二章材料近代研究方法物理基礎(chǔ)

1第二章材料近代研究方法的物理基礎(chǔ)

本章主要內(nèi)容提要第一節(jié)

散射作用

一、彈性散射二、非彈性散射三、散射引起的后果及其應(yīng)用第二節(jié)濺射作用

一、濺射種類二、濺射參量

第三節(jié)吸收與衰減作用

第四節(jié)粒子與材料相互作用及其在研究方法上的應(yīng)用

一、粒子與材料相互作用產(chǎn)生二次信息總結(jié)二、不同入射粒子產(chǎn)生的信息在材料研究中應(yīng)用2ErnestRutherford著名物理學(xué)家1871年出生于NewZealand1908年獲Nobel化學(xué)獎ErnestRutherford(1871-1937)"forhisinvestigationsintothedisintegrationoftheelements,andthechemistryofradioactivesubstances"DirectorofCambridgeUniversity‘sCavendishLaboratoryfrom19191911年Rutherford和他的合作者，在CambridgeUniversity‘sCavendishLaboratory用

粒子轟擊金箔，觀察到背散射現(xiàn)象，證明了原子核的存在，建立了原子的有核模型3Rutherford等人的發(fā)現(xiàn)揭開了人類認(rèn)識微觀世界的序幕，開創(chuàng)了人工方法加速帶電粒子來揭示物質(zhì)微觀世界的新紀(jì)元，成為研究微觀世界的主要研究手段，也是材料近代研究實驗方法的基礎(chǔ)盡管近代材料研究方法和儀器繁多，層出不窮，但它們有著一些共性的物理原理：基于外場（光、熱、電、磁、聲、……）與物質(zhì)的相互作用散射作用濺射作用吸收與衰減作用溝道與阻塞效應(yīng)

4第一節(jié)散射作用

一、彈性散射（Rutherfordscattering）m

Mp

υ

1911年提出，用He核(

粒子)轟擊Au核基本假設(shè)：

<<c（光速），m<<M，只考慮一次散射基于庫侖定律、能量和角動量守恒可以導(dǎo)出入射粒子偏轉(zhuǎn)角

：（Z━━原子序數(shù)）5其中為碰撞直徑，p為瞄準(zhǔn)距或碰撞參數(shù)。因此有：對于電子，Z1=1，則。因Ze2很小，很大，所以

很小。因此有：

6表明：一個電子（或離子）在庫侖場中運動的偏轉(zhuǎn)角

是入射電子（或離子）能量（

或E）、靶原子核原子序數(shù)及瞄準(zhǔn)距（p）三者的關(guān)系，即散射偏轉(zhuǎn)角

取決于三個因素：

庫侖場作用（Z1Z2e2）━━排斥或吸引作用

入射粒子能量（

或E）━━屏蔽作用

瞄準(zhǔn)距（p）

當(dāng)p給定，則

隨Z增加而增大（庫侖場作用）當(dāng)p和Z2（靶體）給定，則

隨

增大而減?。ㄆ帘巫饔茫┊?dāng)

