俄歇电子（Auger electron）是指外层电子跃迁到内层电子空位的同时，将多余的能量传递给另一外层电子，使其脱离原子系统，逸出试样表面的电子。所有元素的俄歇电子能量一般在20~2500eV范围内。俄歇电子产额决定了俄歇谱峰的强度，其会随原子序数而变化，不同元素的俄歇电子产额变化也不相同。

1920年，奥地利女科学家莉泽·迈特纳（Meitner）发现了俄歇效应，但没有进行深入研究。后来，法国物理学家俄歇（Auger）于1926年对俄歇效应进行研究，给出了俄歇效应的全部过程。在接下来的时间内，对俄歇电子发射方面的研究进展不大，这主要是由于俄歇电子信号很微弱，而且这种微弱信号又叠加在很大的背景电源上。直到1953年，朗德（Lander）首次使用电子束激发获得俄歇电子能谱。俄歇电子能谱是一种基于俄歇效应，即俄歇电子产生原理的材料分析技术。它只反映被激发原子本身的特性，故其可用于样品元素分析。俄歇电子能谱仪常用的有同心半球分析器及圆筒镜分析器两种类型，其中圆筒镜型通过筒镜的通道能量和所探测的电子动能与施加在外筒的偏压呈线性关系的规律，可得到俄歇电子的能量分布函数，从而获得俄歇电子能谱。

俄歇电子只能从2nm以内的表层深度中逃逸出来，且它的能量是靶物质所特有的，与单射电子束的能量无关。基于这些特性，俄歇电子在材料学、医学、化学等领域有所应用。如在治疗癌症方面，因为俄歇电子是由放射性核素发射的低能量的电子，故在通过电子捕获而衰变时会产生高线性能量转移，而这个过程可以对癌细胞造成致命损伤。利用这一特性，可以对病人开展放射治疗，抑制细胞癌变等疾病的恶化。

当俄歇效应发生时，一个原子实电子被移除后留下一个空穴，一个较高能级的电子有可能填充到这个空穴里并释放能量，虽然大部分情况下这种能量以光子的形式放出，但这个能量也可以被转移给另一个电子，使这个电子从原子中射出，这个射出的电子即为俄歇电子。所有元素的俄歇电子能量一般在20~2500eV范围内，且其只能从2nm以内的表层深度中逃逸出来，带有的是表层物质的信息，适用于对表面化学成分进行分析。

1920年，奥地利女科学家莉泽·迈特纳（Meitner）发现了俄歇效应，但没有进行深入研究。后来，法国物理学家俄歇（Auger）于1926年提出该效应：当一个原子的内层电子被激发电离后，此原子处在激发态，它可以有两种途径跃迁到较低能量的状态，发射出一个特征X光光子（X光荧光），或者原子中的较外层电子跃迁到内层的空位上，同时由于跃迁能量的作用把某一层电子发射出去。在接下来的时间内，对俄歇电子发射方面的研究进展不大，这主要是由于俄歇电子信号很微弱，而且这种微弱信号又叠加在很大的背景电源上。直到1953年，朗德（Lander）首次使用电子束激发获得俄歇电子能谱。

1967年，哈里斯（Harris）采用电子线路，进行能量调制，对俄歇峰进行导数，使一个小峰变成上下两个尖峰，大大提高对于俄歇峰的检测能力。后来威伯（WeBer）和佩里（Peria）等人发现采用哈里希的微分法在通常的三栅极LEED上就可获得俄歇电子谱，成功地将低能电子衍射仪的电子光学系统应用于俄歇电子能谱分析，并使俄歇电子能谱仪真正发展成为一种有效的表面分析工具。

1969年，丕姆伯格（Palmberg）把筒形镜电子能量分析器用于俄歇分析，分辨率高，信噪比大，使俄歇分析进入实用化，并取得了极大的成功。接着在20世纪70年代初出现了扫描俄歇显微镜（SAM）和扫描俄歇电子显微镜（SAEM）。到20世纪80年代，俄歇电子能谱仪日益完善并实现了计算机化。

2009年，半导体科研者齐瑞娟等人利用俄歇电子能谱仪研究Al焊垫表面的F腐蚀，发现被腐蚀的Al焊垫表面F元素的相对含量较高，腐蚀缺陷所在区域的氧化层大为加厚，将直接影响到后期封装过程中Al和相应封装材料的金属键合，造成潜在的芯片失效。

