低能离子散射分析技术.ppt

低效离子散射技术分析 主要介绍 发展历程 应用 分析原理以及入射离子选取 低能离子束散射谱ISS 定义：用一定能量和种类（原子种类和带电量）的低能离子束撞击表面，分析经过与表面作用后反射回来的原离子束，分析其能量的变化，这种能量的变化包含了表面的一部分信息 60年代初 ，荷兰物理学家基斯特马克（J.Kistermaker）发现离子诱导辐射现象 1973年开始离子束表面散射的研究 与二次离子质谱一起成为表面分析的有效工具 应用 1清洁表面结构分析 2表面组态分析 3材料纯度分析 4用于监视对半导体材料的元素扩散、注入或催化表面的污染 5用离子束分析薄膜的污染和组成，薄膜结构以及薄膜界面的研究，特别是用于薄膜太阳电池的研究 6用于研究催化剂或其他表面 7研究表面的结构、吸附与电性能（如电子发射）之间的关系 与二次离子质谱的异同 相同点：都使用一定种类和能量的离子束入射到表面 入射离子能量范围：20ev~10kev(ISS),kev级（SIMS） 研究对象：经过与表面作用后反射回来的原离子束，并且分析其能量（ISS） 被入射离子束电离了的、从表面层发射出来的新离子，并分析其质量（SIMS） 各种表面分析方法的分析深度 ISS只能分析第一层表面原子 二次离子质谱SIMS分析深度大约为10? 俄歇电子谱AES 真空紫外光电谱UPS 离子探针IMP X射线光电子谱XPS 基本原理 单粒子弹性散射模型的基本假设 1入射离子为单色离子束 2被撞击的表面原子为初始状态为静止，忽略热振动 3表面原子间的作用为单粒子间作用 4碰撞为弹性，满足能量守恒和动量守恒 E0=E1+E2 P0=P1+P2 从能量守恒和动量守恒出发进行分析 E0=E1+E2， P0=P1+P2 代入具体量： m1v02=m1v1v2cosθ1+m2v2v0cosθ2 p12= A=m2/m1 ,处理后的结果： K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2 得到能量比K、质量比A和散射角θ1之间的关系 K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2 K=E1/E0, A=m2/m1 其中E0、m1、θ1固定且已知，E1为实验测得，根据上式可以计算得到m2，从而得到表面原子的种类等信息 单粒子散射模型的局限性 1表面邻近原子作用（弱作用-准单粒子散射） 2表面原子热振动 离子散射作用时间：10-16s 常温下表面原子振动周期：10-12s 3非弹性散射 4表面离子中和，大大减小弹性散射束的强度 5多次散射（二次散射）：入射离子发生多次散射之后再出射 二次散射能量分布： K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2X﹝cosθ2+（A2-sin2θ2）1/2﹞2/(1+A)2 其中θ1和θ2为两次散射的散射角 总散射角θ= θ1 + θ2 离子表面散射能量变化与散射角的关系图 横轴散射角，纵轴为E1/E0 双散射的曲线是闭合的，对于一定入射角入射的离子，散射角 存在极小值 （阴影效应） 阴影效应的解释 发生多次散射的离子与靶原子至少有一次碰撞，这次碰撞后入射离子无法进入阴影区域 推测原因：1入射离子质量小于靶原子 2入射离子能量低 3被撞击靶原子在材料中受到其他原子的固定作用（结合力） 这三个原原子被撞击后移动很小，近似为静止。由于入射离子波动性不明显，这样多次散射入射粒子无法绕到靶原子后方的阴影区 按照这种假设，阴影区的大小和靶原子的大小和种类以及入射离子种类有关，方向与离子入射角度有关 如果考虑靶原子的移动，则还与m1/m2、入射离子能量，以及靶原子在材料表面结合力的大小有关