第十二章 表面分析.ppt

表面的分析 表面分析的一般概念 通常所说的表面分析是属于表面物理和表面化学的范畴，是对材料表面所进行的原子数量级的信息探测。 表面（层）检测大致包括一下内容： （1）外观检测 END 了解微合金元素的分布特征 早在五六十年代，人们就发现微合金化对材料组织和性能有很大影响。如结构钢加硼可以提高淬透性，高温合金加B、Zr、稀土元素可提高抗蠕变性能等。 但金相观察或化学分析均无法查知这些元素的存在形式和分布状态。有人推测，可能由于表面吸附现象，使这些元素富集在晶界上，从而改善晶界状态，进而影响相变过程及提高高温下晶界的强度。俄歇谱仪为研究这些微量元素的作用机理提供了有效的手段。 复合材料界面成分的分析 复合材料中增强纤维与基体金属之间的结合力，与界面上杂质元素的种类及含量有着极密切的关系，为了获得所要求的基体和纤维的相容性，必须控制基体成分和杂质含量。在选择扩散阻挡层的成分、种类的研究中，俄歇谱仪都成为一种必须的试验手段。 二、 X射线光电子能谱分析 1981年获诺贝尔物理学奖 K.Siegbahn “X射线光电子能谱（简称X-Ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）”也称为“化学分析用电子能谱（简称ESCA）”，它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。 用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是X射线光电子能谱。 X射线光电子能谱仪的基本工作原理是： 用一定能量的光子束（X射线）照射样品，使样品原子中的内层电子以特定几率产生光电子，光电子从表面逸出进入真空，被收集和分析。由于光电子具有特征能量，其特征能量主要由出射光电子束能量及原子种类确定。因此， 在一定的照射光子能量条件下测试光电子的能量，可以进行定性分析，确定原子种类； 根据光电子信号的强度，可半定量地分析元素含量； 根据光电子能量峰的位移和形状变化，可获得表面元素的化学态信息； X射线光电子能谱分析特点 分析层薄 分析信息来自固体样品表面0.5～2nm区域薄层。为什么得到的是表面信息呢？ XPS是一种对样品表面敏感，主要获得样品表面元素种类，化学状态及成分的分析技术，特别是对各元素的化学状态的鉴别。 XPS具有以下特点： 这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面。用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的信息。 分析元素范围广 可分析出H和He以外的所有元素。 具有测试深度-成分分布曲线的能力 如果用离子溅射枪溅射剥蚀表面，用X射线光电子能谱进行分析，两者交替进行，就可以得到元素及其化学状态的深度分布情况。 空间分辨率差 由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。XPS的空间分辨率大约为10~100μm。 数据收集速度慢 X射线光电子谱中峰的种类 光电子峰和俄歇峰 光电子峰在谱图中是最主要的，它们是具有特征能量的光电子产生。光电子峰的特点是：谱图中强度最大、峰宽最小、对称性最好。 由于光电子的产生，随后必然会产生俄歇电子，俄歇电子的能量具有特征值，在光电子谱中也会产生俄歇峰。 由于俄歇电子的动能与激发源无关，因而对于同一样品，在以动能为横坐标的XPS谱线全图中，俄歇谱线的位置不会因改变X射线激发源而发生变动。 俄歇峰的这一现象正好与光电子的情况相反。对于光电子峰，在以结合能为横坐标的的XPS谱线全图中，其位置不会因X射线激发源的改变而发生变动。显然，利用这一点，在区分光电子与俄歇谱线有困难时，利用换靶的方法就可以区分出光电子峰和俄歇峰。 X射线伴峰和鬼峰 X射线伴峰产生的原因是：在用于辐射的X射线中，除特征X射线外，还有一些光子能量更高的成分。鬼峰主要是由于靶受到污染而导致。 * 前 言 表面分析的重要性 固体的表面状态，对于材料的性能，有着极其重要的影响。例如，材料的氧化和腐蚀、强韧性和断裂行为、半导体的外延生长等等，都与表面层或几个原子层以内原子尺度上的化学成分和结构有着密切的关系。因此，要求从微观的、甚至是原子和分子的尺度去认识表面现象。 表面分析的难点 但是，由于被分析的深度和侧向范围是如此浅薄和细微，被检测信号来自极小的采样体积，信息强度十分微弱