低能离子散射谱（ISS）.ppt

电子能谱学第11讲低能离子散射谱（ISS） 朱永法 清华大学化学系 2004.12.28 内容提要 ISS的概念和基础 ISS可以提供物理化学信息 ISS的研究对象 ISS的信息特点 ISS的应用领域 吸附，反应，偏析,结构等 发展历史 低能离子散射作为一种表面分析方法是由Smith首先提出的 ； 使用He、N e和Ar作为离子束，能量为0.5—3.0千电子伏。靶是多晶钼和镍，得到了从基质表面原子和吸附物质(如氧和碳)散射的尖锐谱峰。 Smith还对吸附在银上的一氧化碳进行了研究，由碳峰和氧峰的相对高度推导出CO的吸附结构信息。后来Smith又根据峰的相对高度识别出硫化镉单晶体的镉面和硫面。这表明低能离子散射不仅能作化学成分分析，还能作表面结构分析 ； 从此以后，ISS开始成为一种表面分析手段； ISS概念 在离子同固体表面的相互作用下，若检测的粒子是经表面碰撞后背散射出来的入射离子，测量它们碰撞后损失的动能，可获得有关表面原子的种类及晶格排列等信息。 当入射离子能量较低时(离子动能为100电子伏至几千电子伏)，可以得到低能离子散射增(ISS)； 当入射离子能量很高时(25千电子伏到几个兆电子伏)，称为卢瑟福背散射(RBS)。当初，卢瑟福曾使用这种散射探知了原子核的存在。 RBS的发展也很快，当能量分辨率足够高时，可以无损地进行纳米薄膜厚度的分析； 低能离子散射被用来研究离子与固体表而的相互作用。实验证实了低能离子与固体原子的碰撞主要为弹性碰撞。 Smith曾用0.5—3千电子伏的He＋，Ne＋及Ar＋离子在多晶的Mo和Ni上散射，获得了靶原子(Mo或Ni)以及吸附在表面上的C，O的ISS谱线，表明ISS技术是一种有效的表面分析手段； 其实由于低能离子的散射截面和离子在表面内外的中和几率都很高，使得ISS的信息深度仅仅是表面的最外一层或二层，成为名符其实的表面分析手段。 这种单原子层的灵敏度，在诸如多相催化剂、原子扩散、合金的分凝、氧化、腐蚀的研究中是非常重要的，它使ISS成为最有效的表面分析手段之一。 ISS与RBS的比较 低能离子散射是真正的表面方法。低能谱上尖锐的特征峰代表了深度只有几埃处的散射．高能离子散射时探测深度大得多，得到的谱一般很宽． 由于高能离子散射的探测深度较大，所以用它进行薄膜分析和表层分析。深度分辨率可达几个纳米，无需行逐层剥蚀。 高能散射时，散射产额的定量解释比较简单，符合卢瑟福散射定律。而在低能散射时．还必须考虑电子对原子核的屏蔽作用。 ISS装置 用低能离子散射进行表面分析其基本方法非常简单。用能量为0.1—10keV单能平行离子束打在靶面上，然后和某一特定角度上测量散射离子的能量分布即得到能谱。 在能谱上，根据峰的位置和高度就能了解表面原于的质量、化学成分或原子数目。 在单晶靶的情况下，随入射角和反射角的变化会产生不同的峰位和相对高度，由此还可得到表面结构的信息。 低能离子散射谱仪比较简单,除激发源为离子枪外,其它如超高真空室、能量分析器和检测器等均相同于ＸＰＳ谱仪,只不过此时能量分析和检测的是正离子而不再是电子 ； ISS仪器原理图 离子源 离子是由离子枪产生的，通常是用电子轰击压力为5×l0－6到l0－3托的气体而得到。离子流密度约在几十微安／厘米2，离子能量在500eV一2KeV内，能量分散性约2eV。 在低能离子散射中，最常用的惰性气体是氦、氖或氩。离子源处于正加速电位。离子由一个负偏置电极通过一个小光阑从离子源取出，再通过透镜系统形成离子束。 在表面分析中离子源的重要参数有：(1)能量分散不应大于几伏；(2)从离子源得到的离子流最少几微安(3)发散角为小于1度。（4) 气体向离子源的泄漏要能精确控制，供给电子的灯丝要便于更换，这些因素都很重要。 真空系统和散射室 低能散射要求良好的真空条件，其真空度要优于高能散射时的最低要求。实验过程中．散射室的压力应在l ×10－9托或更低。 这是因为低能离子散射法对表面非常敏感，本底气体的吸附层会严重地减小分析表面的离于散射产额。为了对“实际的”或工程样品进行成分分析，应通过适当的抽真空和预先烘烤器壁来减少残余气体。 对表面结构的研究还应能对靶表面进行就地清洁和通过退火保持有序表面，并能适当控制气体量以进行吸附研究。 能量分析器 静电式电子能量分析器，如CMA、SDA都可以用作正离子能量分析器，只须特有有关电位开关的极姓反转即可。这也使ISS技术易于同AES、XPS等分析技术兼容。 正离子探测也常用电子通道板倍增器。入射到倍增器的离子需加速至3千电子伏以增加灵敏度。前置放大器，脉冲计数等信号处理系统与AES、XPS等相同。 ISS原理 基本原理已知质量ｍ1和能量Ｅ0的一次离子入射到样品表面(靶原子质量ｍ2)后,在固定散射角处