俄歇電子

俄歇電子：原子內層電子被激發電離形成空位，較高能級電子躍遷至該空位，多餘能量使原子外層電子激發發射，形成無輻射躍遷，被激發的電子即為俄歇電子。它一般源於樣品表面以下幾個nm，多用於表面化學成分分析，原子最少要含三個以上電子才能產生俄歇電子。

基本介紹

• 中文名：俄歇電子
• 外文名：Auger electron
• 發現者：[法]皮埃爾·維克托·俄歇
• 相關現象：俄歇效應
• 所屬領域：原子物理

簡介

俄歇電子是由於原子中的電子被激發而產生的次級電子。當原子內殼層的電子被激發形成一個空洞時，電子從外殼層躍遷到內殼層的空洞並釋放出能量；雖然能量有時以光子的形式被釋放出來；這種能量可以被轉移到另一個電子，導致其從原子激發出來。這個被激發的電子就是俄歇電子。這個過程被稱為俄歇效應，以發現此過程的法國物理學家P.V.俄歇命名。

歷史背景

俄歇現象於1925 年由 P .Auger 發現。 28 年以後，J .J .Lander 指出電子激發的俄歇電子可以用於檢測表面雜質，但是要從噪聲中檢測出十分微弱的俄歇電子信號，當時技術上尚無法實現 。

1968年，L.A .Harris 提出了一種“相敏檢測” 方法 ， 大大改善了信噪比，使俄歇信號的檢測成為可能。以後隨著能量分析器的完善 , 使俄歇譜儀達到了可以實用的階段 。

1970 年通過掃描細聚焦電子束, 實現了表面組分的兩維分布的分析(所得圖像稱俄歇圖)，出現了所謂的掃描俄歇微探針。

1972 年 ，R .W .Palmberg利用離子濺射，將表面逐層剝離，獲得了元素的深度分析，實現了三維分析。至此，俄歇譜儀的基本格局已經確定，開始被廣泛使用。

俄歇電子的產生

當一束單色能量的電子束入射某樣品時，則從該樣品發射出具有不同能量的出射電子。出射電子按其能量分布的曲線有如下特徵：在入射電子能量處有一尖銳的峰稱彈性反射峰。在0 ～ 50eV 處有一寬峰 ,它是由入射電子經多次非彈性散射的二次電子組成。在上述兩者之間存在著十分微弱的，疊加於背景信號上的小峰，其中包含有俄歇電子的信號。俄歇電子的發射過程是一種激發態電離原子的非輻射的退激發過程。對固體樣品而言，俄歇電子發射過程如下（如圖1），當有外來輻射、即入射電子束(大多數實用情況)或 X 射線(個別情況)作用樣品時,一個電子從原子內殼層軌道(K)出射(電離)，其留下的空位立即被較外殼層(L₁)的電子填充 , 在此過程中多餘的能量可以通過發射特徵 X 射線釋放(螢光過程)，或交給另一殼層軌道(L₂,₃₎上的電子 ,使其從原子出射 。此即為俄歇躍遷過程，其出射的電子稱俄歇電子。

圖1 俄歇電子發射

因為俄歇電子的能量 E_K 是由相應的三個能級的電子結合能決定的, 而後者是代表元素原子種類特徵，因此原則上測得 E_K 即可判定元素之種類，關鍵是要測出俄歇電子N(E)隨能量(E)的分布，即N(E)～ E 曲線, 或稱為俄歇譜。俄歇譜可以由一個或多個俄歇峰組成, 每個俄歇峰對應每一個特定的俄歇躍遷過程 。用以測錄俄歇譜的設備為俄歇(電子)譜儀。在實際工作中 , 以測錄的俄歇譜和標準手冊提供的圖譜，通過一定的方法，以判定原子的種類和濃度。

電子的非彈性碰撞自由程

俄歇電子在樣品內產生，攜帶有樣品原子的特徵信息， 在逸出表面之前，若和樣品原子發生了各種非彈性散射過程(包括單電子激發和電離，等離子激發, 聲子激發等)而改變了原有動能值，則其攜帶的信息將丟失。由此，只有那些在逸出表面前未發生非彈性碰撞的電子才是有意義的 。

圖2 非彈性碰撞平均自由程和電子動能關係

由於常用的俄歇電子的能量均在 2keV 以下,因此大致上只有在表面 2nm 深度範圍內發射的俄歇電子才能不改變原攜帶的信息而逸出體外。這就是俄歇譜儀之所以表面靈敏的原因。值得指出的是，以上討論也適用其它過程產生的電子，如 X 光電子譜儀的情況。

俄歇電子譜的測量

俄歇電子譜是俄歇電子信號 N(E)隨其動能 E的分布。有兩種表達方式，分別為直接譜和微分譜。

直接譜 N(E)～ E

對於直接譜而言，此時俄歇電子信號 N(E)以背景之上的俄歇電子峰的高度或俄歇峰所覆蓋的面積表示。譜圖保留了豐富的化學信息，隨著弱信號測量技術的進步和高能量分辨俄歇電子譜儀的套用，此種測量方式日益受到重視。

微分譜 dN(E)/dE ～ E

在微分譜中，dN(E)/dE 為俄歇電子信號對能量的一次微分，此時俄歇電子信號強度以微分譜的正、負峰的峰與峰的高度差表示，常稱為峰-峰值。

能量特性

俄歇電子具有特徵性能量，其能量與釋放俄歇電子的原子中的電子轉移有關。俄歇電子的釋放是釋放特徵性x射線的替代形式。俄歇電子的能量EA可由下面式子得出：

E_A=E_1-E₂-E_3，

其中，E₁為具有內殼層空位的原子能量，E₂為具有外殼層空缺的原子能量，E₃為（俄歇）電子的結合能。

套用

俄歇電子能譜儀，是根據分析俄歇電子的基本特性所得到材料有關表層化學成分的定性或定量信息的儀器。主要套用於表層輕微元素分析。今年來，由於超高真空（ Pa）和能譜檢測技術的發展，俄歇譜儀作為一種極為有效的表面分析工具，為探索和澄清許多涉及表面現象的理論和工藝問題，做出了十分可貴的貢獻，日益受到人們的普遍重視。