和Z2給定，

隨p增加而減?。◣靵鰣鲎饔茫┊?dāng)p增大到某一值（p0）時，

=0。所以要產(chǎn)生散射偏轉(zhuǎn)，入射粒子必須命中斷面

p02，否則就會穿透或“脫靶”（為入射粒子動能）7散射截面：由

與p的關(guān)系可見，靶的截面（

p02）愈大，入射粒子被散射到

方位的幾率就愈大。換言之，散射強(qiáng)度也愈大。因此，物理上，把

p02稱為散射截面（

）

是散射強(qiáng)度的一個表征參量，量綱為面積，散射截面的單位除了用cm2表示外，還用巴恩（Barn）或b表示，1b=103mb=10-24cm2

海森堡原理：對于微觀粒子，不可能同時準(zhǔn)確測定其方位和能量因此，p是一個隨機(jī)量（起伏量），它波動在p

p+dp之間。故

也將在

+d

之間起伏依此，當(dāng)一束平行入射粒子束沿距靶心p

p+dp的環(huán)形靶面積入射，則偏轉(zhuǎn)角將落在

+d

之間dp8設(shè)單位時間有一個電子穿過P平面的單位面積，則單位時間穿過p

p+dp環(huán)形面積的粒子數(shù)（幾率）dn等于該環(huán)形面積，即因為：則有：所以有：9沿一個半頂角為

的錐體所夾的立體角

=s/r2=2rh/r2=2h/r=2r(1-cos)=2

(1-cos

)，所以，落在

+d

所夾的立體角d

=2

sin

d

因此，由于彈性散射而偏轉(zhuǎn)到

+d

之間的單位立體角內(nèi)的電子數(shù)目（幾率）n

為:或上面兩式就是Rutherford彈性散射方程，其中d

/d

稱為微分散射截面

rhs：高為h的球缺面積10Rutherford彈性散射方程表明：散射截面愈大，分析靈敏度愈高，因此影響散射截面的因素也直接影響靈敏度

微分散射截面n

=d

/d

是指一個入射粒子垂直射到每單位面積含一個原子的靶面上，被散射到

+d

方向單位立體角內(nèi)的幾率（單位是cm2/sr）

n

=d

/d

與Z12成正比

若靶原子相同，用He離子束（Z1=2）所能得到的散射產(chǎn)額是用質(zhì)子束（Z1=1）的4倍，但僅為碳離子束（Z1=6）的1/9

n

=d

/d

與Z22成正比

對于相同的入射離子，重原子的散射效率比輕原子高。因此對入射能量不太高的情況下，重原子的大角度散射（如背散射譜）最為突出11

n

=d

/d

與入射粒子能量（1/2m

2）平方成反比

隨著入射粒子能量的降低，散射產(chǎn)額迅速增加

n

=d

/d

只與

有關(guān)，與方位角無關(guān)被散射粒子相對于入射束的分布是軸對稱的

表征彈性散射的主要參數(shù)是散射方向和散射強(qiáng)度（幾率）前者取決于散射偏轉(zhuǎn)角

=Ze2/Ep；后者取決于Rutherford彈性散射方程n

=d

/d

彈性散射只有方向偏轉(zhuǎn)而無能量損失散射前后能量相等，波矢不變，具有相干性。因此，彈性散射過程是一切衍射成象研究方法的物理基礎(chǔ)━━結(jié)構(gòu)分析方法的物理基礎(chǔ)12基于Rutherford彈性散射而建立的材料研究方法主要有：

低能電子衍射（LEED）；低能電子顯微鏡（LEEM）；反射高能電子衍射（RHEED）；光電子發(fā)射顯微技術(shù)（PEEM）；掃描電鏡（SEM）；透射電鏡（TEM）；能量分析電鏡（EAEM）；高分辨電鏡（HREM）；X射線衍射（XRD）；X射線光電子衍射（XPD）；俄歇電子衍射（AED）；中子衍射（ND）；場離子顯微鏡（FIM）；掃描隧道顯微鏡（STM）；原子力顯微鏡（AFM）；離子散射譜（ISS）；盧瑟福背散射譜（RBS）；……13事實上，入射粒子與靶相互作用而產(chǎn)生的Rutherford散射是幾率小得多的次要散射過程。高能粒子射入靶中，主要過程是貫穿入靶內(nèi)在貫穿過程中，離子不斷發(fā)生小角散射，并將能量轉(zhuǎn)移給靶原子，因而速度逐漸變慢。能量損失依賴于靶粒子的種類、靶的密度和成分，同時也與入射粒子的速度有關(guān)，因而可作為材料研究的信息非彈性散射過程既有方向偏轉(zhuǎn)，又伴隨有能量損失損失的能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)槁曌樱幔俨糠洲D(zhuǎn)變?yōu)槎涡畔?，并可共建立研究方法彈性散射：著重研究一次粒子彈性散射后的方向和?qiáng)度（及分布）非彈性散射：著重研究入射粒子能量損失及其轉(zhuǎn)化為二次信息的機(jī)制、種類、能量、強(qiáng)度及其分布等問題

二、非彈性散射14非彈性散射產(chǎn)生的二次信息是通過入射粒子與靶原子中不同微觀層次，如電子、核、晶格等相互作用的結(jié)果，因此必須討論各種作用的物理過程及其能量損失和轉(zhuǎn)化關(guān)系等