原子在X射线、电子、离子或中性粒子的辐照下，内层电子（K、L、M层）可能获得足够能量而电离并留下空位。此时原子处于不稳定的激发态，当较外层的电子跃入内层空位时，原子多余的能量可通过两种方式释放，或发射X射线，或发射第三个电子，即为俄歇电子。这个过程称为俄歇跃迁或俄歇效应。

其中图3-1（a）表示单射电子使K层电离而发射光电子，图4-1（b）表示留下的K层空位由次层L的电子（2s电子）填入，释放的能量给予另一个2s电子，作为俄歇电子发射出去。图4-1（b）的情形为、、，图4-1（c）为、、，图4-1（d）为、、。

在俄歇电子谱学记号中，人们把主量子数为1、2、3等的电子能级分别记为K、L、M等，并将3个壳层的符号并列来命名俄歇跃迁和俄歇电子，即、或。其中最小量子数轨道为初始空位所处的轨道，较大量子数轨道标记俄歇过程发生后剩余两个空位所在的轨道。当K层有空位时也会发射及俄歇电子，这些都属于KLL系列的跃迁。

如图3-2所示，俄歇效应至少需要两个能级和三个电子参与，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。同样，孤立的锂因为最外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。但是，在固体中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到锂发射的俄歇电子，如KVV俄歇电子。原子序数Z在3~10之间的原子，只能产生KLL俄歇电子。一般用WXY表示任意一种俄歇跃迁。

如果W能级的空穴被X能级的电子填充，而Y能级的电子逸出成为俄歇电子，按能量守恒，俄歇电子的能量为：。式中，为原子序号；都为元素特有的能级能量，不同原子会发射出不同特征能量的俄歇电子，通过对俄歇电子能量的测定便可得知有何种原子存在。

俄歇电子产额（或俄歇跃迁概率）决定了俄歇谱峰的强度。可能引起俄歇电子发射的电子跃迁过程是多种多样的，如对于K层电离的初始激发状态，其后的跃迁过程既可能发射各种不同能量的K系X射线光子，也可能发射各种不同能量的K系俄歇电子。通常用来表示K层出现空位后K系X射线发射的概率，和俄歇电子产额可满足：。

俄歇电子的动能与单射离子的类型（电子、离子、中子）和能量无关，而由元素及其能级决定，其能量可由俄歇跃迁前后原子系统总能量的差别算出。由于束缚能强烈依赖于原子序数，因此可以用确定能量的俄歇电子来鉴别元素，各种元素主要的俄歇电子能量和标准俄歇谱可以在有关的手册查到。图4-1给出了K和L系的俄歇电子能量，并标出每种元素所产生俄歇电子的相对强度。其中实心圆点代表强度高。

俄歇电子只能从2nm以内的表层深度中逃逸出来，带有的是表层物质的信息，即对表面成分非常敏感，因而俄歇电子适用于对表面化学成分进行分析。原子所产生的俄歇电子有其特征的能量。电子在固体中运动时，还可能通过非弹性碰撞而损失能量，如激发等离子激元、使其他芯电子激发或引起能带间跃迁等。只有在近表面区内产生的一部分电子可以不损失能量而逸出表面，被收集在俄歇信号的计数内。

电子在材料内部运动时，非弹性散射主要表现为同价电子和内壳层电子的相互作用，这两种作用对应于电子能量损失的不同区域。当单射电子能量在0.01~10keV时，它与材料发生的非弹性散射主要来自于电离（单电子激发，包括内壳层电子激发和价电子激发）和等离激元激发。其中，俄歇电子和光电子是在内壳层电子激发后的驰豫过程中产生的，且电离时入射电子的能量损失很大，电离截面有十分重要的地位。

所有元素的俄歇电子能量一般在20~2500eV范围内，当这些低能电子从固体中发射时，会经历弹性散射和非弹性散射，有些电子会因等离子损失，内层激发，带间跃迁，单电子相互作用等损失其特征能量，就必然会失去所携带的元素特征信号从俄歇峰中被排除掉，构成背景或使谱峰展宽。当俄歇电子的逸出深度为0.4~2nm时，才属于俄歇电子的感兴趣能量范围，即只有从接近样品表面区域逸出的电子，才会不损失其能量，作为分析信息的俄歇电子。电子逸出的深度也就是俄歇电子的非弹性碰撞自由程。

