01190660薄膜材料與技術(shù)09級第5章薄膜表征

1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-1- 薄膜厚度及沉積率表征方法的主要分類：5.1.1 氣相原子密度法一、測量原理 (如右圖所示，與電離真空計類似)：1、氣相原子進入探頭 燈絲熱電子轟擊 電離；2、電場作用下：電離出的電子陽極、離子陰極 (收集極)；3、收集極電流 Ii 和陽極電流 Ie 滿足：Ii nIe 沉積速率 ( ) 滿足： 膜厚 D 滿足： 此處：n 氣相粒子密度； 膜材料密度； a 常數(shù)。二、特點：1、膜厚測量的相對誤差 10%

2、；2、測量結(jié)果和蒸發(fā)源溫度及殘余氣體氣壓有關(guān) (分別影響 a 和 Ii )。5 薄膜表征5.1 薄膜的厚度/沉積速率原子力顯微法球痕儀球痕法粗糙度儀劃針法光學干涉法后期測定光學干涉法石英晶體振蕩法微平衡稱重法氣相原子密度法實時監(jiān)測)( )( eiIIn 1)-(5 100tIIadtIIadtDeiteitThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-2-1、測量原理：調(diào)整線圈電流，使薄膜增重引起的重力力矩 和線圈所產(chǎn)生磁場與吸鐵間的磁場力達到平衡，

3、即可換算出薄膜質(zhì)量，而薄膜厚度滿足：2、特點： 靈敏度很高 ( 等厚干涉法 測量精度可達 1 nm！5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉積速率5.1.4 光學干涉法/2) 1(2/21NNSNSDSD2)(2211)-(5 2221DThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-8-1、測量原理：直徑很小的觸針 (探針) 在一定載荷作用下滑 過被測薄膜表面，同時記錄下觸針在垂直方 向的位移大小并描繪樣品表面輪廓，在薄膜 邊緣處輪廓的突變即薄膜的厚度（實際上

4、是 表面輪廓測量）。2、儀器特征：1）探針：一般為金剛石，頭部磨成 R= 2-10 m的圓弧形；2）載荷：一般為 1-30 mgf；3）分辯率：1 nm (機械/光電放大位移量 103-106倍)。3、基本矛盾： 不破壞樣品表面真實形貌 探頭頭部接觸壓力 大直徑探頭有利； 能分辨表面形貌微小起伏 探頭跟隨性、分辨率 小直徑探頭有利！ 4、優(yōu)、缺點：1）方法簡單、測量直觀；2）適合硬膜測量，容易劃傷較軟薄膜并引起測量誤差；3）對表面很粗糙的薄膜測量誤差較大。5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉積速率5.1.5 探針法 (粗糙度儀)探針法的測量原理Thin Film Materials & T

5、echnologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-9-1、測量原理：用高硬度的磨球通過傳動機構(gòu)在薄膜表面接觸滾動， 待薄膜磨穿之后，測量磨坑直徑和薄膜磨穿區(qū)寬度， 進而通過幾何關(guān)系折算出薄膜的厚度。2、基本特點：1）簡單快捷、可測多層膜內(nèi)每層厚度； 2）一定程度上還可評定磨損率及膜基結(jié)合強度； 3）后效測量手段、使用近似公式有一定測量誤差。3、近似公式： 磨坑直徑及磨穿區(qū)寬度 磨球直徑 Db 時， 任意一層薄膜的厚度 D 近似滿足： 式中：d 該層薄膜下表面對應磨坑直徑； y 該層薄膜對應的磨穿區(qū)寬度。課后作

6、業(yè)：1、薄膜材料的表征一般可分為哪幾大類？2、薄膜厚度和沉積率的實時監(jiān)測主要有哪些方法？已鍍制薄膜厚度的測量方法主要有哪些？其中哪些可用于透明薄膜的厚度表征？3、選擇三種膜厚/沉積速率表征法，圖示說明其測量原理、特點和適用場合。5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉積速率5.1.6 球痕法 (Ball-Crater)球痕法的測量裝置及原理12)-(5 bDydyDThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-10-一、測量原理：1、熾熱的燈絲（陰極）發(fā)射出的