入射電子與（單個）價電子的非彈性散射及其能量損失

特點：價電子與核結(jié)合力小，激發(fā)能小，產(chǎn)額大（

大）━━一個20KeV電子與硅單晶靶作用，可激勵出約3000個二次電子能量損失方程：mABOC

p當(dāng)入射電子接近B點時，庫侖作用逐漸產(chǎn)生，并使A獲得一個沖量fdt該沖量可分解為f

dt和f//dt。平行分量在通過O點前后相互抵消，所以入射粒子與靶原子相互作用后，價電子獲得一個垂直沖量m━━初速的入射電子A━━靶原子核外電子p━━瞄準(zhǔn)距15該垂直沖量轉(zhuǎn)為價電子的動量P。這一動量在數(shù)值上應(yīng)與入射電子損失的能量E’匹配，即從入射電子動能中獲得：其中，為入射電子動能；p為瞄準(zhǔn)距上式表明：能量損失E’

1/p2。p愈小，散射伴隨能量損失大，二次電子產(chǎn)額愈大

E’

1/E0，E0愈大屏蔽作用（庫侖作用）愈大，穿透增大，過程趨于彈性散射，二次電子產(chǎn)額降低。所以TEM隨加速電壓增大，成象清晰度提高

E’與Z無直接關(guān)聯(lián)。因此二次電子對原子序數(shù)不靈敏（背散射則相反），二次電子的形貌襯度好，而成分襯度差，可作為SEM分辨率的標(biāo)定16

與內(nèi)電子的非彈性散射及其能量損失

特點：內(nèi)電子與核結(jié)合能高，所需激勵能量大，因而只有當(dāng)瞄準(zhǔn)距p值足夠小時才可能發(fā)生散射，二次電子產(chǎn)額低。信息是特征的，可以建立成分分析方法能量損失方程：用類似于價電子方程推導(dǎo)可得：入射電子與靶原子第j層一個內(nèi)電子相互作用產(chǎn)生散射，其能量損失Ej’為：若換成價電子，則因其結(jié)合能小，p可以很大，故E02p2>>e4，E02p2/e4>>1，上式即為與單個價電子的非彈性散射的能量損失方程17前面只考慮入射電子與第j層一個內(nèi)電子的散射作用。但是，因為Ej’與p有關(guān)，而p是個隨機(jī)量，所以Ej’也是隨機(jī)量。當(dāng)p在p

p+dp波動時，Ej’應(yīng)在Ej’

Ej’+dEj’間波動，說明能量損失是一個統(tǒng)計平均概念引入一個平均能量損失，其大小與該電子被dn（d

）截面散射到球帶里的幾率有關(guān)（dn=2

pdp），可記為：式中的積分下限為p=0（對頭碰撞的情況）；積分上限為能產(chǎn)生非彈性散射的最大瞄準(zhǔn)距。對上式積分后可得：

（Ij━━j層電子結(jié)合能）18當(dāng)考慮一個入射電子與一個原子序數(shù)為Z的靶原子全部內(nèi)電子作用而產(chǎn)生的散射作用，伴隨的能量損失為（將所有內(nèi)電子的平均能量損失都近似為，精確的應(yīng)為）考慮一個入射電子束垂直穿過單位靶截面，行進(jìn)單位距離所遇到的全部原子為N=

N0/A（

－質(zhì)量密度，N0－阿弗加德羅常數(shù)，A－原子量）。則行進(jìn)dx距離產(chǎn)生的能量損失為：因此有：物理意義：入射電子進(jìn)入單位靶截面行進(jìn)單位距離引起的非彈性散射損失(I━━對靶原子中各種激發(fā)或電離態(tài)的平均)19能量損失方程表明：

dE取決于Z，Z增加，則dE增加，激發(fā)深度減小，信息趨于表面，適合用于表面分析；當(dāng)Z減小，則dE減小，穿透深，適合于作體相分析

dE與E0有兩個關(guān)系（1/E0，lnE0），總體上1/E0項貢獻(xiàn)大，所以隨著E0增加，穿透深度增加，可作體相分析；E0減小，穿透淺，信息來于表面，可發(fā)展低能束研究方法

dE愈大，非彈性散射能量損失愈大，在一定程度上也反映被二次激發(fā)幾率或二次信息強(qiáng)度較大非彈性散射強(qiáng)度是用非彈性散射截面

(

，ēj’)表示，其物理意義：一個入射粒子在單位時間被非彈性散射到單位空間立體角內(nèi)，且能量損失為ēj’的幾率。其表達(dá)式可由量子力學(xué)導(dǎo)出：

