俄歇电子能谱检测方法优化

在我们最感兴趣的俄歇电子能量范围内，由初级入射电子所激发产生的大量二次电子和非弹性背散射电子构成了很高的背景强度。俄歇电子的电流约为10―12A数量级，而二次电子等的电流高达10―10A，所以俄歇电子谱的信噪比（S/N）极低，检测相当困难，需要某些特殊的能量分析器和数据处理方法。

1.阻挡场分析器（RFA）

俄歇谱仪与低能电子衍射仪在许多方面存在相似的地方，如电子光学系统、超高真空样品室等，它们需要检测的电子信号都是低能的微弱信息。因此，俄歇谱仪的早期发展大多利用原有的低能电子衍射仪，仅增加一些接收俄歇电子并进行微分处理的电子学线路而已。

在图5―9所示的低能电子衍射装置中，一方面提高电子枪的加速电压（200～3000V），另一方面让半球形栅极G1和G3的负电位在0～1000V连续可调，即可用来检测俄歇电子能谱。把电子枪装在半球形分析器的外面，试样略有倾斜，使初级电子束以15°～25°的小角度入射，可以大大降低背散射电子的信号强度，使分辨率提高。

图5―9　利用后加速技术的低能电子衍射装置示意图

如果使栅极G2和G3处于―U电位，则它们将对表面发射的电子中能量低于qU的部分产生一个阻挡电场使之不能通过，而仅有能量高于qU的电子得以到达接收极。这样的检测装置叫作阻挡场分析器，具有“高通滤波器”的性质。接收极收集到的电流信号，包括所有能量高于qU的电子，显然，要直接从这样得到的I（E）―E能谱曲线（例如图5―10中的曲线1）上检测到微弱的俄歇电子峰，将是十分困难的，至少灵敏度是极差的。

图5―10　接收极信号强度的三种显示方式

为了提高测量灵敏度，我们在直流阻挡电压上叠加一个交流微扰电压ΔU=ksinωt，典型的情况是k=0.5～5V，ω=1～10kHz。这样，接收极收集的电流信号I（E+ΔE）（其中ΔE=qU）也有微弱的调幅变化，用泰勒公式展开为

其中I′（E），I″（E），I‴（E）…是I（E）对E的一次、二次、三次…微分。

当k很小时，上式改写为(www.xing528.com)

所以，曲线2也可以看作是N（E）随E的变化，即电子数目随能量分布的曲线，在二次电子等产生的较高背景上叠加有微弱的俄歇电子峰。曲线3则是电子能量分布的一次微分（dN（E）/dE），背景低而峰明锐（典型的相对能量分辨率可达0.3%～0.5%，S/N比为4000左右），容易辨认，这是俄歇谱仪常用的显示方式。从俄歇峰的能量可以作元素定性分析，从峰的高度可以得到半定量或定量的分析数据。

2.圆筒反射镜分析器（CMA）

1966年出现的一种新型电子能量分析器，见图5―11，已被近代俄歇谱仪所广泛采用。它是由两个同轴的圆筒形电极所构成的静电反射系统，内筒上开有环状的电子入口（E）和出口（B）光阑，内筒和样品接地，外筒接偏转电压U。两个圆筒的半径分别为r1和r2，r1典型的为3cm左右，而r2=2r1。如果光阑选择的电子发射角为42°18′，则由样品上轰击点S发射的能量为E的电子，将被聚焦于距离S点为L=6.19r1的F点，并满足关系式

连续地改变外筒的偏转电压U，即可得到N（E）随电子能量分布的谱曲线（同样可进行微分处理）。通常采用电子倍增管作为电子信号的检测器。显然，这是一种“带通滤波器”性质的能量分析装置，因为只有满足式（5―3）的能量为E+ΔE的电子可以聚焦并被检测，ΔE受到反射镜系统的球差、光阑的角宽度（约为±3°）以及杂散电磁场的限制，能量分辨率理论上可达到0.04%，实际上一般在0.1%左右。总的灵敏度可比阻挡场分析器提高2～3个数量级。

俄歇谱仪的电子枪常装在圆筒反射镜分析器的内筒腔里，形成同轴系统，而在侧面安放溅射离子枪作样品表面清洁或剥层之用（见图5―11）。

图5―11　俄歇谱仪所用的圆筒反射镜电子能量分析器