俄歇表面分析技术的基本理论.docx
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俄歇表面分析技术的基本理论
Auger表面分析技术的基本理论
1925年,法国科学家PierreAuger在用X射线研究某些惰性气体的光电效应时,意外地发现了一些短小的电子轨迹.轨迹的长度不随入射X射线的能量而变化,但随原子的不同而变化.Auger认为:
这一现象是原子受激后的另一种退激过程所至.过程涉及原子内部的能量转换,而后使外层电子克服结合能向外发射.他的发现与所做的相应解释被证明是正确的.因此,用他的名字来命名这种过程和发射的电子.
一.俄歇（Auger）过程和俄歇电子
1.俄歇过程
激发源（电子﹑离子﹑光子……）
原子某一主壳层能级的一个电子被击出留下空穴（受激）
不在同一主壳层能级的电子跃迁去填补空穴（退激）
能量等于或低于填补电子原来所在能级的另一个电子发射达到能量平衡（退激）
俄歇过程的特点是:
原子内部的能量转换涉及到原子的两至三个能级,同时产生了两个空穴,使原子处于双重电离的状态.
2.俄歇电子
俄歇电子-----退激过程中克服结合能发射的电子（图1）
俄歇电子的特点:
具有一定的能量,能量的大小取决于原子内有关壳层的结合能.能量大小一般在几个eV至2400eV.
由于俄歇电子的能量与原子的种类有关,也与原子所处的化学状态有关.因此,它是又一种特征能量,具有类似指纹鉴定的效果.因而可以用来鉴别和分析不同的元素及化学结构.
二.俄歇过程,俄歇电子能量与特征谱线的关系
1.俄歇过程的符号表示法与俄歇过程的系列
（1）能级标识符号的规定与过程的符号表示法
在讨论俄歇过程时,电子能级的标识符号也使用X射线能级的符号.把主量子数n=1,2,3,4……的各层分别称为K,L,M,N……层.再用数字作为下标表示主壳层中的各分支壳层.它与原子态的电子能级是一一对应的.（图2）
俄歇过程符号表示举例:
（a）如果某原子的K层电子被击出,L1层中的一个电子跃迁到K层,L1层中的另一个电子发射.这种过程可用能级符号KL1L1表示.
（b）如果某原子的L层电子被击出,M1层中的一个电子跃迁到L层,M1层中的另一个电子发射.这种过程被表示为L1M1M1. （图3）
（2）俄歇过程的主要系列和系列所包含的群
系列---是以受激产生的空穴在哪一个主壳层来划分.
L系列
LMMLMNLNN
群---是在系列下以填补电子与发射电子在基态时的位置来划分.
K系列
KLLKLMKMM
M系列N系列
MNNMNONOO
2.俄歇群和俄歇谱线
俄歇群表达了一个完整的俄歇过程.经历这一过程的原子其终态有两个空穴,终态能量取决于与两个空穴相对应的两个电子的能级位置和它们之间存在的耦合形式.俄歇电子携带的能量与原子的终态能量有关.如果知道终态的两个空穴能形成多少个不同的能量状态,那么从理论上就可以计算出有多少种能量的俄歇电子,由此来推测有多少条俄歇谱线.
到目前为止,终态能量状态的研究仍然是基于电子的轨道运动和自旋运动的理论.由该理论引出了双电子的三种基本耦合模型:
L---S耦合,J---J耦合,IC耦合（介于前两者耦合之间的中间过度型耦合）.
当我们用这三种耦合模型来分析讨论那些经过俄歇过程后的原子终态能量时,为了方便起见,一般选用KLL群作为分析研究的对象.这是因为在KLL群中,产生原始空穴的能级只涉及到一个主壳层,原子初态比较简单.而L﹑M﹑N系列的子壳层间的能差较小,产生初始空穴的能级涉及到多于一个的子壳层,原子初态就较复杂.
（1）KLL群的L—S耦合分析与谱线数的预测
1L---S耦合的条件:
电子一般处于大小相近的轨道,电子的相互作用大于电子的自旋与轨道的相互作用.一般地,原子序数Z<～20的元素具备这样的条件.
2L---S耦合的过程及计算
i.L---S耦合分三个步骤:
第一步:
把终态双空穴所对应的两个电子的轨道角动量 量子数耦合成总的轨道角动量量子数.
通式:
L=（l1+l2）,（l1+l2–l）,……︳l1–l2︱2.2
（1）
式中:
L总轨道角动量量子数,l轨道角动量量子数
第二步:
把两个电子的自旋角动量量子数耦合成总的自
旋角动量量子数.
通式:
S=（s1+s2）,（s1+s2–1）,……︱s1–s2︱2.2
（2）
式中:
S总自旋角动量量子数,s自旋角动量量子数.
第三步:
把总轨道角动量量子数与总自旋角动量量子数耦
合成总的角动量量子数.