Zj━j內(nèi)層電子數(shù)bj━決定于電子層的系數(shù)（K層為0.33，L層為0.25）Ij━j層電子結(jié)合能20與內(nèi)電子作用后所造成的入射粒子能量損失是與Z相關(guān)的，即具有成分特征損失的能量除發(fā)熱外，還可產(chǎn)生各種可資利用的二次信息，并建立材料研究方法。如：

二次電子發(fā)射：X光電子能譜（XPS）；紫外光電子譜（UPS）；掃描電鏡（SEM）；二次電子發(fā)射（SEE）等

俄歇電子發(fā)射：俄歇電子譜（AES）

能量損失譜：電子能量損失譜（EELS）；低能電子顯微鏡（LEEM）

電子探針：電子探針X射線顯微分析（EPMA）；能量色散X射線譜（EDS）

透射：透射電鏡（TEM）21

入射電子與核外電子（電子云，價電子）的集體散射作用及能量損失

━━等離子體震蕩

特點：

核外價電子與核的結(jié)合能小，激發(fā)能也較小，伴隨的能量損失小，散射截面大是眾多電子同時參與的過程不同元素（物質(zhì)）其電子組態(tài)、價電子結(jié)合能大小均不同，所以激勵震蕩所需的能量值也不同，因此信息是特征的，可以建立特征的能量損失譜、能量分析電鏡等研究方法。因透射部分單色性差，TEM成像不清晰，需減薄到≤1000?，造成實驗制樣等許多困難。能量分析電鏡可進(jìn)行成分襯度成像22散射機(jī)制：許多金屬和離子晶體都可看作是由原子核與核外電子構(gòu)成的等離子體。這時，入射電子不是孤立地與某一個價電子作用，而是同時與眾多價電子組成的電子云集體作用。當(dāng)電子穿過等離子體時，引起局部電中性破壞，使包圍入射電子周圍的價電子向外移動，以減弱入射電子處的負(fù)電位。反之，當(dāng)負(fù)電位過低時，又引起電子向入射電子處移動依此，反復(fù)形成震蕩，并伴有能量損失E’，并有：因為E’很小，散射截面很大，因此頻率

p很小而震蕩波長很大（

103?）；可建立電子能量損失譜（EELS）；能量分析電鏡（EAEM）（

p━━震蕩頻率）電子云入射電子23

入射電子與原子核的非彈性散射及其能量損失━━韌致散射特點：入射電子與靶原子核之間的非彈性散射，該散射是基于經(jīng)典電動力學(xué)原理，即：當(dāng)一個高速運動物體行進(jìn)時，獲得一個加速度（±d/dt），就會作為一個電磁波的輻射源，并以電磁波形式向外輻射（或吸收）部分能量。因此，當(dāng)入射電子被原子核吸引（即核制動），就伴有一個負(fù)的加速度-d/dt，則它將伴有電磁損失，并逐漸損失其動能，最終被“制動”，如同自行車剎車，故稱韌致散射

其伴隨的信息是非特征的連續(xù)譜，故不能建立分析研究方法，而導(dǎo)致干擾信息，是應(yīng)加以抑制的。但是韌致輻射可以作為白色X光源

24能量損失方程

由于散射是非彈性的，故伴有能量損失，其能量損失方程可用經(jīng)典電動力學(xué)求出：由上式可見：

dE/dx正比于靶材原子序數(shù)平方、靶密度及入射電子動能。因此材料愈重（重元素）、密度愈高和入射束能量愈大的，韌致散射貢獻(xiàn)就大

dE/dx反比于入射粒子質(zhì)量的平方，即入射粒子愈輕，韌致散射貢獻(xiàn)愈大信息是非特征的，故會引起信/噪比下降，試樣發(fā)熱，應(yīng)予防止