7、電子在電場作用下被加速；2、加速電子進入兩級磁聚焦透鏡，會聚成直徑約 5 nm的電子束；3、聚焦電子束被導入偏轉(zhuǎn)掃描線圈，在磁場作用下掃描照射樣品表面；4、電子束照射所激發(fā)的各種產(chǎn)物粒子束被樣品附近的探測器接收， 形成反映樣品形貌的電子像或結(jié)構(gòu)成分的波譜。二、基本特點：1、類似光學金相，可提供清晰直觀的表面/截面形貌像；2、分辯率高，景深大；3、可采用不同分析模式作定量/半定量的表面成分分析；4、是目前材料研究最常用手段之一，應用極為廣泛。三、電子束的作用區(qū)域及主要成像粒子：1、電子束入射到樣品表面后，會與表面層的原子發(fā)生各種交互作用， 其作用區(qū)域大致為一個梨形區(qū)域，深度約 1m；2、該區(qū)域在

8、電子束照射下可實現(xiàn)成像和波譜分析的主要激發(fā)粒子是： 最表層 (10)：俄歇電子； 淺層 (50500)：二次電子； 梨形區(qū)上部：背散射電子； 梨形區(qū)下部：特征X射線。3、分別接收上述激發(fā)粒子，處理后可顯示表層的各種形貌/成分信息。5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.1 掃描電子顯微鏡 (Scanning Elelctron Microscopy)SEM的結(jié)構(gòu)與主要組件SEM的成像粒子及測量原理Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-11-四

9、、主要成像模式：1、二次電子像 (反映表面形貌)：1、入射電子從樣品表層激發(fā)出來能量最低的一部分電子 (來自較淺層 原子的受激發(fā)射)；2、表面起伏變化會造成二次電子發(fā)射數(shù)量和角分布變化（如前頁圖)；3、具有較高的分辯率 (5-10 nm)：來自淺表層，分辯率較高；4、景深很大 任何形狀直接觀察 無須拋光處理！5、要求樣品具導電性 防止電荷累積 不導電樣品噴Au噴C處理！2、背散射電子成像 (反映元素成分 + 形貌)：1、背散射電子：被樣品表面直接碰撞散射返回的高能電子。 能量水平與入射電子相近！2、背散射電子像：接收背散射電子形成的電子像。3、特點： 原子對入射電子的反射能力隨原子序數(shù) Z 而

10、緩慢 背散射電子像可反映元素分布 成分分析 (面分布)！ 重元素反射能力 亮區(qū) (右圖亮區(qū)為富 Pb 成分區(qū)域！) 電子能量較高 穿透能力 作用區(qū)域深、廣 成像分辨率不如二次電子像 (50-200 nm)！ 樣品表面很粗糙時，成分襯度甚至會被形貌襯度掩蓋！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.1 掃描電子顯微鏡 (SEM)PbSn鍍層表面的二次電子像同一區(qū)域的背散射電子像Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-12-一、測量原理：1、把經(jīng)加速

11、和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子在 穿過樣品的同時與樣品原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立 體角散射；2、散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可形成明暗 不同的影像；3、通常：TEM的分辨率達 0.10.2 nm； 放大倍數(shù)為 n104n106倍。二、與SEM的主要區(qū)別：1、電子束照射方式不同：SEM 掃描式照射較大區(qū)域； TEM 固定照射很小區(qū)域。2、接收方式不同：SEM 表層激發(fā)或散射的 e (AE、SE、BSE)、 (X-ray)； TEM 電子束穿過很薄樣品并與樣品原子點陣交互作用后被接收！三、TEM的主要工作模式：1、影像模式：物鏡光闌置于樣品像平面位置 透射電子束直接成像

12、獲得樣品的結(jié)構(gòu)、形貌信息！2、衍射模式：物鏡光闌置于衍射斑點平面位置 衍射斑點成像 獲得樣品的晶體學、成分信息！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.2 透射電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy)TEM的兩種工作模式Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-13-四、薄膜 TEM 樣品的制備：1、為防止樣品晶體點陣背散射造成電子束不能穿透樣品 樣品厚度很?。阂话?104 eV) 穿透樣品能力極強； 穿透

