離子散射譜PPT課件

1、內(nèi)內(nèi) 容容 提提 要要引言ISS基本原理ISS譜儀ISS分析ISS的應(yīng)用第1頁(yè)/共34頁(yè)引引 言言材料表面分析技術(shù)表面形貌分析表面組分分析表面結(jié)構(gòu)分析 ISS對(duì)固體表面離子散射的研究，最早源于1967年。當(dāng)時(shí)，Smith首先低能粒子散射做表面分析。第2頁(yè)/共34頁(yè)引引 言言 離子作為探測(cè)束的優(yōu)點(diǎn)：可得到最表層的信息，具有很高的檢測(cè)靈敏度，能給出十分豐富的表面信息等 離子散射譜一般分為兩種： 低能離子散射譜，一般稱為離子散射譜(ISS) 高能離子散射譜，一般稱為Rutherford背散射譜(RBS) 低能離子散射譜(ISS)：入射離子能量較低(離子動(dòng)能為100電子伏至幾千電子伏) Rutherf

2、ord散射譜(RBS)：入射離子能量很高(25千電子伏到幾個(gè)兆電子伏)第3頁(yè)/共34頁(yè)引引 言言 ISS和RBS理論基礎(chǔ)：入射離子與靶原子進(jìn)行彈性碰撞。 根據(jù)彈性散射理論，由于散射離子的能量分布和角分布與表面原子的原子量有確定的關(guān)系，通過(guò)對(duì)散射離子進(jìn)行分析就可以得到表面單層元素組分及表面結(jié)構(gòu)的信息。第4頁(yè)/共34頁(yè)ISS 基本原理基本原理質(zhì)量1和能量0的一次離子入射到靶原子質(zhì)量為2的樣品表面后,在固定散射角處測(cè)量彈性散射后的一次離子的能量分布若入射離子的原子量為m，原子在靶晶格上的結(jié)合能入射離子能量mkeV離子與表面主要發(fā)生彈性散射，此過(guò)程遵從兩個(gè)剛性球的彈性碰撞原理 第5頁(yè)/共34頁(yè)ISS

3、基本原理基本原理EE1022221112()cos(sin) 根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的彈性散射原理： 其中 = M2/M1， 1時(shí)取正號(hào)。在ISS中，通常1，因此常用的散射離子能量公式為 EEMMMM10212212221112()cos()sin 離子散射過(guò)程 第6頁(yè)/共34頁(yè)ISS 基本原理基本原理1.8 keV的He+, Ne+, Ar+所得到的Mo的離子散射譜第7頁(yè)/共34頁(yè)ISS 基本原理基本原理用不同質(zhì)量的離子入射到Au-Ni合金所得到的具有不同分辨率的離子散射譜第8頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀 典型的ISS裝置示意圖 第9頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀 低能離子散射實(shí)驗(yàn)示意圖 第10頁(yè)/共3

4、4頁(yè)ISS 譜儀譜儀 ISS分析的本質(zhì)是散射離子的能量分析。因此，入射離子的類型、純度、能量分散、角分散、束斑尺寸以及能量分析器離子光學(xué)系統(tǒng)的象差等，對(duì)ISS分析都有一定的影響。第11頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀離子源離子源 在表面分析中離子源的重要參數(shù)有： (1)能量分散不應(yīng)大于幾伏； (2)從離子源得到的離子流最少幾微安； (3)發(fā)散角為小于1度； (4) 氣體向離子源的泄漏要能精確控制，供給電子的燈絲要便于更換。第12頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀離子源離子源He3Ne20入射能量為1.5keV的 和 從Fe-Mo-Re合金的背散射n用He和Ne離子束對(duì)熱軋F(tuán)eMoRe合金進(jìn)行定性表面分析