━━靶原子密度rc━━經(jīng)典電子半徑，rc=e2/mc2

m━━電子質(zhì)量E0━━入射粒子動能25電子能量損失與韌致?lián)p失隨入射束能量的變化趨勢是相反的電子能量損失入射粒子能量（E0）總能量損失韌致?lián)p失26

入射電子與靶材晶格的非彈性散射及其能量損失

這種作用的結(jié)果是引起晶格振動，即激發(fā)聲子，使試樣發(fā)熱，導(dǎo)致噪聲和干擾，也應(yīng)防止能量損失方程可被激發(fā)的所有聲子能量的總和27

彈性散射

電子背散射現(xiàn)象（大角度或幾次小角度彈性散射疊加）背散射掃描電子圖象、二元成分分析、Rutherford背散射譜（RBS）

電子衍射效應(yīng)（高能、低能電子衍射，SEM，TEM，HREM）

通道效應(yīng)（背散射電子通道圖）

X光衍射效應(yīng)（XRD）

中子衍射

三、散射引起的后果及其應(yīng)用

28

非彈性散射

韌致輻射（白色X光源）

特征X光發(fā)射（波譜與能譜，電子探針X射線顯微分析－EPMA；能量色散X射線譜－EDS）

二次電子發(fā)射

光電子能譜（UPS、XPS）、掃描電鏡二次電子像、掃描圖象

Auger電子及Auger電子能譜

吸收粒子吸收電流像、X射線探傷

特征能量損失（能量分析電鏡，特征能量損失譜）

等離子體振蕩（利用振蕩頻率作定性分析）29

陰極發(fā)光（用陰極熒光揭示半導(dǎo)體材料中微量雜質(zhì)原子，顯示半導(dǎo)體材料中微觀結(jié)構(gòu)缺陷、條帶結(jié)構(gòu)等，制造熒光屏）

輻射損傷（輻照劑量測定，用核子乳膠記錄基本粒子的徑跡，輻照損傷程度的顏色顯示）

靶的熱效應(yīng)（電子束熔煉，電子束加工）30入射粒子與固體相互作用過程，本質(zhì)上是一個雙體碰撞問題，伴有庫侖場作用和動能交換

能量交換或轉(zhuǎn)移的結(jié)果，將使靶發(fā)射各種粒子非彈性散射：發(fā)射的粒子是電子（二次電子發(fā)射）濺射：發(fā)射的是較重粒子或原子團(tuán)

庫侖場作用和動能交換作用的大小，取決于粒子的荷/質(zhì)比對質(zhì)量小，荷/質(zhì)比較大的入射粒子（如電子等），庫侖作用是主要的（表現(xiàn)為散射）對質(zhì)量較大，荷/質(zhì)比較小的入射粒子（如離子、中子等），則主要是碰撞過程，它既有散射，也有濺射過程第二節(jié)濺射作用

31依據(jù)濺射的微觀機(jī)制，可以分為物理濺射和化學(xué)濺射兩類

物理濺射（Physicalsputtering）

指入射粒子把能量傳遞給靶原子，并使之克服表面原子結(jié)合能而濺出（或逸出）的過程。顯然，該過程主要涉及動能交換。物理濺射可以分為不同類型

單次碰撞

指無級聯(lián)的碰撞，入射粒子一次把表面原子撞出，產(chǎn)生濺出粒子。一般發(fā)生在當(dāng)入射粒子能量略為超過閾能或質(zhì)量很小時，只能通過單次碰撞將動能傳遞給靶原子，而使靶原子獲得運動的動量，并足以克服表面勢壘而離開表面一、濺射分類

32

多次碰撞

指有級聯(lián)過程，入射粒子及被撞擊的靶原子具有足夠動能繼續(xù)撞擊第二、第三、…個原子，從而產(chǎn)生多次濺射，而入射粒子最后湮滅在靶晶格中，成為注入原子。多次碰撞濺出的粒子產(chǎn)額高，按其一次級聯(lián)的原子數(shù)，又可分為線性級聯(lián)（Linearcascade）和能峰機(jī)制（Energyspikemechanism）兩種線性級聯(lián)：被撞的靶原子（初級反沖原子）獲得的動量足夠高，它還可撞出其它靶原子，產(chǎn)生次級反沖原子……依次類推繼續(xù)下去，直到轉(zhuǎn)移的動能已不足以引起原子離位為止能峰機(jī)制：碰撞級聯(lián)內(nèi)部反沖原子的密度極高，以至于在級聯(lián)體積內(nèi)有比線性級聯(lián)多得多的靶原子在同一瞬間處于運動狀態(tài)33

