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电子能谱学第9讲俄歇电子能谱的应用 朱永法 清华大学化学系 2005.11.21 34 Port:20 User:lesson pass:lesson 俄歇电子能谱提供的信息 固体表面的能带结构、态密度 ,电子态; 表面的物理化学性质 变化 元素组成,含量,化学价态,深度分布,微区分析等信息 表面吸附、脱附以及表面化学反应 ; 材料组分的确定,纯度的检测,材料特别是薄膜材料的生长 等; 电子器件的失效分析,材料的腐蚀等; 俄歇电子能谱的应用 表面清洁 表面吸附和反应 表面扩散 薄膜厚度 界面扩散和结构 表面偏析 摩擦润滑 失效分析 电子材料 核材料 催化剂 纳米材料研究 固体表面清洁程度的测定 在研究工作中,经常需要获得清洁的表面。 一般对于金属样品可以通过加热氧化除去有机物污染,再通过真空热退火除去氧化物而得到清洁表面。 最简单的方法则是离子枪溅射样品表面来除去表面污染物。 样品的表面清洁程度可以用俄歇电子能谱来实时监测。 表面吸附和化学反应的研究 由于俄歇电子能谱具有很高的表面灵敏度,可以检测到10-3原子单层,因此可以很方便和有效地用来研究固体表面的化学吸附和化学反应。 不仅可以分析吸附含量,还可以研究吸附状态以及化学反应过程 表面吸附研究 表面吸附反应 表面清洁度检测 薄膜厚度测定 通过俄歇电子能谱的深度剖析,可以获得多层膜的厚度。 由于溅射速率与材料的性质有关,这种方法获得的薄膜厚度一般是一种相对厚度。但在实际过程中,大部分物质的溅射速率相差不大,或者通过基准物质的校准,可以获得薄膜层的厚度。 这种方法对于薄膜以及多层膜比较有效。对于厚度较厚的薄膜可以通过横截面的线扫描或通过扫描电镜测量获得。 薄膜厚度的测定 TiO2薄膜层的溅射时间约为6分钟,由离子枪的溅射速率(30nm/min),可以获得TiO2 薄膜光催化剂的厚度约为180nm。 该结果与X射线荧光分析的结果非常吻合(182nn) 深度的定义 16%-84%处 薄膜的界面扩散反应研究 在薄膜材料的制备和使用过程中,不可避免会产生薄膜层间的界面扩散反应。 对于有些情况下,希望薄膜之间能有较强的界面扩散反应,以增强薄膜间的物理和化学结合力或形成新的功能薄膜层。而在另外一些情况则要降低薄膜层间的界面扩散反应。如多层薄膜超晶格材料等。 通过俄歇电子能谱的深度剖析,可以研究各元素沿深度方向的分布,因此可以研究薄膜的界面扩散动力学。 同时,通过对界面上各元素的俄歇线形研究,可以获得界面产物的化学信息,鉴定界面反应产物。 薄膜的界面扩散反应研究 难熔金属的硅化物是微电子器件中广泛应用的引线材料和欧母结材料,是大规模集成电路工艺研究的重要课题,目前已进行了大量的研究。 薄膜样品在经过热处理后,已有稳定的金属硅化物层形成。同样,从深度分析图上还可见, Cr表面层已被氧化以及有C元素存在。这主要是由热处理过程中真空度不够以及残余有机物所引起的。 此外,界面扩散反应的产物还可以通过俄歇线形来鉴定。 薄膜的界面扩散反应研究 薄膜的界面扩散反应研究 薄膜的界面扩散反应研究 金属Cr的MVV俄歇线的动能为32.5 eV, 而氧化物Cr2O3的MVV俄歇线的动能为28.5 eV。 在金属硅化物层及界面层中,Cr MVV的俄歇动能为33.3 eV,该俄歇动能比纯金属Cr的俄歇动能还高。 根据俄歇电子动能的讨论,可以认为在金属硅化物的形成过程中,Cr不仅没有失去电荷,并从Si原子得到了部分电荷。这可以从Cr和Si的电负性以及电子排布结构来解释。 Cr和Si原子的电负性分别为1.74和1.80,表明这两种元素的得失电子的能力相近。而Cr和Si原子的外层电子结构分别为3d54s1和3s13p3。当Cr原子与Si原子反应形成金属硅化物时,硅原子的3p电子可以迁移到Cr原子的4s轨道中,形成更稳定的电子结构。 离子注入研究 固体材料表面的离子注入是最常用的材料表面改性手段; 注入离子在固体材料内部的注入分布,注入量以及化学状态对材料的性能有重要影响。 通过俄歇电子能谱的深度剖析,不仅可以研究离子注入元素沿深度方向的分布,还可以研究注入元素的化学状态。 固体表面的离子注入 可以利用深度剖析直接分析注入元素的分布和含量; 利用俄歇化学效应可以分析注入元素的化学状态; 离子注入层的厚度大约35nm,而注入元素的浓度达到12%。 仅从Sb离子的注入量和分布很难解释离子注入薄膜的电阻率的大幅度降低。 固体表面的离子注入 固体表面的离子注入 在注入层中,Sb MNN的俄歇动能为450.0 eV和457.3 eV,而纯Sb2O3的俄歇动能为447.2 eV和455.1eV。 表明离子注入的Sb并不以三价态的Sb2O3存在,也不以金属态存在。 由此可见,离子注入S
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