薄膜制备与表面分析06.ppt

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1、Qing-YuZhangStateKeyLaboratoryforMaterialsModificationbyLaser,IonandElectronBeams离子散射谱(ISS)IonScatterSpectroscopyISS引言以离子作为探测束具有一些独特的优点，如可得到最表层的信息，具有很高的检测灵敏度，能给出十分丰富的表面信息等，因而得到了广泛的应用。离子散射谱一般分为两种，一种是低能离子散射谱，一般称为离子散射谱(ISS)；另一种是高能离子散射谱，一般称为Rutherford背散射谱(R

2、BS)。ISS引言无论是ISS还是RBS都是以入射离子与靶原子进行弹性碰撞为基础的。根据弹性散射理论，分析散射或背散射所携带的有关靶原子的信息。ISS基本原理对固体表面离子散射的研究，已经有相当长的历史了。1967年Smith首次利用低能离子散射进行了表面分析。基本思想是利用低能惰性气体离子(几keV以下)与靶表面原子进行弹性碰撞，根据弹性散射理论，散射离子的能量分布和角分布与表面原子的原子量有确定的关系。ISS分析的原理示意图ISS基本原理通过对散射离子能量进行分析就可以得到表面单层元素组分

3、及表面结构的信息。由于信息来自最表层，因而ISS成为研究表面及表面过程的强有力的分析手段。用低能(0.2~2keV)的惰性气体离子与固体相互作用时，可发生弹性散射和非弹性散射两种情况。选择入射离子的能量，使之低于某一数值后可以使其与表面主要发生弹性散射。ISS基本原理一般情况下，若入射离子的原子量为A，则当离子能量远低于AkeV时，则主要为弹性散射。同时，入射离子的能量又应远大于原子在靶晶格上的结合能，这样才能认为靶上的原子是“孤立”的，“自由”的。在上述条件下，可认为入射离子与靶上原子的相互作用相当

4、于两个刚性球间的弹性碰撞。因此，可以根据能量守恒和动量守恒定理，用二体弹性碰撞来处理。ISS基本原理离子散射过程根据经典力学的弹性散射原理有：其中=M2/M1，1时取正号。在ISS中，通常α1，因此常用的散射离子能量公式为ISS基本原理只要在已知散射角方向测得散射离子的能量分布，即可求出相应的M2。Mo的离子散射谱是Smith1967年给出的一张最初的谱图，证明了散射模型和理论的正确性。1.8keV的He+,Ne+,Ar+所得到的Mo的离子散射谱ISSISS谱仪ISS装置示意图ISS

5、ISS谱仪离子散射谱仪一般包括离子源、样品架、散射离子能量分析器、离子流检测器和超高真空系统等五个基本组成部分。ISS分析的本质是散射离子的能量分析。因此，入射离子的类型、纯度、能量分散、角分散、束斑尺寸以及能量分析器离子光学系统的象差等，对ISS分析都有一定的影响。ISSISS谱仪入射离子的质量越轻，碰撞后运动状态的改变越大。因此，最常选用的离子是He+，但它不易分辨重元素。例如，要区分98Mo和100Mo，用4He+作入射离子时，在=90o时，要求仪器的能量分辨率为0.2%。而用20Ne+或4

6、0Ar+时，只要求分辨率为0.6%或0.9%。ISSISS谱仪各种表面分析仪器所采用的能量分析器大多数都可用于ISS分析。PHI公司生产的ISS/ESCA/AES系统,在双通CMA中加了一个角分辨滚筒，可在不同的散射角上作能量分析。装有角分辨滚筒的CMAISSISS谱仪在ISS中经常会遇到离子轰击引起的靶面溅射而产生的本底噪声，影响ISS的正常分析。因此，常加一个质量过滤器滤掉本底噪声，如用四极滤质器等。ISSISS分析ISS最重要的特点是其信息来自最表面层，且能探测表面的结构，因而成为研究最

7、表层的成分和结构的有效手段，并常用于吸附/解吸和发射等表面过程的研究;ISS对不同元素的灵敏度的变化范围在3~10倍之间，分析时对表面的损伤很小。但定量分析有一定的困难，谱峰较宽，质量分辨本领不高，检测灵敏度为10-3。ISSISS分析ISS定性分析的基础是根据ISS散射峰的位置进行ISS识别。在ISS分析中，除了入射离子的纯度，能量离散对谱峰有一定的影响外，还有其它因素对谱峰有一定的影响。ISSISS分析E1/E0WO40o18o0.9640.9660.7350.780入射角的影响ISSI

8、SS分析入射角过低时，峰位向高能端偏移，这是由于入射角降低，多重散射的几率增大而造成的。同时，非弹性散射会使谱峰向低能端偏移。表面的凹凸不平，表面原子的热振动等均会使ISS谱峰展宽，从而降低了ISS的质量分辨本领。提高射离子能量时，会增加谱峰低能端的拖尾，这是因为提高入射离子的能量，增加了入射离子与第二层或更深层的散射造成的。ISSISS分析峰高是ISS定量分析的基础。检测器接收到的离子流Ii+为：其中Nx为x元素的表面密