俄歇表面分析技术的基本理论.docx

1、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Pierre Auger 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

2、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

3、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

4、的空穴在哪一个主壳层来划分.L 系列LMM LMN LNN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KLL KLM KMMM系列 N系列MNN MNO NOO 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

5、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LMN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LS耦合分析与谱线数的预测1 L-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Z75的元素具备这样的条件.2 j-j耦合的过程与计算i

6、. 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 + s1j2 = l2 + s2ii. 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)3 j-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Jj-j耦合的原子态 (j1,j2)J谱线数2S0P6KL1L10(1/2,1/2)012S1P5KL1L21,0(1/2,1/2)1,01KL1L32,1(1/2,1/2)2,112S2P4KL2L20(1/2,1/

7、2)01KL2L32,1(1/2,1/2)2,11KL3L30(3/2,3/2)01(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20Z75的元素一般属于这个范围.表三. IC耦合与谱线数电子组态俄歇过程IC耦合原子态2S0P6KL1L11S02S1P5KL1L21P1KL1L33P03P13P22S2P4KL2L21S0KL2L33P03P2KL3L31D29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

8、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) - 1/2EB(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

9、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SiKL2L21603eV1602eVKL2L31604eV1611eVKL3L31605eV1616eV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: 俄歇过程; X光荧光过程; C-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Fermis Golden Rule.4(1)继续阅读