第四讲 - RBS 有关金属材料的分析手段.ppt

材料学中常用的分析方法Instrumental Analysis in Materials Science 北京科技大学材料科学学院 唐伟忠 Tel: 6233 4144 E-mail: wztang@mater.ustb.edu.cn 第四讲 卢瑟福背散射谱 弹性反冲谱（前向反冲谱） （离子散射谱, 低能离子散射谱） RBS/ERS(FRS)/（ISS，LEISS） 问题： RBS/ERS 作为一类成分分析技术，与EXD/WDX, AES/XPS, SIMS 等技术相比有什么特点？ RBS的实验装置 —— 需要小型加速器 高能离子与物质的弹性碰撞 RBS实验装置的示意图 RBS 方法是高能离子的弹性碰撞过程，而对高能离子弹性散射的描述需要了解三个问题 1. 离子散射过程前后的能量关系 RBS 的运动学因子 运动学因子 K 随 M1, M2 的变化 ——为什么多选用4He2- 运动学因子 K 随角度 ? 的变化 ——为什么多选用?=170? 离子被物质散射的几率 ——离子的散射几率Q/Q0 散射截面? C/Mg/Br单原子层的RBS 不同的元素有不同的检测灵敏度 不同元素对4He+离子的散射截面(纵轴)和运动学因子(横轴) ——结合二者， 可用于确定成分（重粒子的散射截面大，易于被探测，但轻粒子的运动学因子变化大，易于被分辨） PtCu合金/C薄膜的RBS谱 应用：AuAgCu合金薄膜/Si的RBS谱 C 薄膜上各种微量杂质的RBS检测极限 Au/Al/Au薄膜RBS谱 Si表面不同厚度Pt薄膜的RBS谱 RBS过程中，离子能量的耗散 RBS过程中离子能量的耗散?E RBS过程中离子能量的确定 RBS离子能量耗散后散射几率的提高 一元、二元材料RBS谱的简单形式 Ni/Si界面间的反应 应用：Si中注入As(重元素）后的RBS谱 Al/YEuGaFeO/GdGaO薄膜的RBS谱 RBS spectrum of a 37nm-ITO/PET film 4. RBS的结构敏感性 —— 通道效应（channeling) RBS通道效应(channelling)的示意图 通道效应的情况下背散射离子散射几率会出现角度依赖性 W(100)晶体的通道效应 EuBaCuO超导薄膜100晶向的通道效应 (a) 152Eu、138Ba (b) 63Cu (c) 16O H+离子注入造成的Si(100)晶格损伤 Si（100）晶格损伤层的深度分布 RBS spectrum of a 300nm thick AlN/Si 杂质原子造成的退通道效应(dechanneling) 2. ERS过程中 散射截面?和离子的散射几率Q/Q0 3.ERS过程中散射离子能量的耗散?E Si表面不同厚度含D聚苯乙烯薄膜的ERS ISS的示意图 ISS装置的示意图 ISS时离子散射后的能量E’ ISS(LEIIS)中离子的散射几率Q/Q0 低能离子的散射截面? 0.17%Pb-Sn合金表面成分的偏析 （ISS谱）(a)整体(b)表面(Pb聚集) Au/Ag/Cu-Be触头表面腐蚀后的硫化物 Rh/Al2O3的ISS谱 500eV He+, ??137?（其中，Rh只有约一原子层厚） Al合金污染表面的ISS谱 第四讲 RBS / ERS 小结 分析原理及应用： RBS：高能轻离子垂直入射，探测其背散射几率与能量，获知表层成分深度分布。 通道及退通道效应：过程同RBS，获知表层晶格缺陷种类及深度分布 ERS：高能重离子斜入射，探测轻粒子前冲几率与能量，获知轻元素表层深度分布。 ISS：中等能量轻离子斜入射，探测其自身散射几率与能量，获知最表层成分。 第四讲 RBS / ERS 小结 探测元素范围： RBS：Li及其后所有元素（4He+入射） ERS：H、D、T （4He+入射） ISS：同RBS 定量成分分析能力： RBS、 ERS： 绝对量测量，误差2-5% ISS： 相对量测量, 误差较大 第四讲 RBS / ERS 小结 元素探测极限： RBS：对重元素，可达0.01%量级 ERS： 对H、D元素，0.01%量级 ISS：同RBS 深度成分分析范围： RBS、 ERS： ? 0.5?m ISS： 表面第一层原子。结合溅射，10nm 第四讲 RBS / ERS 小结 空间分辨本