13、能力強 要產(chǎn)生足夠的衍射強度需要被輻照樣品區(qū)域足夠大 ( 電子衍射)； 不易會聚 空間分辯率較低。樣品晶面與入射X射線束滿足 Bragg 條件：衍射強度 入射/衍射角 + 強度分布 材料結(jié)構(gòu)信息：點陣類型、點陣常數(shù)、晶向、缺陷、應力二、薄膜樣品與塊體/粉末樣品 XRD的區(qū)別：入射角 = 20120o、穿透深度 10100 m 主要衍射信息來自基體 薄膜不適用！ 入射-衍射束構(gòu)成平面垂直于樣品表面 發(fā)生衍射的是與樣品表面平行的晶面！X射線采用小角度掠入射 (06o) X射線的主要穿透區(qū)域在薄膜內(nèi) 入射-衍射束構(gòu)成平面平行于樣品表面 發(fā)生衍射的是與樣品表面垂直的晶面！三、GIXRD的效果：參與衍射

14、以薄膜原子為主 基體材料干擾 獲得更多薄膜材料結(jié)構(gòu)信息！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.3 掠入射X射線衍射 (GIXRD)GIXRD的實現(xiàn)原理16)-(5 2mEhThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-17-一、出發(fā)點： 電子衍射可以揭示晶體點陣的周期性勢場排布； TEM 電子衍射 電子能量較高 穿透式 (非表層信息)；二、具體實現(xiàn) (如右圖1)：1、101000 eV的低能電子從薄膜法向入射到薄膜表面；2、低能電子只受到表面晶體二

15、維平面周期場的作用，其衍射斑點 對應薄膜表面晶體結(jié)構(gòu)： 一定時，一維原子鏈的衍射為圍繞其軸線的兩個錐面 (圖 2)； n 不同時 (周期性排布變化)產(chǎn)生椎角不同的衍射錐面對； 二維點陣的衍射方向是上述不同方向、椎角衍射錐面的交線！3、利用球面熒光屏截取衍射線 LEED斑點 (圖4) 三、LEED的缺點 (如右圖 3 所示)： 半級斑點相同 點陣結(jié)構(gòu)可以完全不同 只能推斷、不能確認 需要其它測試手段進一步確認材料表層的點陣結(jié)構(gòu)！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.4 低能電子衍射 (Low Energy Electron Diffraction)1234Thin Film Material

16、s & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-18-一、測量原理：測量物質(zhì)原子間作用力！1、原子間距 1 nm時，原子間的 Lennard-Jones勢顯著化 原子間產(chǎn)生較強相互作用力，并滿足： F = -6Ar-7 + 12Br -13 (5-17)2、原子間距離 原子間作用力 可由微探針受力大小換算出表面原子高度 樣品表面形貌3、核心部件：直徑 1020 nm的顯微探針 + 壓電驅(qū)動裝置二、主要工作模式：1、接觸式：探針與樣品表面極為接近 直接受很強斥力作用 分辯率很高！2、非接觸式

17、：探針以一定頻率在樣品表面上方 5-10 nm處振動 受表面-探針間引力作用 (F -10-12 N) 分辯率低、但不會接觸/損壞/污染樣品！3、拍擊式：振動 + 接觸模式 (振幅約100 nm) 每次振動中接觸樣品表面一次 兼具高分辨率和非接觸式不影響樣品的優(yōu)點！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.5 原子力顯微鏡 (Atom Force Microscopy)AFM的基本構(gòu)成原子力與原子間距的關(guān)系Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-

