薄膜材料成分分析方法

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1、薄膜材料成分分析方法到目前为止，对薄膜结构和成分分析的研究方法已达一百多种。但它们具有共同的特征：利用一种探测束——如电子束、离子束、光子束、中性粒子束等，从样品中发射或散射粒子波，他们可以是电子、离子、中性粒子、光子或声波，检测这些粒子的能量、动量、荷质比、束流强度等特性，或波的频率、方向、强度、偏振等情况，来分析材料化学组成、原子结构、原子状态、电子状态等方面的信息。表面分析方法的特征注：输入箭头表示探测粒子或手段，输出箭头表示发射粒子或波薄膜成分分析方法介绍按探测“粒子”分类，表1列出一些薄膜成分分析方法。探测粒子发射粒子名称英文简称基本过程测量主要用途信息深度ee俄歇电子谱AES俄歇

2、退激发电子产额对能量的一次微商谱表面成分单层或几层原子层ee扫描俄歇微探针SAM俄歇退激发表面微区的俄歇电子谱表面成分分布单层或几层原子层ee电离损失谱ILS电子产额对能量的一次微商谱成分e能量弥散X射线谱EDXS成分e软X射线出现电势谱SXAPS辐射退激发软X射线产额对电子能量的一次微商谱表面成分几层原子层ee消隐电势谱DAPS成分ee俄歇电子出现电势谱AEAPS俄歇退激发样品电流对入射电子能量的一次微商谱表面成分几层原子层eI电子感生脱附谱ESD吸附键断裂脱附粒子的质谱表面吸附成分及其状态单层探测粒子发射粒子名称英文简称基本过程测量主要用途信息深度II次级离子质谱SIMS离子溅射次级

3、离子的荷质比表面成分单层原子层II离子探针IMSIMMA离子溅射表面微区次级离子质谱表面成分分布单层或数层原子层II离子散射谱ISS非弹性背散射散射离子产额与能量的关系表面成分、表面结构单层原子层II卢瑟福背散射谱RBS非弹性背散射散射离子产额与能量的关系成分的深度分布单层-1微米热能n热脱附谱TDS吸附键断裂脱附粒子的质谱表面吸附成分和吸附状态单层原子层I质子（或离子）感生X射线谱PIX,IIX辐射退激发X射线强度与波长的关系表面成分的深度分布单层-1微米eX射线光电子谱XPS光电子发射发射电子的能谱表面成分及其化学状态单层-数层eX射线能谱EDS特征X射线能谱成分荧光X射线荧光光谱X

4、RF成分探测粒子发射粒子名称英文简称基本过程测量主要用途信息深度辉光放电质谱仪GD-MS成分电感耦合离子体发射光谱仪ICP特征光谱成分原子吸收光谱仪AAS成分常用成分分析方法介绍重点介绍如下：离子作为探测束的成分分析方法X射线作为探测束的成分分析技术离子散射谱分析离子散射谱卢瑟福背散射二次离子质谱分析(SIMS)通过分析中性粒子和离子碰撞引起的光辐射研究表面成分（如ICP-AES)俄歇电子能谱(AES)X-射线光电子能谱（XPS）X射线荧光光谱分析(XRF)电子束作为探测束的成分分析技术：X射线能谱仪成分分析（EDS)离子作为探测束的表面分析方法离子散射谱分析以离子作为探测束，与靶原子进行弹

5、性碰撞。根据弹性散射理论，分析散射或背散射所携带的有关靶原子的信息，得到最表层的信息。离子散射谱一般分为两种：a.离子散射谱(ISS):低能离子散射谱；b.Rutherford背散射谱(RBS):高能离子散射谱。离子散射谱(ISS)分析机理：用低能(0.2－2keV)的惰性气体离子与固体相互作用时，可发生弹性散射和非弹性散射两种情况。选择入射离子的能量，使之低于某一数值后可以使其与表面主要发生弹性散射。通过对散射离子能量进行分析就可以得到表面单层元素组分及表面结构的信息。由于信息来自最表层，因而ISS成为研究表面及表面过程的强有力的分析手段。ISS分析的原理示意图特点：1、入射离子的质量越轻

6、，碰撞后运动状态的改变越大。因此，ISS最常选用的离子是He+，但它不易分辨重元素；2、ISS信息来自最表面层，且能探测表面的结构，因而成为研究最表层的成分和结构的有效手段，并常用于吸附/解吸和发射等表面过程的研究；3、ISS对不同元素的灵敏度的变化范围在3－10倍之间，分析时对表面的损伤很小。但定量分析有一定的困难，谱峰较宽，质量分辨本领不高，检测灵敏度为10-3。卢瑟福背散射（RBS)分析机理：一束MeV能量的离子(通常用4He离子)入射到靶样品上,与靶原子(原子核)发生弹性碰撞(见图1a),其中有部分离子从背向散射出来。用半导体探测器测量这些背散射离子的能量,就可确定靶原子的质量,以及

7、发生碰撞的靶原子在样品中所处的深度位置;从散射离子计数可确定靶原子浓度。离子与靶原子的弹性碰撞特点：1.RBS分析方法简便,分析速度快,结果定量、可靠,不必依赖于标样,不破坏样品宏观结构,能给出表面下不同种类原子的深度分析，并能进行定量分析；2.RBS的典型深度分辨率为10－20nm；3.RBS探测重元素的灵敏度很高，但对轻元素的探测则受到严重的限制；4.C,N,O是普遍存在且对固体的近表面区很重要的元素，但