通式:
J=（L+S）.（L+S–1）,……︱L-S︱2.2（3）
ii.L---S耦合计算举例:
设:
电子组态是2S1P5,俄歇过程KL1L2
l1=1,l2=1,s=1/2
那么:
L=（1+1）,（1+1-1）,（1+1-2）=（l1-l2）
2 1 0
轨道 D P S
S=（1/2+1/2）,（1/2+1/2–1）=（s1-s2）
1 0
总自旋多重性 3个自旋分量1个自旋分量
2S+1
J=（1+0）,（1+0-1）
10
③L---S耦合的结果和产生的谱线数
根据泡利不相容原理和宇称守恒定律,KLL群的L---S耦合可以产生产5条谱线.
表一 L---S耦合和谱线数
电子组态
俄歇过程
L
S
L-S耦合的原子态2s+1L
谱线数
2S0P6
KL1L1
0
0
1S
1
2S1P5
KL1L2
1
0
1P
1
KL1L3
1
1
3P
1
2S2P4
KL2L2
0
0
1S
1
KL2L3
1
1
3P
缺乏强度
KL3L3
2
0
1D
1
（图4）,镁KLL群的5条谱线
（2）KLL群的j—j耦合分析与谱线数的预测
1j-j耦合的条件
电子一般处在大小悬殊的轨道上,电子的自旋与轨道的相互作用大于电子的相互作用.原子序数Z>～75的元素具备这样的条件.
2j-j耦合的过程与计算
i.把终态双空穴所对应的两个电子的轨道角动量量子数分别与自旋角动量量子数耦合成角动量量子数
j1=︱l1+s1︱
j2=︱l2+s2︱
ii.把两个电子的角动量量子数耦合成总的角动量量子数.
J=（j1+j2）,（j1+j2–1）,……︱j1–j2︱2.2（4）
3j-j耦合的结果和产生的谱线数
KLL群的j-j耦合可以产生6条谱线.
表二.j-j耦合和谱线数
电子组态
俄歇过程
J
j-j耦合的原子态（j1,j2）J
谱线数
2S0P6
KL1L1
0
（1/2,1/2）0
1
2S1P5
KL1L2
1,0
（1/2,1/2）1,0
1
KL1L3
2,1
（1/2,1/2）2,1
1
2S2P4
KL2L2
0
（1/2,1/2）0
1
KL2L3
2,1
（1/2,1/2）2,1
1
KL3L3
0
（3/2,3/2）0
1
（3）中间耦合（IC）
L---S耦合与j-j耦合之间存在一个能态过度区,这个过渡区可以被看作为:
在前两种耦合中分裂出了总角动量不同的能态.原子序数～20表三.IC耦合与谱线数
电子组态
俄歇过程
IC耦合原子态
2S0P6
KL1L1
1S0
2S1P5
KL1L2
1P1
KL1L3
3P0
3P1
3P2
2S2P4
KL2L2
1S0
KL2L3
3P0
3P2
KL3L3
1D2
9条谱线
图5,溴Br的KLL群俄歇谱线
图6,耦合效应随原子序数的变化
三.俄歇电子能量的经验计算公式
由于俄歇电子的跃迁过程涉及到一个以上的电子能级,因此,俄歇电子能量的理论研究还不可能预算出所有元素的俄歇电子能量以及强度.目前,只能用半经验公式和经验公式来计算俄歇电子能量.
1.常用的经验公式
假定:
（1）ABC表示俄歇过程涉及的三个轨道
（2）Z表示原子序数
（3）EA﹑EB﹑EC轨道结合能
俄歇过程的俄歇能量被表示为:
EABC（Z）=EA（Z）–EB（Z）–EC（Z）-1/2[EB（Z+1）-EB（Z）+EC（Z+1）-EC（Z）]
3
（1）
若只考虑公式的前半部:
EA（Z）–EB（Z）–EC（Z）
那么,EABC（Z）的计算值大于实际所测得的值.
公式的后半部实际上是一个修正项.它的提出主要是考虑到终态空穴引起的核电荷作用.如果EABC存在,那么B能级上的空穴意味着少了一个屏蔽核电荷的B电子,核内正电荷增加.这相当于原子序数增加,引起C能级上的平均结合能的增加.C能级上的空穴也同样使B能级上的平均结合能增加.
用公式表示为:
3.
（2）
公式3.
（1）是由3.
（2）转变而来.
2.计算值与俄歇谱测量值的比较
元素
俄歇过程
计算结果
测量结果
Si
KL2L2
1603eV
1602eV
KL2L3
1604eV
1611eV
KL3L3
1605eV
1616eV
图7,元素的俄歇电子能量
四.俄歇过程的概率,俄歇电子的产额和强度
如果只考虑原子受激后的退激过程,不考虑其它影响因素,那么俄歇强度基本上就取决于俄歇过程在退激过程中出现的概率及由这类过程发射的俄歇电子的产额.
对于一个在某一能级产生一个空穴的受激原子,它的退激过程一般由三个基本过程组成:
①俄歇过程;②X光荧光过程;③C-K过程.俄歇分析技术当然希望俄歇过程能在退激过程中占主导地位,也就是说它的出现概率要高.显然,我们首先要了解这三种过程概率的大小和原子参数之间的关系.
1.退激过程的概率
（1）KLL系列俄歇过程的概率
通常,用符号WA表示过程的概率.计算公式源于Fermi’sGoldenRule.
4
（1）
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