[科普中国]-电子能谱分析

电子能谱分析法是指采用单色光源（如X射线、紫外光）或电子束去照射样品，使样品中电子受到激发而发射出来，然后测量这些电子的产额（强度）对其能量的分布，从中获得有关信息。1

简述电子能谱分析方法是20世纪70年代以来迅速发展起来的表面成分分析方法。这种方法是对用光子（电磁辐射）或粒子（电子、离子、原子等）照射或轰击材料（原子、分子或固体）产生的电子能谱进行分析的方法。其中俄歇电子能谱、光电子能谱、X射线光电子能谱和紫外光电子能谱等对样品表面的浅层元素的组成能给出比较精确的分析，同时还能在动态的条件下测量薄膜在形成过程中的成分分布、变化。电子能谱是已经得到广泛应用的重要分析方法。

一切固体，无论是天然的还是人造的，都有表面或界面，它是物质存在的一种形式。它的存在破坏了物体体相的连续性，从而形成了最大的晶体“缺陷”，这种“缺陷”赋予物质表面（界面）以一种不同于体相的特殊性，对这种特殊性的研究是生产和科学技术发展的需要（如半导体材料的研究和生产）。对物质的表面化学组成及结合状态、表面吸附形态以及表面结合能的研究形成了表面科学的主要内容，而电子能谱分析正是研究和探索物质表面科学最直观和最有效的方法。

电子能谱分析是一种研究物质表面或界面的新型物理方法。它是多种技术集合的总称，其共同特点是：利用具有一定能量的电子束或单色光源（如x射线、紫外光等）照射样品，使样品表面的原子或分子中的电子受激发而发射出来，这些电子带有样品表面的各种信息，具有特征能量，收集和研究这些电子的能量分布，可以获得有关样品表面的各种信息，从而有利于对物质表面进行研究。电子能谱分析是研究和探索物质“表面科学”最直观和最有效的方法。2

类型根据所采用的激发源的不同，电子能谱分析主要可分为以下两大类：一是以光电子能谱（简称PES）；二是电子束作激发源去照射样品，测量样品所发射出的俄歇电子能量，称为俄歇电子能谱（简称AES）。

1、光电子能谱

以一定能量的X射线或光（如紫外光）照射固体表面时，被束缚于原子各种深度的量子化能级上的电子被激发而产生光电子发射。所发射的电子的动能随原电子所在能级的不同而异，形成所谓光电子能谱。采用光电子能谱方法可以探测物质内部的各种电子能级，获得关于电子束缚能、原子的结合状态和电荷分布等电子状态信息。光电子能谱与物质的状态、能级或能带结构以及电子来自的内层轨道或外层轨道等因素有关，因此，光电子能谱也是带有物质成分、结构等信息的特征谱。

依据激发源的不同，光电子能谱分为x射线光电子能谱和紫外光电子能谱。

X射线光电子能谱以软X射线（能量200～2 000 eV）为激发源，激发原子的内层电子；而紫外光光电子能谱以紫外光（能量10～45 eV）为激发源，激发固体的价带电子。原子中的内层电子或价电子吸收能量足够大的光子后，会离开原子成为光电子，根据测定发射出来的光电子的特征能量，可定性地确定样品表面上存在的元素，把未知样品光电子能谱和已知的表面组分标准样品的光电子能谱进行对比，或者和一系列相应的纯元素光电子能谱进行对比，即可对样品表面的组分进行定量成分分析。

2、俄歇电子能谱

高速电子打到材料表面，除产生X射线外，还会激发出俄歇电子等。俄歇电子也是一种可以表征元素种类及其化学价态的二次电子。

当原子内壳层的一个电子被电离后，处于激发态的原子恢复到基态的过程之一是发射出俄歇电子。这是在被激发出内层电子的空穴被外层的电子填入时，多余的能量以无辐射的过程传给另一个电子，并将它激发出来，最后使原子处于双电离状态。因此，俄歇电子发射过程是二级过程，原子处于双电离状态。它与光电子辐射的区别还在于它是一真实的无辐射过程。

俄歇电子效应对表面微量元素有很高的灵敏度，能探测周期表中氦以后的所有元素，而且分析速度快。应用俄歇电子谱可以对材料进行成分定性、定量分析。

虽然X射线、离子等激发源也可用来激发俄歇电子，但由于电子便于产生高束流、容易聚焦和偏转，故通常采用电子束作为俄歇电子的激发源。为了激发俄歇跃迁，在常规AES中产生初始电离所需的入射电子能量在1～30 keV。

根据俄歇电子的特征能量，可以定性地确定样品表面上存在的元素分布；若把未知样品的俄歇电子能谱与已知表面组分的标准样品的俄歇电子能谱进行对比，或者与一些纯元素的俄歇电子能谱进行对比，就可以对样品的表面组分进行定量分析。3

特点1)除氢和氦元素之外，可以分析所有其他元素，能直接测定来自样品的单个能级发射的光电子能量分布，直接得到电子能级结构的信息。

2)从能量范围来看，电子能谱提供的信息可视为“原子指纹”，能测定原子价层电子和内层电子轨道，提供有关化学键方面的信息。而相邻元素的同种能级的谱线相隔甚远，相互干扰少，元素定性分析的标识性强。

3)电子能谱分析是一种无损伤分析。

4)电子能谱分析是一种高灵敏度超微量表面分析技术。分析所需试样量约g即可，绝对灵敏度可达，样品分析深度为2nm。4

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学