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第一章 表面科学与表面分析技术 可以观察到薄膜界面化学成分之间的相互扩散. 2 场发射电子源 + + + + 阳极1—调节电流 聚焦透镜组 样品 阳极2—加速电子 W发射体（310）面 场发射不是增加e能量,而是降低材料功函数。方法是在针状材料表面施加数千伏高电场E,改变材料的势垒,发射电流密度: 式中 ——诺德汉姆椭圆函数 ?—— 离子枪主要用于试样表面清洁、刻蚀和做SIMS的激发源。类型包括 (三) 离子源 气体放电型 等离子体源 液态金属离子源 + 1 气体放电型——氩离子枪结构原理图 e- 栅极—吸引电子 吸引极 聚焦极 Ar Ar+ 样品 G 通入Ar气 工作原理： 加热W丝热发射e； e经栅极G的正电场 加速，与Ar气碰撞产生Ar+； Ar+由吸引极引出，经由透镜聚焦到样品表面。 工作原理与上类似，但增加了能压缩等离子体的磁场中间极，使源 的密度高，亮度大。 2 等离子体源 原理：金属针与液态金属浸润但不反应,液态金属经毛细管作用到针尖，加电压使针尖液态金发生畴变,当静电引力?表面张力时形成泰勒锥体，发射正金属离子，引出极将离子引入，聚焦照射样品。 优点：亮度高，束斑尺寸小，适于作微区分析。 3 液态金属离子源 * * 本篇主要内容： 1.表面科学与表面分析技术 ； 2.表面分析仪器： 3.俄歇电子能谱 (AES)； 4.X-射线光电子能谱(XPS). 表面分析篇 一．概述 (一)表面科学——研究材料表面和近表层原子的物理化学行为，表面结构和各种应力场等。 1．新兴科学——只有近30年历史。 2．前沿科学——采用高新技术，理论性强，发展快，研究 对象为当今先进新材料等。 3．边沿科学——涉及物理，化学，材料、催化、润滑、防 腐，生物和技术科学等。 4．表面分析是表面科学的实验基础和重要分支。 （二）界面和表面的概念 1．定义： 物态之间的接触边界叫界面，其中固态━气态（或真空）接触边界叫表面。 表面 界面 磁带剖面图 聚酯基底 2．表面科学通常所研究固体表面，是固体靠近气体的一个?几个原子层，将介面转化为表面来研究。 3. 表面是固体的终端，表面原子仅受三面束缚，环境有别于体内；因而呈现不同的化学组成、化学状态、原子排列、原子振动状态；导致表面具有某种特殊的力学，光学，电磁等理化特性，进而影响材料和器件的性能。 体内原子 表面原子 （三）表面与体内的差异 1．成分差异： 由于偏析造成某些元素在表面上相对与体内富集或负富集，或者表面吸附作用均可造成成分差异。 (1)? 偏析： a．平衡偏析，由晶体热力学控制； b. 非平衡偏析，为暂态过程，可由淬火、辐照等引起。 (2) 吸附:吸附力来源：表面原子悬空键即未饱和电子键 a.化学吸附：外来物质与表面原子间形成化学键； b.物理吸附：外来物质与表面分子间以分子间力结合。 (3) 界面扩散 (4) 其它因素 Si 上生长 TiN/SiO2薄膜的XPS深度断面分析. TiN SiO2 Si 基底 TiN SiO2 Si 基底 2．结构差异 (1) 重构：表面最外层单原子层的周期性排列不同于体内，但表层与亚表层的层间距ds和体内的db相同，即 ds=db = d0 asab as ab ds db （2）驰豫：表层与亚表层的层间距ds和体内的db不相同，即 ds≠db (3)台阶表面——材料微观表面是凹凸不平的。 位错管： 位错在表面的露头。位错表面晶体结构混乱，原子活泼，腐蚀时往往从该处开始 (俗话：苍蝇不叮无缝的蛋)。 台阶表面； 台阶处出露不同晶面，不同晶面吸附力不同；台阶拐弯处外来物质可以受到来自两个表面的作用，易产生牢固的吸附作用。 3．表面原子的电子结构差异 表面原子所处环境与体内不同，使其周围的电子能量、空间分布价态分析均不同于体内，也是材料表面的理化性质不同于体内的重要原因。 二、表面分析技术 1．表面分析技术特点 表面分析可以提出下述信息： i)表面化学成分 ii)表面元素化学状态(价态、化学键类型、电磁分布……