化學(xué)濺射（Chemicalsputtering）

指入射粒子與靶原子碰撞和能量交換的同時，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的不穩(wěn)定化合物，從而切斷某些化學(xué)鍵使原子或原子團(tuán)出射（成為二次粒子）的化學(xué)過程物理濺射多在中、高能量（keV

MeV）粒子轟擊條件下發(fā)生，能量低至電子伏特量級的粒子所引起的物理濺射極弱化學(xué)濺射可延續(xù)到更低的能量范圍，在電子伏特量級仍有顯著的濺射效應(yīng)34與散射過程相似，表征濺射的有偏轉(zhuǎn)、能量損失、截面、閾值等，主要參量有濺出條件（閾值）、方位（偏轉(zhuǎn)）和強(qiáng)度（截面或產(chǎn)額）

閾值能量（Thresholdenergy）

閾值能量━━粒子被濺出所需的最小能量當(dāng)入射粒子種類、能量給定后，閾值大小決定于：

靶材材質(zhì)（即原子序數(shù)、成分、化學(xué)鍵鍵性與鍵強(qiáng)、結(jié)構(gòu)、結(jié)合能）

表面狀態(tài)（棱、頂、臺級等處原子能級不同）

界面（晶界、粒界處于不同能級，晶面角大小━━產(chǎn)生能級畸變二、濺射參量

35

濺射產(chǎn)額（Sputteringyield）濺射產(chǎn)額Y━━平均每個入射粒子所濺射出的粒子數(shù)目，與濺射截面意義相同Y有以下關(guān)系：E0━━入射粒子動能

━━入射粒子平均穿透距離，1/

＝

r2

r━━碰撞截面有效半徑

━━靶密度K━━比例常數(shù)M1、M2━━入射粒子、靶原子質(zhì)量36影響濺射產(chǎn)額或濺射截面的因素

入射粒子特性

種類：靶材選定后，入射粒子特性不同，Y也不同。一般，隨入射粒子原子序數(shù)增大而增大能量：通常認(rèn)為，在幾KeV

幾十KeV范圍，Y隨入射粒子能量增加而增大。能量超過一定值后，Y不再增加，原因是入射深度過大，粒子不易逸出

入射角：d=Rcos

（d－垂直入射距離，R－實際行程），入射角

愈大，濺射愈趨于表面，粒子更易逸出（小于逸出深度時），Y愈大（在

≤45O，Y∝1/cos

）。但

角過大，則與入射粒子相互作用的靶原子數(shù)量減少。因此

有一最適宜值，約60O

70O

d

90-

R37

靶材特性

靶材性質(zhì)：組成、結(jié)構(gòu)、鍵性、鍵強(qiáng)等。一般地，隨Z增加，Y減小，但有周期性（因還涉及靶原子質(zhì)量、原子半徑）表面狀態(tài)：粗糙度增大，Y減小

能量損失方程

對濺射過程可看作是入射粒子能量傳遞給靶原子，并逐漸減速，伴隨能量損失。該過程“可看作為”韌致散射過程，即靶對入射粒子產(chǎn)生阻止兩種阻止：

核阻止━━屬彈性阻止，入射粒子的能量通過碰撞轉(zhuǎn)換為二次粒子的信息，可用雙體碰撞模型處理38

電子阻止━━屬非彈性阻止，入射粒子把能量交換給靶原子中的核外電子，并導(dǎo)致靶原子激發(fā)、電離，濺射出離子和電子將上述兩種阻止作用近似地看作相互獨立的，則整個濺射過程的能量損失為：總阻止本領(lǐng)核阻止━━核對入射粒子的韌致散射電子阻止━━靶材核外電子的激發(fā)作用，并伴隨產(chǎn)生二次粒子（離子、電子）信息，是非彈性作用入射粒子能量阻止本領(lǐng)核阻止