俄歇电子能谱（auger electron spectroscopy，AES）是一种基于俄歇效应，即俄歇电子产生原理的材料分析技术。因为每个元素均有其特定的俄歇电子能谱，它只反映被激发原子本身的特性，故俄歇电子能谱可用于样品元素分析。由于原子内层的电子能级因其化学结合状态而变化，故当原子所处的状态（如价态）或者原子周围环境（如配位环境）变化时，能谱谱峰的位置及能谱的峰形均会随之变化，此即“化学位移”。故俄歇电子能谱不但可以做元素分析，还可以探测原子所处的状态和周围化学环境。因为对于原子序数小于32的轻元素，发射俄歇电子的概率较大，故适多用于轻元素分析。

图6-1表示用能量为1keV的一次电子束所激发的纯银样品的电子能谱。图中给出3条谱线:、和。是电子计数按能量的分布曲线，是俄歇电子能谱的一种显示模式。在1keV处很窄的大峰代表弹性背散射电子，稍低能量的强度对应于背散射后因激发电子或等离子激元而损失能量的电子。在低能区（0~50eV）的峰与二次电子相对应。谱线是俄歇电子信号的10倍放大，这些峰比较小，一般只含有总电流的0.1%，而且重叠在二次电子的高背底上。是俄歇电子信号的导数。

俄歇电子能谱的测量装置常用的有同心半球分析器（concentric hemispherical analyzer，CHA）及圆筒镜分析器（cylindrical mirror analyzer，CMA）两种。用电子激发的俄歇电子能谱仪多用CMA，它的点传输率很高，因而有很好的信噪比特性，可以对试样表面元素进行定性、半定量分析，以及分析原子的化学态。

CMA型谱仪基本装置

主体部分为筒镜电子能谱仪，其基本结构如图6-2所示。仪器主要包括：分析俄歇电子能量的电子能谱仪，作为一次电子束源的电子枪、样品操作台，以及使样品表面溅射剥离的离子枪。

图6-2中电子枪与筒镜同轴，发射电子束射到样品上。由样品表面散射或发射的一部分俄歇电子进入筒镜的入口孔，并通过内外筒之间的空间。内筒接地，在外筒上施加可调负偏压，将具有特定能量的电子导向筒镜的轴心，从出口孔射出而被电子倍增器收集起来。筒镜的通道能量和所探测的电子动能与施加在外筒的偏压成正比。通过后的电子能量展宽取决于分析器的分辨值，。设备的值为0.2%~0.5%。分析器的能量分辨受样品位置和样品上发射电子面积大小的影响。典型电子倍增器的增益系数为10~10^6，可直接测量电子流。俄歇电子的能量分布函数，在实际测量中就是收集的电子流强度对外筒偏压的函数。

定性分析是根据测得的俄歇电子能谱峰的位置和形状识别分析区域内所存在的元素。定性分析的方法是将测得的俄歇电子能谱与标准谱图进行对比。AES谱图的五个特征信息：能量、强度、峰位移、谱线宽和线形。由此可分析材料的表面特征、化学组成、覆盖度、键中的电荷转移电子态密度、键中的电子能级。

在进行定性分析时，首先应该把注意力集中在最强的峰上面，利用“主要俄歇电子能量图”，可以把对应于此峰的可能元素减少到2~3种，然后通过与这几种可能元素的标准谱的对比分析，确定究竟是什么元素的峰，进而利用标准谱标明属于该元素的所有峰。由于化学效应或物理因素也会引起峰位移或谱线形状变化，分析时应加以考虑，还需注意由于与大气接触或在测量过程中样品表面被污染而引起的污染元素的峰。随后按以上方法再去识别强度更弱的峰，含量少的元素可能只观察到主峰。如果还存在未确定的峰，则它们可能是一次电子损失了一定能量背散射出来形成的能量损失峰，这时可以改变一次电子能量，观察峰是否移动，跟着移动的就不是俄歇电子峰。

基于测量相对的俄歇峰强度，应用元素灵敏度因子进行定量分析的方法，按照公式：进行计算:。式中，为元素的俄歇峰强度；为元素的原子浓度；为元素的相对灵敏度因子。灵敏度因子是由各种纯元素的俄歇峰强度求出的相对值。采用这种与基体无关的灵敏度因子忽略了化学效应、背散射系数和逃逸深度等在样品中和纯元素中的不同，所以只是半定量的结果，准确度约±30%。影响定量分析的因素主要包括：仪器、基体效应、样品状态（非均匀性、成分未知、粗糙度、表面取向）三类因素的影响。为了提高灵敏度因子方法测定浓度的准确度，需要在与分析样品相同的实验条件下测量各个元素的标样来确定浓度。这种定量分析的典型误差约±10%。

