01190660薄膜材料與技術(shù)09級(jí)第5章薄膜表征

1、Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(cè)量原理 (如右圖所示，與電離真空計(jì)類似)：1、氣相原子進(jìn)入探頭 燈絲熱電子轟擊 電離；2、電場(chǎng)作用下：電離出的電子陽(yáng)極、離子陰極 (收集極)；3、收集極電流 Ii 和陽(yáng)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(diǎn)：1、膜厚測(cè)量的相對(duì)誤差 10%

2、；2、測(cè)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(xué)干涉法后期測(cè)定光學(xué)干涉法石英晶體振蕩法微平衡稱重法氣相原子密度法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè))( )( eiIIn 1)-(5 100tIIadtIIadtDeiteitThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-2-1、測(cè)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(chǎng)與吸鐵間的磁場(chǎng)力達(dá)到平衡，

3、即可換算出薄膜質(zhì)量，而薄膜厚度滿足：2、特點(diǎn)： 靈敏度很高 ( 等厚干涉法 測(cè)量精度可達(dá) 1 nm！5 薄膜表征5.1 薄膜厚度/沉積速率5.1.4 光學(xué)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-8-1、測(cè)量原理：直徑很小的觸針 (探針) 在一定載荷作用下滑 過被測(cè)薄膜表面，同時(shí)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(shí)際上

4、是 表面輪廓測(cè)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(jī)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(shí)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(diǎn)：1）方法簡(jiǎn)單、測(cè)量直觀；2）適合硬膜測(cè)量，容易劃傷較軟薄膜并引起測(cè)量誤差；3）對(duì)表面很粗糙的薄膜測(cè)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(cè)量原理Thin Film Materials & T

5、echnologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-9-1、測(cè)量原理：用高硬度的磨球通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在薄膜表面接觸滾動(dòng)， 待薄膜磨穿之后，測(cè)量磨坑直徑和薄膜磨穿區(qū)寬度， 進(jìn)而通過幾何關(guān)系折算出薄膜的厚度。2、基本特點(diǎn)：1）簡(jiǎn)單快捷、可測(cè)多層膜內(nèi)每層厚度； 2）一定程度上還可評(píng)定磨損率及膜基結(jié)合強(qiáng)度； 3）后效測(cè)量手段、使用近似公式有一定測(cè)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(shí)， 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(duì)應(yīng)磨坑直徑； y 該層薄膜對(duì)應(yīng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主要有哪些方法？已鍍制薄膜厚度的測(cè)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(cè)量原理、特點(diǎn)和適用場(chǎng)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(cè)量裝置及原理12)-(5 bDydyDThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-10-一、測(cè)量原理：1、熾熱的燈絲（陰極）發(fā)射出的

7、電子在電場(chǎng)作用下被加速；2、加速電子進(jìn)入兩級(jí)磁聚焦透鏡，會(huì)聚成直徑約 5 nm的電子束；3、聚焦電子束被導(dǎo)入偏轉(zhuǎn)掃描線圈，在磁場(chǎng)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(cè)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(diǎn)：1、類似光學(xué)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(yīng)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(huì)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(gè)梨形區(qū)域，深度約 1m；2、該區(qū)域在

8、電子束照射下可實(shí)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(cè)量原理Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(lái)能量最低的一部分電子 (來(lái)自較淺層 原子的受激發(fā)射)；2、表面起伏變化會(huì)造成二次電子發(fā)射數(shù)量和角分布變化（如前頁(yè)圖)；3、具有較高的分辯率 (5-10 nm)：來(lái)自淺表層，分辯率較高；4、景深很大 任何形狀直接觀察 無(wú)須拋光處理！5、要求樣品具導(dǎo)電性 防止電荷累積 不導(dǎo)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(diǎn)： 原子對(duì)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(shí)，成分襯度甚至?xí)恍蚊惨r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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-12-一、測(cè)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(shí)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(dá) 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(diǎn)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(diǎn)平面位置 衍射斑點(diǎn)成像 獲得樣品的晶體學(xué)、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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-13-四、薄膜 TEM 樣品的制備：1、為防止樣品晶體點(diǎn)陣背散射造成電子束不能穿透樣品 樣品厚度很薄：一般 104 eV) 穿透樣品能力極強(qiáng)； 穿透

