俄歇電子（Auger electron）是指外層電子躍遷到內層電子空位的同時，將多余的能量傳遞給另一外層電子，使其脫離原子系統，逸出試樣表面的電子。所有元素的俄歇電子能量一般在20~2500eV范圍內。俄歇電子產額決定了俄歇譜峰的強度，其會隨原子序數而變化，不同元素的俄歇電子產額變化也不相同。
1920年，奧地利女科學家莉澤·邁特納（Meitner）發現了俄歇效應，但沒有進行深入研究。后來，法國物理學家俄歇（Auger）于1926年對俄歇效應進行研究，給出了俄歇效應的全部過程。在接下來的時間內，對俄歇電子發射方面的研究進展不大，這主要是由于俄歇電子信號很微弱，而且這種微弱信號又疊加在很大的背景電源上。直到1953年，朗德（Lander）首次使用電子束激發獲得俄歇電子能譜。俄歇電子能譜是一種基于俄歇效應，即俄歇電子產生原理的材料分析技術。它只反映被激發原子本身的特性，故其可用于樣品元素分析。俄歇電子能譜儀常用的有同心半球分析器及圓筒鏡分析器兩種類型，其中圓筒鏡型通過筒鏡的通道能量和所探測的電子動能與施加在外筒的偏壓呈線性關系的規律，可得到俄歇電子的能量分布函數，從而獲得俄歇電子能譜。
俄歇電子只能從2nm以內的表層深度中逃逸出來，且它的能量是靶物質所特有的，與單射電子束的能量無關。基于這些特性，俄歇電子在材料學、醫學、化學等領域有所應用。如在治療癌癥方面，因為俄歇電子是由放射性核素發射的低能量的電子，故在通過電子捕獲而衰變時會產生高線性能量轉移，而這個過程可以對癌細胞造成致命損傷。利用這一特性，可以對病人開展放射治療，抑制細胞癌變等疾病的惡化。
定義
當俄歇效應發生時，一個原子實電子被移除后留下一個空穴，一個較高能級的電子有可能填充到這個空穴里并釋放能量，雖然大部分情況下這種能量以光子的形式放出，但這個能量也可以被轉移給另一個電子，使這個電子從原子中射出，這個射出的電子即為俄歇電子。所有元素的俄歇電子能量一般在20~2500eV范圍內，且其只能從2nm以內的表層深度中逃逸出來，帶有的是表層物質的信息，適用于對表面化學成分進行分析。
歷史
前期探索
1920年，奧地利女科學家莉澤·邁特納（Meitner）發現了俄歇效應，但沒有進行深入研究。后來，法國物理學家俄歇（Auger）于1926年提出該效應：當一個原子的內層電子被激發電離后，此原子處在激發態，它可以有兩種途徑躍遷到較低能量的狀態，發射出一個特征X光光子（X光熒光），或者原子中的較外層電子躍遷到內層的空位上，同時由于躍遷能量的作用把某一層電子發射出去。在接下來的時間內，對俄歇電子發射方面的研究進展不大，這主要是由于俄歇電子信號很微弱，而且這種微弱信號又疊加在很大的背景電源上。直到1953年，朗德（Lander）首次使用電子束激發獲得俄歇電子能譜。
后續發展
1967年，哈里斯（Harris）采用電子線路，進行能量調制，對俄歇峰進行導數，使一個小峰變成上下兩個尖峰，大大提高對于俄歇峰的檢測能力。后來威伯（WeBer）和佩里（Peria）等人發現采用哈里希的微分法在通常的三柵極LEED上就可獲得俄歇電子譜，成功地將低能電子衍射儀的電子光學系統應用于俄歇電子能譜分析，并使俄歇電子能譜儀真正發展成為一種有效的表面分析工具。
1969年，丕姆伯格（Palmberg）把筒形鏡電子能量分析器用于俄歇分析，分辨率高，信噪比大，使俄歇分析進入實用化，并取得了極大的成功。接著在20世紀70年代初出現了掃描俄歇顯微鏡（SAM）和掃描俄歇電子顯微鏡（SAEM）。到20世紀80年代，俄歇電子能譜儀日益完善并實現了計算機化。
2009年，半導體科研者齊瑞娟等人利用俄歇電子能譜儀研究Al焊墊表面的F腐蝕，發現被腐蝕的Al焊墊表面F元素的相對含量較高，腐蝕缺陷所在區域的氧化層大為加厚，將直接影響到后期封裝過程中Al和相應封裝材料的金屬鍵合，造成潛在的芯片失效。
產生原理