電子阻止

━━靶密度；x━━入射粒子在靶中的行走距離；SN(E)━━靶材原子核阻止本領(lǐng)；Se(E)━━靶材核外電子阻止本領(lǐng)39

濺射（濺出）效應(yīng)

入射粒子與靶材粒子、晶格相互作用，濺出二次粒子中，90%為中性粒子，10%為正、負(fù)離子當(dāng)入射束能量給定時，濺出的二次粒子的種類、出射速度、能量分布、濺出方向與靶材成分、結(jié)構(gòu)、結(jié)合能、出射角等有關(guān)，因此可以建立多種材料研究方法：二次離子質(zhì)譜（SIMS）濺射中性粒子質(zhì)譜（SNMS）離子誘導(dǎo)（激發(fā)）脫附譜（ISD）電子誘導(dǎo)（激發(fā)）脫附譜（ESD）40

離子與強(qiáng)場作用

當(dāng)離子受到強(qiáng)場作用時，若達(dá)到V/?量級，則處于固體表面針尖處的離子（表面能量最高），受到的作用更大，以至于可使得靶材以離子態(tài)逸出，即“場蒸發(fā)”（比濺射更強(qiáng)的濺出）。場蒸發(fā)可以使試樣針尖因蒸發(fā)而變成光滑球形，即表面層離子被剝離當(dāng)把針尖放在充He、Ne氣體(10-5

10-4Torr)的成像氣體（Imaginggas）中，則可產(chǎn)生：在強(qiáng)場作用下，氣體分子因感應(yīng)變成偶極子，并被吸附在表面突出部位的原子上。氣體原子中的電子通過隧道效應(yīng)跑到固體（針尖）的空帶中去，使氣體原子電離（離化），并隨即在強(qiáng)的加速電場作用下，向外逸出，并在熒光屏上形成與試樣表面原子聯(lián)系的場離子像，其分辨率可達(dá)2.5?。這就是場離子顯微鏡（FIM）(由Müller于1950年首創(chuàng))。1968年發(fā)展了原子探針場離子顯微鏡（AP-FIM），可實現(xiàn)成分分析和結(jié)構(gòu)研究AP-FIM：研究金屬、合金原子以及吸附原子結(jié)構(gòu)，單個原子擴(kuò)散和輸運41任何一種外場探束進(jìn)入固體后，其入射束能量可分為三個分量，背反射分量IR、吸收分量IA和透射分量IT，即有：

第三節(jié)吸收與衰減作用I0

IT

IR

IA

背散射（或反射）：主要以一次入射粒子束被大角度彈性散射為主吸收作用：包括非彈性散射的能量損失和真吸收損失此能量損失往往與物質(zhì)微結(jié)構(gòu)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，如原子、分子、基團(tuán)、電子激發(fā)等，并具有特征性（或量子化）42一次探束能量的連續(xù)衰減往往與物質(zhì)的密度及原子序數(shù)（即電子組態(tài)或核外電子數(shù)目）有關(guān)

考慮一個入射束進(jìn)入靶材后，在前進(jìn)方向的宏觀衰減時，其衰減量往往是包括IR+IA的總和。因此宏觀衰減（吸收）規(guī)律服從普適的指數(shù)規(guī)律：I0－入射束初始強(qiáng)度；I－在靶中行進(jìn)x距離后的束強(qiáng)度；

－靶材的吸收系數(shù)或衰減系數(shù)；

－入射自由行程衰減系數(shù)（也叫完全吸收系數(shù)）：入射束在試樣中經(jīng)單位長度行程后的強(qiáng)度衰減43衰減系數(shù)：真吸收系數(shù)和散射系數(shù)

的大小本質(zhì)上決定于入射粒子在靶中行進(jìn)時遇到原子數(shù)目的多少，所以靶材的質(zhì)量密度

愈大，吸收系數(shù)也愈大，即有

常用質(zhì)量吸收系數(shù)

/

和質(zhì)量散射系數(shù)

