液滴模型在AES中的应用研究

液滴模型在AES 中的应用研究

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摘要：在现代材料表面分析当中，材料信息的来源是一个值得关注的课题，而液滴模型作为一种对材料信息来源的一种理论解释，可以很好的解释在材料进行分析中各种信息的产生过程和特性，对正确解释相关电子显微分析仪器的工作原理和显微图像及显微分析结果有非常重要的指导作用。本文介绍了液滴模型在AES 分析当中的应用及影响因素。

关键词：AES ，液滴模型，信息深度

绪论

AES 作为一种非常重要的表面分析手段，被广泛应用于传统的金属和合金的分析以及现代纳米薄膜技术和微电子技术等领域。正确解释材料信息来源及信息产生过程和特性，对材料表面分析的理论研究、分析方法的改进和材料的性能研究及控制都有着非常重要的作用。而液滴模型能够对信息产生的过程和特性作出正确的解释；但是，液滴模型因受到一些因素的影响（如入射粒子能量，原子序数，样品倾斜角度以及样品的磁性和导电性）而有所差异；正是这些因素对液滴模型的影响；导致在材料表面分析当中，表现出的信息深度和分辨率有所不同。 1 液滴模型的产生

AES 采用的是电子束（或X 射线）作为入射源；激发出样品表面的Auger 电子，通过分析Auger 电子的能量或强度，可获得元素种类、含量和分布、以及化学态等信息；固体中俄歇电子激发过程如图1所示。

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图1 固体中俄歇电子激发过程

电子是一种带负电的粒子，当一束高能量、细聚焦的电子束研一定方向入射到固体样品时，入射电子在与样品物质之间存在库仑电场作用下同样品物质发生强烈的相互作用，产生弹性散射和非弹性散射，引起电子在样品中的横向和纵向扩散，并在扩散过程当中，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。由于相互作用区的形状与液滴相似，因才被成为液滴模型；液滴模型及样品信息产生区域如图1所示。

图2 液滴模型

2 液滴模型的影响因素

在液滴模型当中，由于入射电子与样品物质原子核和核外电子作用，引起入射电子的运动方向偏离初始运动方向，并伴有能量交换，其自身能量不断衰减，甚至被样品所吸收，从而限制了入射电子在样品中的扩散范围；这个扩散范围也就是液滴模型的形状和大小。而液滴模型的形状、大小收到样品物质的原子序数，样品倾斜角度，入射电子能量的影响。同时，样品的磁性及导电性也对液滴模型有着影响。

2.1 入射电子能量的影响

AES 入射粒子采用的是电子束，电子束在加速电压的作用下具有很高的能量，且加速电压的改变会导致电子的能量发生改变；而当入射电子束能量变化时，液滴的形状和大小也将随之发生改变。入射电子束的能量越高，入射电子穿过某段

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特定长度的样品过程中能量损失越小，电子能够穿透样品的深度越大，液滴体积越大，信息采集深度也就越深。入射电子束的能量对液滴模型的影响如图3所示；其中，a 与b 的原子序数相同，b 的加速电压高于a ，即b 入射电子束的能量高于a 入射电子束能量。

图3入射电子能量对液滴模型的影响

2.2原子序数的影响

原子是有原子核及核外电子构成，原子序数越大，其核外电子数目也就越多。

AES 入射源为电子束，本身就带有电荷；当入射电子束能量一定时，原子序数越大，入射电子束入射样品后，入射电子与样品原子的核外电子之间的相互作用也就越强，电子在单位距离内发生弹性散射次数增加，平均散射角增大，使电子横向扩散距离增大，而由于入射电子与样品物质原子的相互作用的增强，电子能量衰减加速，导致电子在样品中的穿透深度变小；从而使液滴模型由低原子序数的“梨”型，变为高原子序数的“半球”型；变化如图4所示；其中，a 与b 的加速电压相同，b 的原子序数高于a 的原子序数。

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图4 原子序数对液滴模型的影响

2.3样品的倾斜角度的影响

由上面的分析可知，液滴模型的形状和大小与电子在样品体内的横向及纵向扩散有关。而其扩散的范围受到样品原子序数及入射电子能量的影响。当样品与入射电子能量一定时，样品的倾斜角度的大小对液滴模型的大小也有一定影响。电子束在单独散射的过程中，由于电子偏离原前进方向的角度较小而表现出向前散射的趋势；样品的倾斜角度增大，入射电子与样品物质之间的相互作用区体积将随之减小。如图5所示，当入射电子束垂直照射样品时（倾斜角为0），电子束向前的趋向使大部电子传播到样品的较深处；而当样品倾斜时，电子向前散射使其在样品表面传播，液滴的深度减小。当倾斜角接近90时，液滴深度将接近零。

图5样品倾斜角度对液滴的影响

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2.4样品磁性的影响

由于入射电子束带有负电荷，若样品带有微弱的磁性，当电子束在入射到样品表面的时候，由于磁场的作用，入射电子会发生偏转，使电子束照射样品的光斑增大；而且电子能量也会由于磁场的作用而发生损失，导致入射电子射入样品的深度减小；所以，若样品带有磁性，液滴模型的形状和大小也会发生改变。

由于AES 检测的是俄歇电子的能量和强度，俄歇电子也会由于磁场的作用发生偏转，甚至偏离接收角而无法到达分析器，也就得不到正确的AES 谱。如果样品具有很强的磁性，可能导致分器探头及样品架发生磁化，对仪器造成损害。所以严具有强磁性的样品进入分析室；而对于具有磁性的样品，许经过退磁处理后方可用于AES 分析。

此外，样品的导电性能对液滴模型也具有一定的影响，若样品的导电性能差，入射电子不能及时传导而在照射区域发生电荷堆积，进而影响入射电子进入样品的难易程度，液滴形状的变化与磁场影响类似。同时，由于荷电效应的存在，使所测得的Auger 电子的动能较正常激发的Auger 电子更高，使分析数据失真。 3 结论

AES 作为表面分析中十分重要的分析技术，具有很高的表面灵敏度，采样深度为0.5-2.0nm （金属）或1-3nm （有机物）；且电子束通过聚焦后，空间分辨率可达到10nm 。AES 所具有的这些特点都可以通过液滴模型予以解释说明。

了解液滴模型在AES 中作用机制与影响因素，对样品的制备与结果分析具有非常重要的指导作用，有利于提高样品分析数据的准确性和可靠性。

参考书籍

［1］ 贾贤，材料表面现代分析方法，北京工业出版社；2010.01

［2］ 周玉，材料分析方法；机械工业出版社，2000.5

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