原子在X射線、電子、離子或中性粒子的輻照下，內層電子（K、L、M層）可能獲得足夠能量而電離并留下空位。此時原子處于不穩定的激發態，當較外層的電子躍入內層空位時，原子多余的能量可通過兩種方式釋放，或發射X射線，或發射第三個電子，即為俄歇電子。這個過程稱為俄歇躍遷或俄歇效應。
其中圖3-1（a）表示單射電子使K層電離而發射光電子，圖4-1（b）表示留下的K層空位由次層L的電子（2s電子）填入，釋放的能量給予另一個2s電子，作為俄歇電子發射出去。圖4-1（b）的情形為、、，圖4-1（c）為、、，圖4-1（d）為、、。
在俄歇電子譜學記號中，人們把主量子數為1、2、3等的電子能級分別記為K、L、M等，并將3個殼層的符號并列來命名俄歇躍遷和俄歇電子，即、或。其中最小量子數軌道為初始空位所處的軌道，較大量子數軌道標記俄歇過程發生后剩余兩個空位所在的軌道。當K層有空位時也會發射及俄歇電子，這些都屬于KLL系列的躍遷。
能量
如圖3-2所示，俄歇效應至少需要兩個能級和三個電子參與，所以氫原子和氦原子不能產生俄歇電子。同樣，孤立的鋰因為最外層只有一個電子，也不能產生俄歇電子。但是，在固體中價電子是共用的，所以在各種含鋰化合物中也可以看到鋰發射的俄歇電子，如KVV俄歇電子。原子序數Z在3~10之間的原子，只能產生KLL俄歇電子。一般用WXY表示任意一種俄歇躍遷。
如果W能級的空穴被X能級的電子填充，而Y能級的電子逸出成為俄歇電子，按能量守恒，俄歇電子的能量為：。式中，為原子序號；都為元素特有的能級能量，不同原子會發射出不同特征能量的俄歇電子，通過對俄歇電子能量的測定便可得知有何種原子存在。
產額
俄歇電子產額（或俄歇躍遷概率）決定了俄歇譜峰的強度。可能引起俄歇電子發射的電子躍遷過程是多種多樣的，如對于K層電離的初始激發狀態，其后的躍遷過程既可能發射各種不同能量的K系X射線光子，也可能發射各種不同能量的K系俄歇電子。通常用來表示K層出現空位后K系X射線發射的概率，和俄歇電子產額可滿足：。
特征
俄歇電子的動能與單射離子的類型（電子、離子、中子）和能量無關，而由元素及其能級決定，其能量可由俄歇躍遷前后原子系統總能量的差別算出。由于束縛能強烈依賴于原子序數，因此可以用確定能量的俄歇電子來鑒別元素，各種元素主要的俄歇電子能量和標準俄歇譜可以在有關的手冊查到。圖4-1給出了K和L系的俄歇電子能量，并標出每種元素所產生俄歇電子的相對強度。其中實心圓點代表強度高。
俄歇電子只能從2nm以內的表層深度中逃逸出來，帶有的是表層物質的信息，即對表面成分非常敏感，因而俄歇電子適用于對表面化學成分進行分析。原子所產生的俄歇電子有其特征的能量。電子在固體中運動時，還可能通過非彈性碰撞而損失能量，如激發等離子激元、使其他芯電子激發或引起能帶間躍遷等。只有在近表面區內產生的一部分電子可以不損失能量而逸出表面，被收集在俄歇信號的計數內。
非彈性碰撞自由程
電子在材料內部運動時，非彈性散射主要表現為同價電子和內殼層電子的相互作用，這兩種作用對應于電子能量損失的不同區域。當單射電子能量在0.01~10keV時，它與材料發生的非彈性散射主要來自于電離（單電子激發，包括內殼層電子激發和價電子激發）和等離激元激發。其中，俄歇電子和光電子是在內殼層電子激發后的馳豫過程中產生的，且電離時入射電子的能量損失很大，電離截面有十分重要的地位。
所有元素的俄歇電子能量一般在20~2500eV范圍內，當這些低能電子從固體中發射時，會經歷彈性散射和非彈性散射，有些電子會因等離子損失，內層激發，帶間躍遷，單電子相互作用等損失其特征能量，就必然會失去所攜帶的元素特征信號從俄歇峰中被排除掉，構成背景或使譜峰展寬。當俄歇電子的逸出深度為0.4~2nm時，才屬于俄歇電子的感興趣能量范圍，即只有從接近樣品表面區域逸出的電子，才會不損失其能量，作為分析信息的俄歇電子。電子逸出的深度也就是俄歇電子的非彈性碰撞自由程。
俄歇電子能譜