18、19-一、測量原理：利用量子力學的隧道效應測量表面形貌！1、利用一根非常細的鎢金屬探針實現(xiàn)測量；2、當針尖與樣品表面距離極小時，針尖原子的外層電子會通過 “隧道效應”跳到待測物體表面上形成隧道電流；3、由于樣品表面原子級微小起伏會影響隧道電流的大小，只有 不斷調(diào)整針尖相對于物體表面的高度才能維持恒定的隧道電 流，針尖高度的調(diào)整軌跡即可對應待測樣品的表面形貌。二、主要特點：1、探針直徑：0.110 m；2、針尖-樣品表面距離：1 nm左右；3、分辯率：法向 0.01 nm，切向 0.1 nm (極高！)；4、隧道電流的直接相關(guān)量是表面電子態(tài)密度，如果存在其它 影響電子態(tài)密度分布的因素，則可能得到

19、“偽表面形貌”！5、要求待測樣品具有導電性或者是半導體；6、可在真空、大氣、常溫、低溫等不同條件下工作，甚至樣 品可浸在水、電解液、液氮或液氦中；7、可觀察到表面的原子結(jié)構(gòu)，是顯微鏡技術(shù)的一大進展，也 成為納米技術(shù)的主要分析工具 (如右圖所示)；8、可推動表面原子遷移，實現(xiàn)原子級表面重構(gòu) (如右圖)！5 薄膜表征5.2 薄膜形貌/結(jié)構(gòu)5.2.6 掃描隧道顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscopy)STM的基本構(gòu)成及原理圖STM測得的表面原子結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)的原子操縱Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院

20、2008西安理工大學Xian University of Technology-20-一、出發(fā)點： 利用激發(fā)源 (如：電子束、離子束、光子束、中性粒子束等)，有時還加上電磁場、溫度場的輔助，使被測樣品發(fā)射攜帶元素成分信息的粒子，實現(xiàn)化學組成、相對含量的分析。二、主要分析方法：5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.1 概述4薄膜成分表征的基本原理NaU0.11 m1 me (x-ray)BU0.01LiU0.1-150 nm1.5 nmeeLiU0.1-1100 m1.5 nm (x-ray)e (光電子)HeU11 mm20 nmi+i+HU0.00011 nm1.5 nmi+i+II(次級靶離

21、子)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-21-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.1 概述4內(nèi)層電子躍遷以及相應X射線、電子發(fā)射過程 a. 基態(tài)原子內(nèi)層電子排布； b. K層電子空能級的產(chǎn)生； c. 特征X射線的產(chǎn)生； d. 俄歇電子的產(chǎn)生。三、電子激發(fā)原理簡介： 內(nèi)層電子排布：取決于元素成分 (原子序數(shù))； 外層電子排布：取決于化學鍵合； K、L、M 分別表示1s、2s-2p、3s層； L1、L2,3 表示 2s 和 2p 亞層。入射高能粒

22、子能量激發(fā)下，最內(nèi)層的 K 層上電子受激逃逸，產(chǎn)生一個空能態(tài)！ 空能態(tài)被一個外層電子填充 (如：一個 M 或 L 層電子)，并在電子躍遷至能量較低的該空能態(tài)位置時， 發(fā)射一個 光子 (x-ray)以釋放能量，該 光子的能量滿足： 式中：E 電子躍遷前后能級能量差； X射線波長；h 普朗克常數(shù)；c 真空中的光速。 特征 X 射線的命名：LK 躍遷 發(fā)射的X射線 稱 K 線；MK 躍遷 發(fā)射的X射線 稱 K 線； ML 躍遷 發(fā)射的X射線 稱 L 線；依次類推。18)-(5 EhcEThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 200

23、8西安理工大學Xian University of Technology-22-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.1 概述4內(nèi)層電子躍遷以及相應X射線、電子發(fā)射過程 a. 基態(tài)原子內(nèi)層電子排布； b. K層電子空能級的產(chǎn)生； c. 特征X射線的產(chǎn)生； d. 俄歇電子的產(chǎn)生。三、電子激發(fā)原理簡介： 放出的Auger電子的能量 EAE 滿足：式中：EK K能級的能量； E1 次外層電子原來能級的能量； E2 放出的Auger電子原來能級的能量。 Auger電子的標記：涉三個能級、更復雜 (右上圖 d) KL1L2電子 需三個字母標記，如：KL2L1、LMM電子等， 而KL1L2電子和KL2L1電