2001年，中国医学科学院院士王运来等人通过研究俄歇电子单位路径的能量损失用多项式拟合，用解析方法给出点源在细胞或细胞核内的能量沉积，得到不同源靶组合的S值，从而给出一种新的方法，计算俄歇电子发射核素在细胞中均匀分布和非均匀分布时细胞和细胞核的平均吸收剂量以及吸收剂量在细胞内的分布。放射性核素在细胞中径向线性分布和指数分布，王运来等人分别计算了细胞和细胞核的平均吸收剂量，观察放射源距细胞中心不同距离时对细胞吸收剂量的影响。结果显示，平均吸收剂量及其在细胞内的分布与细胞的大小、俄歇电子能谱、核素的空间分布密切相关。结果表明，俄歇电子在生物组织中的射程短，单位路径的能量损失高，能产生非常高的局部能量沉积。

2004年，中国学者陆雷等人用俄歇电子能谱研究了高真空下，环境温度对铀铌合金真空氧化膜的影响。当温度高于603K时，氧化膜表面结构发生明显改变，表面主要由铀碳化合物、金属态的U和Nb组成。利用Ar正离子溅射铀铌合金真空热氧化膜进行深度分布分析，发现在热氧化膜的表面氧含量很小，而在热氧化膜的内部有氧增多的现象。

2009年，中国科学家程木华等人为了分析俄歇电子辐射对基因结构及成分的影响，应用激光拉曼散射测定，以放射性碘-125标记甲胎蛋白（AFP）基因引物与AFP基因杂交结合辐射后，观察不同时间内其俄歇电子对基因结构的变化以及对碱基成分的损害程度。结果显示，脱氧核糖核酸的骨架构像及碱基的特征振动光谱发生偏移，谱线强度在224h改变较大，而24h与72h变化较小。拉曼光谱显示俄歇电子近距离辐照可以引起DNA的磷酸二酯骨架结构损伤，基因中碱基暴露，基团损伤，甚至破坏，基因构像由B型转变为C型特征光谱。结果表明俄歇电子辐照可改变靶基因骨架结构和构像，损伤或破坏碱基，从而影响靶基因的生物功能。

俄歇电子的射程很短，一般在纳米至微米之间，根据这一点可以通过测量俄歇电子来得到关于材料的表面现象和表面性质的信息，对材料表面进行研究。纳米结构单体组分分布的研究对基础研究及应用探索具有非常重要的意义。应用高分辨场发射俄歇电子能谱和扫描电子束对在550℃和640℃生长温度下分别沉积在硅单晶衬底上的纳米锗硅量子点结构的形貌和表面组分分布进行观察，结果表明：表层分布元素不是纯锗、硅或均匀单一的锗硅合金，而是不均匀分布的锗硅混合物。纳米结构内，元素呈不均匀分布，锗元素富集在中心部位。640℃生长温度下的相同形貌的纳米点结构显示不同的元素分布性质。组分分布的巨大差异是由不同温度下硅向锗中不均匀偏析所致。

俄歇电子是由放射性核素发射的低能量的电子，这些核素通过电子捕获而衰变（例如111In、67Ga、99mTc、195mPt、125I和123I）。这种能量沉积在纳米至微米的距离上，导致高线性能量转移（LET），这对癌细胞可以造成致命损伤。因此，发射俄歇电子的放射治疗剂在治疗癌症方面具有巨大的潜力。2004年，捷克科研学者托马斯·扎特卢卡尔（Tomáš Zatloukal）等人提出了一种使用俄歇电子发射器的新型放化疗策略，即利用化疗药物顺铂【顺式二胺二氯铂（II）】在细胞中形成脱氧核糖核酸铂加合物来杀死癌细胞。这种DNA交联剂已与放化疗联合用于治疗多种实体癌。

当元素所在的化学环境发生变化时，俄歇电子能谱的化学位移可定义为化合物的俄歇电子能量减去单质元素的俄歇电子能量，且当原子获得电子即变为还原态为负价时，外层电子的屏蔽效应使得原子的每个轨道能级的结合能降低。这些关系提供了常用元素在不同化合物中的俄歇电子动能及化学位移数据，因此可以运用俄歇化学位移研究了氧在锌表面的吸附和初始氧化反应及Ti/SiO2的界面固相反应机理。