俄歇電子能譜（auger electron spectroscopy，AES）是一種基于俄歇效應，即俄歇電子產生原理的材料分析技術。因為每個元素均有其特定的俄歇電子能譜，它只反映被激發原子本身的特性，故俄歇電子能譜可用于樣品元素分析。由于原子內層的電子能級因其化學結合狀態而變化，故當原子所處的狀態（如價態）或者原子周圍環境（如配位環境）變化時，能譜譜峰的位置及能譜的峰形均會隨之變化，此即“化學位移”。故俄歇電子能譜不但可以做元素分析，還可以探測原子所處的狀態和周圍化學環境。因為對于原子序數小于32的輕元素，發射俄歇電子的概率較大，故適多用于輕元素分析。
圖6-1表示用能量為1keV的一次電子束所激發的純銀樣品的電子能譜。圖中給出3條譜線:、和。是電子計數按能量的分布曲線，是俄歇電子能譜的一種顯示模式。在1keV處很窄的大峰代表彈性背散射電子，稍低能量的強度對應于背散射后因激發電子或等離子激元而損失能量的電子。在低能區（0~50eV）的峰與二次電子相對應。譜線是俄歇電子信號的10倍放大，這些峰比較小，一般只含有總電流的0.1%，而且重疊在二次電子的高背底上。是俄歇電子信號的導數。
測量
俄歇電子能譜的測量裝置常用的有同心半球分析器（concentric hemispherical analyzer，CHA）及圓筒鏡分析器（cylindrical mirror analyzer，CMA）兩種。用電子激發的俄歇電子能譜儀多用CMA，它的點傳輸率很高，因而有很好的信噪比特性，可以對試樣表面元素進行定性、半定量分析，以及分析原子的化學態。
CMA型譜儀基本裝置
主體部分為筒鏡電子能譜儀，其基本結構如圖6-2所示。儀器主要包括：分析俄歇電子能量的電子能譜儀，作為一次電子束源的電子槍、樣品操作臺，以及使樣品表面濺射剝離的離子槍。
圖6-2中電子槍與筒鏡同軸，發射電子束射到樣品上。由樣品表面散射或發射的一部分俄歇電子進入筒鏡的入口孔，并通過內外筒之間的空間。內筒接地，在外筒上施加可調負偏壓，將具有特定能量的電子導向筒鏡的軸心，從出口孔射出而被電子倍增器收集起來。筒鏡的通道能量和所探測的電子動能與施加在外筒的偏壓成正比。通過后的電子能量展寬取決于分析器的分辨值，。設備的值為0.2%~0.5%。分析器的能量分辨受樣品位置和樣品上發射電子面積大小的影響。典型電子倍增器的增益系數為10~10^6，可直接測量電子流。俄歇電子的能量分布函數，在實際測量中就是收集的電子流強度對外筒偏壓的函數。
分析方法
定性分析
定性分析是根據測得的俄歇電子能譜峰的位置和形狀識別分析區域內所存在的元素。定性分析的方法是將測得的俄歇電子能譜與標準譜圖進行對比。AES譜圖的五個特征信息：能量、強度、峰位移、譜線寬和線形。由此可分析材料的表面特征、化學組成、覆蓋度、鍵中的電荷轉移電子態密度、鍵中的電子能級。
在進行定性分析時，首先應該把注意力集中在最強的峰上面，利用“主要俄歇電子能量圖”，可以把對應于此峰的可能元素減少到2~3種，然后通過與這幾種可能元素的標準譜的對比分析，確定究竟是什么元素的峰，進而利用標準譜標明屬于該元素的所有峰。由于化學效應或物理因素也會引起峰位移或譜線形狀變化，分析時應加以考慮，還需注意由于與大氣接觸或在測量過程中樣品表面被污染而引起的污染元素的峰。隨后按以上方法再去識別強度更弱的峰，含量少的元素可能只觀察到主峰。如果還存在未確定的峰，則它們可能是一次電子損失了一定能量背散射出來形成的能量損失峰，這時可以改變一次電子能量，觀察峰是否移動，跟著移動的就不是俄歇電子峰。
定量分析
基于測量相對的俄歇峰強度，應用元素靈敏度因子進行定量分析的方法，按照公式：進行計算:。式中，為元素的俄歇峰強度；為元素的原子濃度；為元素的相對靈敏度因子。靈敏度因子是由各種純元素的俄歇峰強度求出的相對值。采用這種與基體無關的靈敏度因子忽略了化學效應、背散射系數和逃逸深度等在樣品中和純元素中的不同，所以只是半定量的結果，準確度約±30%。影響定量分析的因素主要包括：儀器、基體效應、樣品狀態（非均勻性、成分未知、粗糙度、表面取向）三類因素的影響。為了提高靈敏度因子方法測定濃度的準確度，需要在與分析樣品相同的實驗條件下測量各個元素的標樣來確定濃度。這種定量分析的典型誤差約±10%。