24、子的能量相同！ 特征X射線：K4510 eV/0.275 nm K4930 eV/0.251 nm 特征Auger電子：L3M3M4電子1：417 eV/2.97 nm L3M3M4電子2：386 eV/3.21 nm19)-(5 21EEEEKAE2112LLKLKLEEEEThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-23-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.1 概述4三、電子激發(fā)原理簡介： 特征X射線： 原子序數(shù)較小 只有 K系譜線； 原子序數(shù)較

25、大 有 K系和 L系譜線； 原子序數(shù) 50 K、L、M 三系譜線才會同時出現(xiàn)！ Auger電子能量： 與X射線譜線出現(xiàn)規(guī)律類似：輕元素譜線少，重元素譜線多！5.3.2 俄歇電子能譜 (AES, Auger Electron Spectroscopy)一、概念及特點：即以電子束激發(fā)樣品中元素的內(nèi)層電子，使之發(fā)射出Auger電子， 然后接收、分析這些俄歇電子的能量分布，達到分析樣品成分的方法。 一般需要在超高真空 (P 10-8 Pa)環(huán)境下進行，以避免樣品表面被污染； 一般都有離子槍裝置，以對樣品表面進行離子轟擊清潔樣品表面， 并可通過濺射進行離子刻蝕，進行深度分析； 電子的加速電壓一般僅為20

26、00 eV左右，遠低于電鏡但高于LEED分析。原子序數(shù)對X射線譜線特征的影響原子序數(shù)對Auger電子能量譜線特征的影響Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-24-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.2 俄歇電子能譜 (AES)4二、逸出深度及能量篩選器： Auger電子的能量在數(shù)十數(shù)百 eV之間時，逸出深度最??！ 該能量范圍的Auger電子最適合表面成分分析！ 有必要進行能量篩選！ 由內(nèi)外兩個同心金屬圓筒將能量過高或過低的Auger電子 過濾掉

27、，只允許特定能量范圍電子進入接收器； 改變圓筒電壓 (-V) 可改變通帶范圍，實現(xiàn)能量掃描。 Auger電子通過加有不同電壓的內(nèi)外兩個同心金屬半球 構(gòu)成的空間區(qū)域，實現(xiàn)能量篩選； 改變半球電壓 (-V1、-V2) 可改變通帶范圍，實現(xiàn)能量掃描。三、AES的優(yōu)點：1、AES的分析深度只有幾個納米，很適合作表面成分分析；2、AES往往還附加有離子槍，可在濺射剝離樣品表層材料的 同時進行成分-深度分析，獲得樣品成分-深度的變化曲線！123Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University o

28、f Technology-25-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.3 電子顯微探針分析 (EMA)4一、概述：以具有一定能量、精細聚焦的電子束照射樣品， 使樣品局部微米級區(qū)域內(nèi)激發(fā)出特征X射線，對 特征X射線進行譜分析獲得材料微區(qū)成分的方法。 其探測區(qū)域很小 (m級)，因此得名電子顯微探針分析； 因其入射高能粒子束為電子束，因此廣泛與 SEM/TEM 結(jié)合，成為材料研究中使用最廣泛的成分分析手段！ 二、EDX：反向偏置的 Si/Li 二極管 將接收到的X射線光子轉(zhuǎn)換為電壓以實現(xiàn)脈沖計數(shù)。不同能量的X射線 激發(fā)出不同數(shù)量 (n) 的電子-空穴對 接收二極管的脈沖電壓 V n 獲得入射X射線能量

29、 E-I (強度計數(shù)) 關(guān)系 能譜圖 測量速度快，但能量分辯率較低 (僅150 eV左右) 對能量接近的不同特征X射線的分辨能力較差！ 解決方法：采用更高精度的WDX！)EPMA WDX,(EDX)(電子探針波譜儀能譜儀EMA的測量原理示意圖Ni基合金的EDX譜實例Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-26-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.3 電子顯微探針分析 (EMA)4三、WDX (EPMA)：只探測滿足Bragg條件 ( ) 的特征X