13、能力強(qiáng) 要產(chǎn)生足夠的衍射強(qiáng)度需要被輻照樣品區(qū)域足夠大 ( 電子衍射)； 不易會(huì)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(qiáng)度 入射/衍射角 + 強(qiáng)度分布 材料結(jié)構(gòu)信息：點(diǎn)陣類型、點(diǎn)陣常數(shù)、晶向、缺陷、應(yīng)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(lái)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(shí)現(xiàn)原理16)-(5 2mEhThin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-17-一、出發(fā)點(diǎn)： 電子衍射可以揭示晶體點(diǎn)陣的周期性勢(shì)場(chǎng)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(shí)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(chǎng)的作用，其衍射斑點(diǎn) 對(duì)應(yīng)薄膜表面晶體結(jié)構(gòu)： 一定時(shí)，一維原子鏈的衍射為圍繞其軸線的兩個(gè)錐面 (圖 2)； n 不同時(shí) (周期性排布變化)產(chǎn)生椎角不同的衍射錐面對(duì)； 二維點(diǎn)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(diǎn) (圖4) 三、LEED的缺點(diǎn) (如右圖 3 所示)： 半級(jí)斑點(diǎn)相同 點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)可以完全不同 只能推斷、不能確認(rèn) 需要其它測(cè)試手段進(jìn)一步確認(rèn)材料表層的點(diǎn)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-18-一、測(cè)量原理：測(cè)量物質(zhì)原子間作用力！1、原子間距 1 nm時(shí)，原子間的 Lennard-Jones勢(shì)顯著化 原子間產(chǎn)生較強(qiáng)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(dòng)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(qiáng)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(dòng) 受表面-探針間引力作用 (F -10-12 N) 分辯率低、但不會(huì)接觸/損壞/污染樣品！3、拍擊式：振動(dòng) + 接觸模式 (振幅約100 nm) 每次振動(dòng)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(diǎn)！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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-

18、19-一、測(cè)量原理：利用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)測(cè)量表面形貌！1、利用一根非常細(xì)的鎢金屬探針實(shí)現(xiàn)測(cè)量；2、當(dāng)針尖與樣品表面距離極小時(shí)，針尖原子的外層電子會(huì)通過 “隧道效應(yīng)”跳到待測(cè)物體表面上形成隧道電流；3、由于樣品表面原子級(jí)微小起伏會(huì)影響隧道電流的大小，只有 不斷調(diào)整針尖相對(duì)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(duì)應(yīng)待測(cè)樣品的表面形貌。二、主要特點(diǎn)：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(cè)樣品具有導(dǎo)電性或者是半導(dǎo)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(jìn)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(dòng)表面原子遷移，實(shí)現(xiàn)原子級(jí)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(cè)得的表面原子結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)的原子操縱Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院

20、2008西安理工大學(xué)Xian University of Technology-20-一、出發(fā)點(diǎn)： 利用激發(fā)源 (如：電子束、離子束、光子束、中性粒子束等)，有時(shí)還加上電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的輔助，使被測(cè)樣品發(fā)射攜帶元素成分信息的粒子，實(shí)現(xiàn)化學(xué)組成、相對(duì)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(jí)靶離

21、子)Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(yīng)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(jí)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(jiǎn)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(xué)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(gè)空能態(tài)！ 空能態(tài)被一個(gè)外層電子填充 (如：一個(gè) 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(shí)， 發(fā)射一個(gè) 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(jí)能量差； X射線波長(zhǎng)；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(xué)與工程學(xué)院 200

23、8西安理工大學(xué)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(yīng)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(jí)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(jiǎn)介： 放出的Auger電子的能量 EAE 滿足：式中：EK K能級(jí)的能量； E1 次外層電子原來(lái)能級(jí)的能量； E2 放出的Auger電子原來(lái)能級(jí)的能量。 Auger電子的標(biāo)記：涉三個(gè)能級(jí)、更復(fù)雜 (右上圖 d) KL1L2電子 需三個(gè)字母標(biāo)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(jiǎn)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(huì)同時(shí)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(diǎn)：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(dá)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(jìn)行，以避免樣品表面被污染； 一般都有離子槍裝置，以對(duì)樣品表面進(jìn)行離子轟擊清潔樣品表面， 并可通過濺射進(jìn)行離子刻蝕，進(jìn)行深度分析； 電子的加速電壓一般僅為20