近期研究
2001年，中國醫學科學院院士王運來等人通過研究俄歇電子單位路徑的能量損失用多項式擬合，用解析方法給出點源在細胞或細胞核內的能量沉積，得到不同源靶組合的S值，從而給出一種新的方法，計算俄歇電子發射核素在細胞中均勻分布和非均勻分布時細胞和細胞核的平均吸收劑量以及吸收劑量在細胞內的分布。放射性核素在細胞中徑向線性分布和指數分布，王運來等人分別計算了細胞和細胞核的平均吸收劑量，觀察放射源距細胞中心不同距離時對細胞吸收劑量的影響。結果顯示，平均吸收劑量及其在細胞內的分布與細胞的大小、俄歇電子能譜、核素的空間分布密切相關。結果表明，俄歇電子在生物組織中的射程短，單位路徑的能量損失高，能產生非常高的局部能量沉積。
2004年，中國學者陸雷等人用俄歇電子能譜研究了高真空下，環境溫度對鈾鈮合金真空氧化膜的影響。當溫度高于603K時，氧化膜表面結構發生明顯改變，表面主要由鈾碳化合物、金屬態的U和Nb組成。利用Ar正離子濺射鈾鈮合金真空熱氧化膜進行深度分布分析，發現在熱氧化膜的表面氧含量很小，而在熱氧化膜的內部有氧增多的現象。
2009年，中國科學家程木華等人為了分析俄歇電子輻射對基因結構及成分的影響，應用激光拉曼散射測定，以放射性碘-125標記甲胎蛋白（AFP）基因引物與AFP基因雜交結合輻射后，觀察不同時間內其俄歇電子對基因結構的變化以及對堿基成分的損害程度。結果顯示，脫氧核糖核酸的骨架構像及堿基的特征振動光譜發生偏移，譜線強度在224h改變較大，而24h與72h變化較小。拉曼光譜顯示俄歇電子近距離輻照可以引起DNA的磷酸二酯骨架結構損傷，基因中堿基暴露，基團損傷，甚至破壞，基因構像由B型轉變為C型特征光譜。結果表明俄歇電子輻照可改變靶基因骨架結構和構像，損傷或破壞堿基，從而影響靶基因的生物功能。
應用
材料學
俄歇電子的射程很短，一般在納米至微米之間，根據這一點可以通過測量俄歇電子來得到關于材料的表面現象和表面性質的信息，對材料表面進行研究。納米結構單體組分分布的研究對基礎研究及應用探索具有非常重要的意義。應用高分辨場發射俄歇電子能譜和掃描電子束對在550℃和640℃生長溫度下分別沉積在硅單晶襯底上的納米鍺硅量子點結構的形貌和表面組分分布進行觀察，結果表明：表層分布元素不是純鍺、硅或均勻單一的鍺硅合金，而是不均勻分布的鍺硅混合物。納米結構內，元素呈不均勻分布，鍺元素富集在中心部位。640℃生長溫度下的相同形貌的納米點結構顯示不同的元素分布性質。組分分布的巨大差異是由不同溫度下硅向鍺中不均勻偏析所致。
醫學
俄歇電子是由放射性核素發射的低能量的電子，這些核素通過電子捕獲而衰變（例如111In、67Ga、99mTc、195mPt、125I和123I）。這種能量沉積在納米至微米的距離上，導致高線性能量轉移（LET），這對癌細胞可以造成致命損傷。因此，發射俄歇電子的放射治療劑在治療癌癥方面具有巨大的潛力。2004年，捷克科研學者托馬斯·扎特盧卡爾（Tomá? Zatloukal）等人提出了一種使用俄歇電子發射器的新型放化療策略，即利用化療藥物順鉑【順式二胺二氯鉑（II）】在細胞中形成脫氧核糖核酸鉑加合物來殺死癌細胞。這種DNA交聯劑已與放化療聯合用于治療多種實體癌。
化學
當元素所在的化學環境發生變化時，俄歇電子能譜的化學位移可定義為化合物的俄歇電子能量減去單質元素的俄歇電子能量，且當原子獲得電子即變為還原態為負價時，外層電子的屏蔽效應使得原子的每個軌道能級的結合能降低。這些關系提供了常用元素在不同化合物中的俄歇電子動能及化學位移數據，因此可以運用俄歇化學位移研究了氧在鋅表面的吸附和初始氧化反應及Ti/SiO2的界面固相反應機理。
參考資料 >
俄歇電子治療.中國大百科全書.2024-06-18
Auger electrons for cancer therapy – a review.Springer Open.2024-06-29
俄歇電子.中國大百科全書.2024-06-27
非彈性散射.USTC.2024-06-18