第八章表面检测技术

1、表面分析表面分析表面性能检测表面性能检测 表面分析仪器表面分析仪器8.1.18.1.2表面分析分类概述表面分析与表征研究，包括对各种表面形貌、表面层显微组织、表面层的晶体结构、表面层的化学成分与成分分布、表面原子态与表面电子态等的分析。这些分析对表面工程的设计、制造、研究和使用都是极为重要的。表面分析测试是以获得固体表面(包括薄膜、涂层)成分、组织、结构及表面电子态等信息为目的的试验技术和方法。 电子显微分析 衍射分析 扫描探针分析 电子能谱分析 光谱分析 离子质谱分析 分析方法 图8-1 TEM构造原理和光学系统实线：中间镜物平面与物镜像平面重合时观察到显微图像虚线：中间镜物平面与物镜背焦面

2、重合时观察到电子衍射谱在FIM后配置飞行时间质谱仪就构成原子探针，即组成所谓的原子探针场离子显微镜（AP-FIM），用它可以分析样品表面单个原子的化学成分。因此用FIM以及APFIM可以研究样品表面原子结构和原子运动行为。 ndsin2Kb/sinhasin图8-9垂直入射的一维点阵的衍射图8-10二维点阵示意X射线管射出的X射线射打在试样上，由试样产生所含元素的二次X射线（即X射线荧光）向不同方向发射，只有通过准直管的一部分形成一束平行的光投射到分光晶体。分光晶体用LiF或NaCl等制成，它相当于光栅或棱镜的分光作用，把一束混杂各种波长的二次X射线按波长不同的顺序排列起来。改变分光晶体的旋转

3、角，则检测器相应地回转，投射到检测器上的X射线只能为某一种（或几种）波长。由于分光晶体的旋转角在一定条件下对应于某一定波长，故角就是定性分析的依据。从检测器接收到的X射线强度就对应于某一波长X射线强度，它表示样品中含有该原子的数量，因此是定量分析的依据。图8-14为俄歇电子能谱仪示意图。最简单的俄歇电子能谱仪包括真空系统、激发用电子枪和对发射的二次电子(俄歇电子)进行能量分析的电子能谱仪。因为俄歇电子能谱法对表面非常敏感，所以最基本的条件是要求有一个超高真空系统（10-8Pa）。除了上述这些基本条件外，现在使用的俄歇电子能谱装置大都附带有离子枪，离子枪用来对表面进行剥蚀，这样，通过离子溅射对样

4、品逐层剥蚀，可获得元素浓度沿样品成分分布图。其深度分辨率为510 nm。饿歇电子能谱仪的这一功能是研究多层膜和界面的有力手段。SPbKEhvEkEbEiEFEiFbEEEspSIMS模式模式真空度真空度/Pa束流强度束流强度/A束斑直径束斑直径离子能量离子能量/keV研究对象或用研究对象或用途途静态10-610-1010-8毫米0.35痕量分析动态10-7微米至亚微米5表面吸附物、有机物特征特征束流强度束流强度束斑直径束斑直径/ m分析区分析区/ m横向分辨本横向分辨本领领探测极限探测极限/%离子探针0.1100pA110约100nm约0.1离子显微镜1Na 100150约1 m约10-40 Edxxyll0a)(1RniynR1ia)1(iyaR221ee n维氏硬度维氏硬度努氏硬度努氏硬度金刚石角锥压头金刚石菱形压头相对面夹角136o长边夹角 相对变夹角 短边夹角130o压痕深度 压痕深度 符号符号测量单位测量单位说明说明维氏努氏FN试验力/N试验力/ND压痕两对角线长度和的算术平均值 压