现代材料分析与测试技术第9章表面成分分析.ppt

第九章 材料表面成分分析 在研究表面现象时，用于分析的仪器: 必须具有极高的真空度10-7 -10-8Pa； 信息检测系统要有很高的灵敏度。 与表面结构和成分分析有关的仪器和技术主要有： 俄歇电子能谱分析(AES)； 离子探针(IMA)； 场离子显微镜和原子探针(FIM)； 低能电子衍射(LEED)。 X射线光电子能谱(XPS) 9.1 俄歇电子能谱分析 9.1.1 原理和仪器结构 俄歇电子的产生 当样品原子的内壳层电子受入射电子的激发而留下空位时，外层较高能级的电子将自发地向低能级的内壳层空位跃迁，跃迁时多余的能量将以X光子形式辐射出来，或引起另一外层电子电离，从而发射一个具有一定能量的电子，称为俄歇电子。上述这两种释放能量的方式分别称为辐射跃迁和俄歇跃迁。如果用WX 和WA分别表示两种跃迁的几率，则 WX＋WA＝1 俄歇跃迁也可以发射出各种不同能量的俄歇电子，例如 K层引起：KL1L1，KL1L2，KL1L3…； L或M层引起：LMiMj或MNiNj俄歇电子(i＝1,2，3,4或5;j＝1,2,3,4或5) 它们的能量比相应线系的X光子的能量稍低。 对于Z15的轻元素的K系，以及几乎所有元素的L系和M系，俄歇电子产额都是很高的，因而对于分析轻元素而言，采用俄歇电子信息的分析灵敏度比用特征X射线要高； 而对中、高原子数的元素，采用L系或M系俄歇电子信息也比采用相应线系X射线灵敏度高。 通常对于Z≤14的元素，采用KLL 俄歇电子信息; Z＞14时的元素，采用LMM电子较合适; Z≥42时，以采用MNN和MNO电子为佳。 产生初始电离所需的入射电子能量都不高，大约2keV即可足够。 大多数元素在50－1000eV的能量范围内都有产额较高的俄歇电子。 有效激发体积(空间分辨率)取决于入射电子束直径及俄歇电子发射深度。 俄歇电子，发射深度仅限于表面以下大约1 nm以内的深度，约相当于表面几个原子层，特别适于用来分析晶界成分及表面氧化或腐蚀等过程。 目前，利用细聚焦入射电子束的俄歇谱仪可分析直径大约30nm面积内的表面化学成分 2.俄歇电子的检测 目前，有两种能量分析器用于记录N(E)和dN(E)/dE分布。 (1)阻挡场分析器(Resist Field Analyzer,简称RFA)。 (2)筒镜分析器(Cylindrical Mirror Analyzer，简称CMA) 9.1.2 俄歇能谱的测量和分析 俄歇电子能谱采用,X－ Y记录仪或阴极射线管记录谱线。 扫描电压U聚作X坐标信号 把相敏检波器的输出信号取作Y座标信号，即dN(E)/dE 利用扫描俄歇谱仪进行成分分析主要有下述四种方式。 (1)点分析或一定面积内的平均成分分析 (2)线分析 (3)元素面分布图 (4)纵向浓度分布 (1)点分析或一定面积内的平均成分分析 （2）线分析 入射电子束沿预先定的某一直线扫描，显示出该元素给定直线的浓度变化。 (3)元素面分布图 入射电子束在待分析区内作光栅扫描，得到该元素的俄歇电子显微像。 (4）纵向浓度分布 利用离子枪对样品表面进行溅射刻蚀，然后逐层测定其化学成分，则可以得到元素沿纵深方向的浓度分布。这种分析手段是电子探针无法做到的。 9.1.3俄歇电子能谱技术的应用 研究金属及合金脆化的本质 了解微合金化元素的分布特性 复合材料界面成分的分析 俄歇谱仪主要用于研究表面和界面的问题，这类问题在材料科学研究中是经常遇到的关键性问题。 AES在材料科学研究中的应用实例 1、物相鉴别 2、断口表层元素分析 3、定量元素分析 9.2 X射线光电子能谱 9.2.1.表面分析能谱的基本原理 1.1 固体表面的激发与检测 由激发源发出的具有一定能量的X射线、电子束、紫外光、离子束或中子束作用于样品表面时，可将样品表面原子中不同能级的电子激发出来，产生光电子或俄歇电子等。 这些自由电子带有样品表面信息，并具有特征动能。通过能量分析器收集和研究它们的能量分布，经检测记录电子信号强度与电子能量的关系曲线。此即为电子能谱。 电子能谱分为三类 1 .X射线电子能谱（ESCA或XPS） 用X射线作用于样品表面，产生光电子。通过分析光电子的能量分布得到光电子能谱(ESCA)。 这是研究样品表面组成和结构的最常用的一种电子能谱。 2.紫外光电子能谱（UPS) 它是以紫外光作激发源，由于它的光量子能量较低，射线宽度窄（＜0. O1eV），所以只能激发原子的价电子。 适用于量子化学的研究。 3.俄歇电子能谱(AES) 它以电子束为激发源，与样品作用会产生各种次级电子，俄歇电子是其中一种。通过研究俄歇电子的能量分布而得到俄歇电子能谱。 可用于表面成分的快速分析 9.2 .2光电效应和X射线光电子能谱