1925年P(guān)ierre Auger在威爾遜云室中發(fā)現(xiàn)了俄歇電子，并進(jìn)行了理論解釋，俄歇電子以他的名字命名。1953年，James Joseph Lander使用了電子束激發(fā)俄歇電子能譜，并探討了俄歇效應(yīng)應(yīng)用于表面分析的可能性。1967年Larry Harris提出了微分處理來增強(qiáng)AES譜圖信號(hào)。美國明尼蘇達(dá)大學(xué)的Roland Weber, Paul Palmberg和他們的導(dǎo)師Bill Peria進(jìn)行的研究揭示了俄歇電子能譜的表面靈敏特性，研制了早期商用俄歇表面分析儀器（如圖1所示），并基于此在1969年成立了PHI公司（Physical Electronics）。目前，俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy, AES）作為對導(dǎo)電樣品進(jìn)行表面化學(xué)分析的重要工具，通過電子束進(jìn)行聚焦和掃描可實(shí)現(xiàn)對納米和微米尺寸內(nèi)物質(zhì)表面分析。

圖1. 美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Roland Weber, Paul Palmberg, Bill Peria研制的LEED-AES裝置

俄歇電子產(chǎn)生的原理，一般是由三個(gè)電子參與的躍遷過程，當(dāng)一定能量的電子束轟擊固體樣品的表面，將樣品原子的內(nèi)層電子擊出，使原子處于高能的激發(fā)態(tài)，外層電子躍遷到內(nèi)層的電子空位，同時(shí)以兩種方式釋放能量：前一種方式是外層軌道電子向內(nèi)躍遷填充空位產(chǎn)生Ｘ射線；第二種方式是外層軌道的電子向低能級(jí)的空穴躍遷并釋放出一定的能量，去激發(fā)同一軌道或更外層軌道的電子，使得該電子被激發(fā)出來，該電子稱之為俄歇電子。

俄歇電子的動(dòng)能等于前兩個(gè)能級(jí)能量差減去第三個(gè)能級(jí)的束縛能，EKLL = EK - EL - EL’，其帶有元素特征的信息，可以進(jìn)行元素判定。三個(gè)字母描述分別是：首字母是電子空穴在哪里產(chǎn)生，第二個(gè)字母是哪個(gè)電子回填，第三個(gè)字母是對應(yīng)激發(fā)出去的電子。如圖2所示，K層電子被激發(fā)產(chǎn)生空穴，L2中的電子回填，釋放的能量傳遞給L3中的一個(gè)電子，導(dǎo)致L3電子激發(fā)出去，所以對應(yīng)俄歇躍遷為KL2L3，也可以直接寫成KLL。

圖2. 俄歇電子產(chǎn)生過程

俄歇電子能譜測試是采用精細(xì)聚焦掃描電子束激發(fā)樣品，典型的電子束電壓為3 kV~ 30 kV，電子束激發(fā)出的信號(hào)包括：（1）二次電子，通常能量比較低；（2）背散射電子，通常包括材料的一些能量損失，具有非常普遍的能量分布，并構(gòu)成俄歇譜中的大部分背景信號(hào)；（3）特征X射線，X射線的能量取決于樣品的元素；（4）俄歇電子，俄歇電子的能量同樣取決于樣品的元素。如圖3所示，俄歇電子以相對較小的譜峰出現(xiàn)，并疊加在二次電子和背散射電子的連續(xù)本底上，所以俄歇電子譜圖需要進(jìn)行微分處理，以減小本底信號(hào)，增強(qiáng)俄歇信號(hào)。

圖3. 俄歇譜示意圖

俄歇電子的典型動(dòng)能在100-2000 eV, 非彈性平均自由程λ較小，95%的俄歇信號(hào)來自于表面3λ以內(nèi)，所以俄歇電子能譜通常探測深度小于5納米，具有較高的表面靈敏度。而特征X射線具有較大的逃逸深度，所以EDX能譜的探測深度通常是微米級(jí)，主要給出材料體相信息。

圖4.俄歇電子和特征X射線的探測深度分布的示意圖

根據(jù)上述俄歇電子能譜的原理，AES主要于分析固體材料表面納米深度的元素（部分化學(xué)態(tài)）成分組成，可以對納米級(jí)形貌進(jìn)行觀察和成分表征。AES既可以分析原材料（粉末顆粒，片材等）均勻表面組成，又可以分析材料或特定產(chǎn)品表面缺陷如污染、腐蝕、摻雜、吸附、雜質(zhì)偏析等，同時(shí)還具備深度剖析功能表征鈍化層、摻雜深度、納米級(jí)多層膜層結(jié)構(gòu)等。俄歇電子能譜的應(yīng)用領(lǐng)域目前已突破傳統(tǒng)的金屬和合金范圍，擴(kuò)展到納米薄膜、微電子、光電子和新能源等領(lǐng)域，未來在新材料研制、材料表面性能測試與分析中都將發(fā)揮其不可替代的優(yōu)勢。