5、n在He離子的譜中，F(xiàn)e和Mo峰是分開(kāi)的， 但在Re的位置上只有一個(gè)很小的上彎部分n用Ne離子時(shí)，這三個(gè)峰都清楚地分開(kāi)了n較重的離子能改善質(zhì)量分辨率第13頁(yè)/共34頁(yè) 低能散射要求良好的真空條件，其真空度要優(yōu)于高能散射時(shí)的最低要求。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，散射室的壓力應(yīng)在l 托或更低。 因?yàn)榈湍茈x子散射法對(duì)表面非常敏感，本底氣體的吸附層會(huì)嚴(yán)重地減小分析表面的離子散射產(chǎn)額。為了對(duì)“實(shí)際的”或工程樣品進(jìn)行成分分析，應(yīng)通過(guò)適當(dāng)?shù)某檎婵蘸皖A(yù)先烘烤器壁來(lái)減少殘余氣體。 對(duì)表面結(jié)構(gòu)的研究還應(yīng)能對(duì)靶表面進(jìn)行就地清潔和通過(guò)退火保持有序表面，并能適當(dāng)控制氣體量以進(jìn)行吸附研究。 ISS 譜儀譜儀真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)910第14

6、頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀能量分析器能量分析器 靜電式電子能量分析器，如CMA，可以用作正離子能量分析器，只須特有有關(guān)電位開(kāi)關(guān)的極性反轉(zhuǎn)即可。這也使ISS技術(shù)易于同AES、XPS等分析技術(shù)兼容。第15頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀離子流檢測(cè)器離子流檢測(cè)器 探測(cè)方式，常用電子通道板倍增器。 入射到倍增器的離子需加速至3千電子伏以增加靈敏度。 前置放大器，脈沖計(jì)數(shù)等信號(hào)處理系統(tǒng)與AES、XPS等相同，主要進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、分析和處理。第16頁(yè)/共34頁(yè)ISS 譜儀譜儀實(shí)物舉例實(shí)物舉例Qtac100是ION-TOF公司最近專門為研究材料表面元素及原子排列而開(kāi)發(fā)的低能離子散射譜儀。其基本

7、原理是低能離子散射，只針對(duì)最表面的三個(gè)原子層，涉及催化劑、半導(dǎo)體、金屬、聚合體以及生物材料等領(lǐng)域。高分辨低能離子散射譜儀（Qtac100）特殊設(shè)計(jì)的全方位角收集器靈敏度比普通的低能離子散射儀器提高3000倍，并且可以進(jìn)行定量分析。第17頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析分析 峰的位置 半高峰寬和低能拖尾 峰高和定量分析第18頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析分析峰位峰位 ISS散射峰的位置（ ）是ISS定性分析的基礎(chǔ)。 在ISS分析中，除了入射離子的純度，能量離散對(duì)譜峰有一定的影響外，還有其它因素對(duì)譜峰有一定的影響。 01/ EE第19頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析峰位位 E1/E0WO40o18o0.9640.966

8、0.7350.780 實(shí)驗(yàn)條件：本底真空 托，一次離子能量分散小于1eV 研究對(duì)象：鎢及吸附在鎢上氧散射峰的位置 條件變量：改變?nèi)肷浣?實(shí)驗(yàn)結(jié)論：入射角過(guò)低時(shí)，峰位置向高能端偏移。 10101第20頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析分析半高峰寬和低能拖尾半高峰寬和低能拖尾 散射峰的半高峰寬E1或能量分辨率E1/E1是ISS分析能力的重要總體指標(biāo)。它們決定了ISS對(duì)不同質(zhì)量數(shù)表面原子的分辨本領(lǐng)。 表面凹凸不平和表面原子的熱振動(dòng)會(huì)使譜峰展寬，多重散射會(huì)使譜峰向高能端偏移，非彈性散射會(huì)導(dǎo)致譜峰向低能端偏移，提高入射離子能量時(shí)會(huì)增加譜峰低能端的拖尾。第21頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析分析峰高和定量分析峰高和定量分析