/

表示，故有：一般情況下有：因此，通常用44由宏觀吸收規(guī)律可見，吸收與入射束種類、能量以及靶材種類、成分、結(jié)構(gòu)、密度等有關(guān)，因此可以建立許多研究方法電子層次：電鏡、吸收電流像、電子自旋共振（ESR）、光發(fā)射、紫外－可見吸收光譜原子層次：原子吸收光譜分子層次：紅外光譜（近、中、遠(yuǎn)紅外）、拉曼光譜原子核層次：核磁共振譜（NMR）、穆斯堡爾譜（MS）結(jié)構(gòu)層次：X射線探傷成分分析：比色、比濁、熒光X射線分析45第四節(jié)粒子與材料相互作用及其在研究方法上的應(yīng)用

46一、粒子與材料相互作用產(chǎn)生二次信息總結(jié)

47

入射粒子為光子

二次信息為光子━━光子激發(fā)出光子

COL－色譜（X光、可見、紫外、紅外、

射線吸收譜）

ELL－橢圓偏振術(shù)（Ellipsometry）

ESR－電子自旋共振（ElectronSpinResonance）

EXAFS－擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（ExtendedX-rayAbsorptionFineStructure）

IR－紅外光譜（InfraredSpectroscopy）

LS－光散射譜（LightScattering）

MS－穆斯堡爾譜（M?ssurbauerSpectroscopy）

NMR－核磁共振（NuclearMagneticResonance）

SRS－表面反射譜（SurfaceReflectionSpectroscopy）

XRD－X射線衍射（X-rayDiffraction）二、不同入射粒子產(chǎn)生的信息在材料研究中應(yīng)用

48二次信息為電子━━光子激發(fā)出電子

AEAPS－俄歇電子出現(xiàn)電勢譜（AugerElectronAppearancePotentialSpectroscopy）

AEM－俄歇電子顯微鏡（AugerElectronMicroscopy）

AES－俄歇電子譜（AugerElectronEnergySpectroscopy）

PEM－光電子顯微鏡（Photo-ElectronMicroscopy）

PES－光電子譜（Photo-ElectronEnergySpectroscopy）

SEE－二次電子發(fā)射（SecondaryElectronEmission）

SEXAFS－表面擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（SurfaceExtendedX-rayAbsorptionFineStructure）

UPS－紫外光電子譜（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy）

XEM－X光電子顯微鏡（X-rayElectronMicroscopy）

XES－X光誘導(dǎo)譜（X-rayStimulatedSpectroscopy）

XPS－X光電子譜（X-rayPhotoelectronSpectroscopy）49二次信息為中性粒子和離子━━光子激發(fā)出中性粒子和離子

LMP－激光微探針（LaserMicro-Probe）

PD－光致脫附（PhotoDesorption）50

入射粒子為電子

二次信息為光子━━電子激發(fā)出光子

APS－表觀電勢譜（AppearancePotentialSpectroscopy）

BIS－韌致輻射等色譜（BremsstrahlungIsochromaticSpectroscopy）

CL－陰極發(fā)光（CathodeLuminescence）

CIS－特征等色譜（CharacteristicIsochromaticSpectroscopy）

EPMA－電子探針顯微分析（ElectronProbeMicro-Analysis）

SXAPS－軟X射線出現(xiàn)電勢譜（SoftX-rayAppearancePotentialSpectroscopy）二次信息為電子━━電子激發(fā)出電子

AEAPS－俄歇電子出現(xiàn)電勢譜（AugerElectronAppearancePotentialSpectroscopy）

AEM－俄歇電子顯微鏡（AugerElectronMicroscopy）

AES－俄歇電子譜（AugerElectronSpectroscopy）51DAPS－消隱電勢譜（DisappearancepotentialSpectroscopy）

EELS－電子能量損失譜（ElectronEnergyLossSpectroscopy）

HEED－高能電子衍射（HighEnergyElectronDiffraction）

LEED－低能電子衍射（LowEnergyElectronDiffraction）

MEED－中能電子衍射（MediumEnergyElectronDiffraction）

IS－電離譜（IonizationSpectroscopy）

SEE－二次電子發(fā)射（SecondaryElectronEmission）

RHEED－反射高能電子衍射（ReflectiveHighEnergyElectronDiffraction）

SEM－掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscopy）

STEM－掃透電子顯微鏡（ScanningTransmissionElectronMicroscopy）

TEM－透射電子顯微鏡（Transmis