我们可以找出该元素的存在量。
俄歇电子能谱 (AES) 原理
俄歇电子从原子中跳出
现在，我们来解释一下什么是俄歇电子，它是材料表面结构分析的关键。
图1俄歇电子产生原理图
如图1所示，原子的原子核周围有电子。这些电子以固定数量存在于称为 K 能级、L 能级等的位置。此外，当电子移动到 K、L 和 M 的外能级时，电子的能量会增加。
另外，K、L、M等电子的能量是由元素决定的。
现在，当高速电子从外部飞入这样的原子时，它可能会与K能级的电子碰撞并将电子弹出原子（图1（a））。然后，K能级失去一个电子，例如L能级的一个电子落入其中。这是因为原子总是试图通过达到最低能态来变得稳定。当电子从高能L能级下降到低能K能级时，它们具有过剩的能量。这些额外的能量会从原子中散发出来，但它有两种散发方式。
(1) 它以X射线的形式发射能量（图1(b)）。
(2) L能级的电子接收能量并飞出（图1（c））。
这种情况（2）称为KLL俄歇跃迁，跳出的电子称为俄歇电子。它以第一个发现它的 P Auger 的名字命名。
这个俄歇电子所拥有的能量是L能级电子和K能级电子的能量差减去跳出原子所需的能量。该值特定于原子类型，大约为几个 10eV 到 3000eV。具有这种能量水平的电子在固体中不损失能量所能移动的距离至多只有几纳米（纳米：百万分之一毫米），因此即使俄歇电子是从固体表面深处产生的，它们也会在途中损失能量而无法从表面逃逸。因此，只有非常接近表面的原子产生的俄歇电子才会从固体表面逸出并被检测到。这就是为什么俄歇电子能谱仪是一种表面分析设备。
XPS（X射线光电子能谱）也被广泛用作相关的表面分析方法。点击此处了解详情。
俄歇电子能谱仪的机理
让我们使用图 2 来解释该设备的机制。电子枪产生的电子束通过透镜缩小范围，照射到样品表面。使用偏转线圈在样品表面上扫描这种精细聚焦的电子束，从而可以选择分析点并观察俄歇图像。
图2 JAMP-9500F截面及原理图
从俄歇光谱获得的信息
从样品表面发射的电子经过称为HSA（静电半球分析仪）的能量分析装置。当施加到 HSA 的电压确定后，只有具有与该电压相对应的能量的电子才会穿过 HSA 并被检测到。
因此，通过检查在扫描施加到 HSA 的电压时检测到的电子量，可以检测与二次电子和背散射电子混合的俄歇电子，并且通过检查它们的峰值能量，可以确定样品表面上存在哪些元素。由于二次电子和反射电子的背景大而俄歇峰小，因此对检测到的电子的光谱进行微分显示，使俄歇峰更容易看到。横轴对应于俄歇电子的能量，纵轴对应于俄歇电子的数量。图 3 显示了俄歇光谱。
图3俄歇谱（无铅焊料）Sn/Ag/Cu/Bi体系
配备扫描电子显微镜功能
当物质被电子束击中时，也会释放出称为二次电子的电子。通过检测这些电子，可以像使用普通扫描电子显微镜一样观察样品的形态。
此外，还发射提供有关样品的重要信息的背散射电子和特征X射线，因此可以安装所有这些探测器。
使用俄歇图像进行可视化
通过在样品表面上扫描电子束，测量样品上每个点的俄歇电子数量，并用颜色对应地显示数量，可以获得如图 4 所示的俄歇图像。图 3 和图 4 中的示例是无铅焊料（锡-银-铜-铋系统）样品的数据。
图4左上为样品的二次电子像（表示样品的形貌），左下为银俄歇像，右下为铜俄歇像。右上图显示了这两个俄歇图像，它们按颜色分开（银为绿色，铜为红色）并叠加在二次电子图像上。您可以一目了然地看到银和铜在样品表面的分布情况。
图 4 银和铜（无铅焊料）Sn/Ag/Cu/Bi 系统的俄歇图像
了解深度方向的元素分布
分析表面时，表面不能脏，因此分析样品的房间保持超高真空状态。即便如此，也很难从一开始就将附着在样品表面的污垢去除，因此需要使用离子枪，用离子轰击样品表面，将污垢敲落并清洗干净。通过使用这种离子枪，您不仅可以清洁样品的表面，还可以逐渐刮削样品，因此通过重复测量俄歇光谱和刮削的过程，您可以看到元素在深度方向上的分布情况。
图 5 中的示例是焊球样品的数据。如前所述，该数据显示了元素在深度方向上的分布。横轴对应于深度方向，纵轴对应于各元素的俄歇电子量。
该结果表明，在该样品的表面检测到了氧和锡，表明其被氧化锡覆盖。该氧化层的厚度会影响焊球的粘附性和导电性等性能，因此正在进行研究以确定制造条件和存储环境的差异如何影响氧化层的厚度。
图 5 按元素（焊球）划分的深度分布
了解化学态
前述的焊球性能也受到氧化层是SnO2还是SnO的影响，因此测量锡的化学状态很重要。配备HSA的JAMP-9500F可以进行各种元素的化学状态分析。图6显示了SnO2、SnO和金属Sn的标准光谱。如果一个原子与另一个原子键合，峰位置可能会移动或者光谱的形状可能会改变。换句话说，可以看出光谱形状根据化学状态而不同。
图6 金属Sn、SnO和SnO2的标准光谱
通过使用这些标准光谱对图 5 中的测量获得的光谱进行数学分离，可以获得按化学状态的深度分布。图 7 显示了该化学状态分析的结果。
该结果表明表面由SnO2（四价）构成，并且二价锡（SnO）存在于与金属锡的界面处。
图 7 按化学状态（焊球）划分的深度分布
螺旋微探针挑战极小的区域
俄歇电子能谱仪具有高性能的电子光学系统，可以将电子束聚焦得极窄，因此它的优点是能够分析极小的区域，甚至小至10纳米（1/100,000毫米）的物体。
对于半导体、陶瓷、金属等，整个材料的物理性质往往由每种材料的极端表面或微观区域的组成元素及其化学状态决定，因此适用于表面分析和微观区域分析的俄歇电子能谱在未来将变得越来越重要。
JEOL 的“JAMP-9510F 场发射俄歇微探针”是一款高规格俄歇电子能谱仪，配备了静电半球分析仪，可实现纳米至微米区域化学键状态的高通量分析，以及提供稳定大电流的场发射电子枪，也用于 EPMA。配备高精度优心样品台和浮动离子枪，可实现以前认为不可能的绝缘体分析，无论样品如何，从金属样品到绝缘体样品，从成分信息到化学信息，它都具有多功能性。