26、00 eV左右，遠(yuǎn)低于電鏡但高于LEED分析。原子序數(shù)對(duì)X射線譜線特征的影響原子序數(shù)對(duì)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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?dāng)?shù)百 eV之間時(shí)，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(jìn)行能量篩選！ 由內(nèi)外兩個(gè)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(jìn)入接收器； 改變圓筒電壓 (-V) 可改變通帶范圍，實(shí)現(xiàn)能量掃描。 Auger電子通過加有不同電壓的內(nèi)外兩個(gè)同心金屬半球 構(gòu)成的空間區(qū)域，實(shí)現(xiàn)能量篩選； 改變半球電壓 (-V1、-V2) 可改變通帶范圍，實(shí)現(xiàn)能量掃描。三、AES的優(yōu)點(diǎn)：1、AES的分析深度只有幾個(gè)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(shí)進(jìn)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(xì)聚焦的電子束照射樣品， 使樣品局部微米級(jí)區(qū)域內(nèi)激發(fā)出特征X射線，對(duì) 特征X射線進(jìn)行譜分析獲得材料微區(qū)成分的方法。 其探測(cè)區(qū)域很小 (m級(jí))，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(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)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(duì) 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(qiáng)度計(jì)數(shù)) 關(guān)系 能譜圖 測(cè)量速度快，但能量分辯率較低 (僅150 eV左右) 對(duì)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(cè)量原理示意圖Ni基合金的EDX譜實(shí)例Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(cè)滿足Bragg條件 ( ) 的特征X

30、射線！ 按照 X射線的波長(zhǎng)記錄強(qiáng)度變化 實(shí)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(xué)平面對(duì)X射線進(jìn)行衍射分光！ 再以閃爍計(jì)數(shù)器按波長(zhǎng)記錄特征X射線強(qiáng)度！ 晶體分光的波長(zhǎng)分辯率很高 能量分辯率比EDX高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上！ 分析速度很慢 需要一個(gè)波長(zhǎng)一個(gè)波長(zhǎng)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(cè)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(yīng)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(shí)現(xiàn)樣品化學(xué)成分分析。二、特點(diǎn)：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(shí)別化合態(tài)。Ni基合金的WDX譜實(shí)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(xué)系統(tǒng)；6 電子探測(cè)器；7 能量分析器Thin Film Materials & Technologies薄膜材料與技術(shù)材料科學(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(shí)，會(huì)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(huì)造成濺射； 高能離子接近樣品材料原子核時(shí)：發(fā)生經(jīng)典彈性碰撞！ 入射離子-原子核間的庫(kù)侖斥力改變?nèi)肷潆x子的動(dòng)能/動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)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(shí)，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(diǎn)：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(jìn)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(cè)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(wú)法分辨。RBS測(cè)量系統(tǒng)示意圖1 背散射角 ； 2 散射束；3 散射粒子探測(cè)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(xué)與工程學(xué)院 2008西安理工大學(xué)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(cè)量原理：利用電離后原子、分子或原子基團(tuán)質(zhì)量不同的特點(diǎn) 分辨材料化學(xué)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(huì)引起表面原子、分子或原子團(tuán)的二次發(fā)射，其中有一部分帶有 正、負(fù)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(shí)現(xiàn)過程：1、入射離子種類和二次離子極性對(duì)濺射產(chǎn)額影響很大：探測(cè)正離子時(shí)：宜采用 O2- 離子轟擊； 探測(cè)負(fù)離子時(shí)：宜采用 Cs+ 離子轟擊。2、濺射二次離子先通過一個(gè)靜電式離子能量分析器，再進(jìn)入質(zhì)量分析系統(tǒng)。3、質(zhì)量分析原理：一定磁場(chǎng) B 中，質(zhì)量為M 的離子回轉(zhuǎn)半徑 r = Mv/qB (q 離子電量；v