30、射線！ 按照 X射線的波長記錄強度變化 實際上是一種波譜儀 (如右圖所示)！單晶分光晶體 旋轉(zhuǎn)中以其晶體學平面對X射線進行衍射分光！ 再以閃爍計數(shù)器按波長記錄特征X射線強度！ 晶體分光的波長分辯率很高 能量分辯率比EDX高一個數(shù)量級以上！ 分析速度很慢 需要一個波長一個波長地掃描！ 由于元素分析精度很高，又稱電子探針 (Electron Probe Micro-Analyzer)！5.3.4 X射線光電子能譜 (XPS, X-ray Photoelectron Spectroscopy)一、測量原理：以能量足夠高的 光子 (70 keV) 作為激發(fā)源，通過 光電效應產(chǎn)生出具有一定能量的電子，分

31、析具有特 征能量的電子，實現(xiàn)樣品化學成分分析。二、特點：1、由于X射線聚焦不佳，XPS的空間分辯率較低 (不到0.010.x mm)；2、XPS的能量分辨率很高，不僅可以分析元素成分，而且可以識別化合態(tài)。Ni基合金的WDX譜實例sin2dnXPS設(shè)備示意圖1 軟X射線源； 2 靶材(Al/Mg)；3 高能光子(軟X射線)； 4 樣品；5 電子光學系統(tǒng)；6 電子探測器；7 能量分析器Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technology-27-5 薄膜表征5.3

32、薄膜成分5.3.5 盧瑟福背散射 (RBS, Rutherford Back Scattering)4一、概念和原理：具有較高能量的輕質(zhì)離子在與其它物質(zhì)原子 碰撞時，會發(fā)生散射角很大的背散射現(xiàn)象， 稱為。 高能輕質(zhì)離子具有一定的物質(zhì)穿透能力，不會造成濺射； 高能離子接近樣品材料原子核時：發(fā)生經(jīng)典彈性碰撞！ 入射離子-原子核間的庫侖斥力改變?nèi)肷潆x子的動能/動量 使之發(fā)生背散射！ 背散射離子的能量 E 滿足： 式中：E0 入射離子能量；K 運動學參數(shù)；M0 入射離子質(zhì)量；M 樣品材料原子質(zhì)量； 散射角。 M0、E0、 已知時，即可由 E 求得樣品原子質(zhì)量 M，確定表面原子成分。二、特點：1、分析速

33、度快，能給出表面下不同種類原子的深度分析，并能進行定量分析。 2、深度分辨率為1020 nm； 3、重元素分析靈敏度很高，輕元素探測受限； 4、背散射粒子僅僅是能量不同，因此，質(zhì)量相近的兩種元素就可能無法分辨。RBS測量系統(tǒng)示意圖1 背散射角 ； 2 散射束；3 散射粒子探測器； 4 MeV He+ 入射束；5 樣品； 6 加速器RBS的物理過程示意圖20)-(5 cossin0202022020EMMMMMKEEThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學與工程學院 2008西安理工大學Xian University of Technol

34、ogy-28-5 薄膜表征5.3 薄膜成分5.3.6 二次離子質(zhì)譜 (SIMS, Secondary Ion Mass Spectroscopy)4一、測量原理：利用電離后原子、分子或原子基團質(zhì)量不同的特點 分辨材料化學構(gòu)成情況的方法。 可以直接分析已處于氣態(tài)的原子/分子。 一定能量的離子 (2-15 keV)打到固體表面會引起表面原子、分子或原子團的二次發(fā)射，其中有一部分帶有 正、負電荷，這就是二次離子； 利用質(zhì)量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質(zhì)譜。二、實現(xiàn)過程：1、入射離子種類和二次離子極性對濺射產(chǎn)額影響很大：探測正離子時：宜采用 O2- 離子轟擊； 探測負離子時：宜采用 Cs+ 離子轟擊。2、濺射二次離子先通過一個靜電式離子能量分析器，再進入質(zhì)量分析系統(tǒng)。3、質(zhì)量分析原理：一定磁場 B 中，質(zhì)量為M 的離子回轉(zhuǎn)半徑 r = Mv/qB (q 離子電量；v