9、 峰高是ISS定量分析的基礎(chǔ)。 檢測(cè)器接收到的離子流為：IN IP Tddxxxi+01 () n對(duì)于均勻的非氧化材料，如i、j二種元素的，可近似有：IINNPPddddijijijij11/ddddZZijij/()第22頁(yè)/共34頁(yè)ISS 分析分析峰高和定量分析峰高和定量分析n一般認(rèn)為ISS譜峰面積與最外層表面原子濃度成正比，比例系數(shù)可用標(biāo)準(zhǔn)樣品確定。n利用標(biāo)準(zhǔn)試樣，在一定的范圍內(nèi)，可用散射離子流的比值求出表面成分。 IINNPPZZijijijij11()第23頁(yè)/共34頁(yè)ISS 應(yīng)用應(yīng)用 ISS作為表面靈敏的一種手段，既可用于確定表面化學(xué)組份，又可推斷一些幾何結(jié)構(gòu)如原子晶格排列等。 一

10、定條件下還可進(jìn)行半定量的分析工作。 探測(cè)的極限也在0.1單原子層左右。 ISS已廣泛應(yīng)用于表面吸附，離子誘導(dǎo)解吸，化合物的表面成分和催化，合金表面成分及電子轟擊引起的表面過(guò)程的研究中。第24頁(yè)/共34頁(yè)ISS 應(yīng)用應(yīng)用 成分/結(jié)構(gòu)分析：因?yàn)镮SS具有只檢測(cè)最外層原子的表面靈敏度，所以特別適用于研究合金表面的分凝及吸附等現(xiàn)象。 通過(guò)清潔表面和吸附表面的譜圖對(duì)比，Ni峰比Cu峰的比例發(fā)生了明顯的變化，說(shuō)明CO優(yōu)先吸附在Ni原子上。CO在Cu-Ni合金上吸附前后的ISS譜清潔表面吸附表面第25頁(yè)/共34頁(yè)ISS 應(yīng)用應(yīng)用 成分/結(jié)構(gòu)分析：因?yàn)镮SS具有只檢測(cè)最外層原子的表面靈敏度，所以特別適用于研究

11、合金表面的分凝及吸附等現(xiàn)象。 圖中O峰遠(yuǎn)高于C峰，說(shuō)明CO以分子形式立著吸附在Ni表面上，且O原子朝外。CO吸附在Ni(111)面上的離子散射譜第26頁(yè)/共34頁(yè)n表面結(jié)構(gòu)分析：借助于ISS的陰影效應(yīng)，可以進(jìn)行表面吸附結(jié)構(gòu)的測(cè)定以及單晶表面原子的排列研究。n通過(guò)腐蝕證明，鋅的那一面有一個(gè)很大的鋅單次散射峰和一個(gè)較小的鋅雙散射峰，但沒(méi)有硫峰。而對(duì)面有一個(gè)突出的硫峰和一個(gè)較小的雙散射鼓包，只有一點(diǎn)鋅的痕跡。n證實(shí)了ZnS的單極存在。ISS 應(yīng)用應(yīng)用He20在ZnS晶體的兩個(gè)向?qū)Φ?111)面上的散射譜第27頁(yè)/共34頁(yè)ISS 應(yīng)用應(yīng)用 成分分析存在的問(wèn)題： （1）難認(rèn)的譜峰?？赡苁怯捎陔x子除了同表面單個(gè)原子碰撞外，還同表面原子及其近鄰的原子一齊碰撞而產(chǎn)生的。 （2）因離子照射所引起的表面損傷。雖然低能離子(1KeV)引起表面的損傷小于高能量的離子，但在幾百伏的Ar離子轟擊下也會(huì)產(chǎn)生可觀察到的濺射作用。 彌補(bǔ)方法：降低入射離子電流，使樣品處于“靜止”狀態(tài)。 結(jié)構(gòu)分析存在的問(wèn)題：理論上不如低能電子衍射(LEED)成熟 第28頁(yè)/共34頁(yè)ISS 應(yīng)用應(yīng)用 可用ISS研究銅膜氧化的表面反應(yīng)過(guò)程，表面原子間距的測(cè)量及材料表面結(jié)構(gòu)等。 ISS在表面分析中可對(duì)較寬質(zhì)量范圍的元素進(jìn)行定性或半定量的分析，是一種表