低能离子散射分析

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1、低能离子散射分析技术李建军2011.11.16主要内容发展背景应用分析原理以及入射离子选取低能离子束散射谱ISS定义：用一定能量和种类（原子种类和带电量）的低能离子束撞击表面，分析经过与表面作用后反射回来的原离子束，分析其能量的变化，这种能量的变化包含了表面的一部分信息60年代初，荷兰物理学家基斯特马克（J.Kistermaker）发现离子诱导辐射现象1973年开始离子束表面散射的研究与二次离子质谱一起成为表面分析的有效工具应用1清洁表面结构分析2表面组态分析3材料纯度分析4用于监视对半导体材料的元素扩散、注入或催化表面的污染5用离子束分析薄膜

2、的污染和组成，薄膜结构以及薄膜界面的研究，特别是用于薄膜太阳电池的研究6用于研究催化剂或其他表面7研究表面的结构、吸附与电性能（如电子发射）之间的关系与二次离子质谱的异同相同点：都使用一定种类和能量的离子束入射到表面入射离子能量范围：20ev~10kev(ISS),kev级（SIMS）研究对象：经过与表面作用后反射回来的原离子束，并且分析其能量（ISS）被入射离子束电离了的、从表面层发射出来的新离子，并分析其质量（SIMS）各种表面分析方法的分析深度ISS只能分析第一层表面原子二次离子质谱SIMS分析深度大约为10Å俄歇电子谱AES真空紫外光电

3、谱UPS离子探针IMPX射线光电子谱XPS基本原理单粒子弹性散射模型的基本假设1入射离子为单色离子束2被撞击的表面原子为初始状态为静止，忽略热振动3表面原子与入射离子间的作用为单粒子间作用4碰撞为弹性，满足能量守恒和动量守恒E0=E1+E2P0=P1+P2从能量守恒和动量守恒出发进行分析E0=E1+E2，P0=P1+P2代入具体量：m1v02=m1v1v2cosθ1+m2v2v0cosθ2p12=p02+p22-2p0p2cosθ2将θ2消掉，令K=E1/E0,A=m2/m1,处理后的结果：K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(

4、1+A)2得到能量比K、质量比A和散射角θ1之间的关系K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2K=E1/E0,A=m2/m1其中E0、m1、θ1固定且已知，E1为实验测得，根据上式可以计算得到m2，从而得到表面原子的种类等信息单粒子散射模型的局限性1表面邻近原子作用（弱作用->准单粒子散射）2表面原子热振动离子散射作用时间：10-16s常温下表面原子振动周期：10-12s3非弹性散射4表面离子中和，大大减小弹性散射束的强度5多次散射（二次散射）：入射离子发生多次散射之后再出射二次散射能量分布：K=﹝cosθ1+（A2-s

5、in2θ1）1/2﹞2X﹝cosθ2+（A2-sin2θ2）1/2﹞2/(1+A)2其中θ1和θ2为两次散射的散射角总散射角θ=θ1+θ2离子表面散射能量变化与散射角的关系图横轴散射角，纵轴为E1/E0双散射的曲线是闭合的，对于一定入射角入射的离子，散射角存在极小值（阴影效应）阴影效应的解释发生多次散射的离子与靶原子至少有一次碰撞，这次碰撞后入射离子无法进入阴影区域推测原因：1入射离子质量小于靶原子2入射离子能量低3被撞击靶原子在材料中受到其他原子的固定作用（结合力）这三个原因导致被撞击的靶原子被撞击后移动很小，近似为静止。由于入射离子波动性

6、不明显，这样多次散射入射粒子无法绕到靶原子后方的阴影区按照这种假设，阴影区的大小和靶原子的大小和种类以及入射离子种类有关，方向与离子入射角度有关如果考虑靶原子的移动，则还与m1/m2、入射离子能量，以及靶原子在材料表面结合力的大小有关E1是散射角θ的双值函数，靠近单粒子散射的对应准单散射峰，另一个较高的应准双散射峰。导致峰值模糊或出现双散射峰，但是单散射仍然占主导地位入射角较大或者较小时，两个值很接近，而当入射角为45°时差距较大应对措施：增大入射角、适当减小离子束的能量和Z值（减小近邻原子影响，以及发生多次散射的几率）能量分析灵敏度与表面散射

7、的微分截面能量分析灵敏度ΔE1/ΔM2，表示单位质量差的原子的散射峰的峰位分离度，分离度大便于分析表面散射微分截面：表征探测器接受从表面散射回来的离子的能力两者如何协调ΔE1/ΔM2=常用入射离子：He+、Ne+、Ar+(K+、Na+)A=m2/m1=2~5E0/m1与(z1/E0)2谢谢