离子散射谱ISS

1、1离子散射谱(ISS) 2内 容 提 要n引言nISS基本原理nISS谱仪nISS分析nISS的应用3引 言材料表面分析技术表面形貌分析表面组分分析表面结构分析 ISS对固体表面离子散射的研究，最早源于1967年。当时，Smith首先低能粒子散射做表面分析。4引 言n离子作为探测束的优点：可得到最表层的信息，具有很高的检测灵敏度，能给出十分丰富的表面信息等n离子散射谱一般分为两种： 低能离子散射谱，一般称为离子散射谱(ISS) 高能离子散射谱，一般称为Rutherford背散射谱(RBS)n低能离子散射谱(ISS)：入射离子能量较低(离子动能为100电子伏至几千电子伏)nRutherford散

2、射谱(RBS)：入射离子能量很高(25千电子伏到几个兆电子伏)5引 言nISS和RBS理论基础：入射离子与靶原子进行弹性碰撞。n根据弹性散射理论，由于散射离子的能量分布和角分布与表面原子的原子量有确定的关系，通过对散射离子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。6ISS 基本原理质量1和能量0的一次离子入射到靶原子质量为2的样品表面后,在固定散射角处测量弹性散射后的一次离子的能量分布若入射离子的原子量为m，原子在靶晶格上的结合能入射离子能量mkeV离子与表面主要发生弹性散射，此过程遵从两个刚性球的弹性碰撞原理 7ISS 基本原理EE1022221112()cos(sin) 根据经典

3、力学的弹性散射原理： 其中 = M2/M1， 1时取正号。在ISS中，通常1，因此常用的散射离子能量公式为 EEMMMM10212212221112()cos()sin 离子散射过程 8ISS 基本原理1.8 keV的He+, Ne+, Ar+所得到的Mo的离子散射谱9ISS 基本原理用不同质量的离子入射到Au-Ni合金所得到的具有不同分辨率的离子散射谱10ISS 谱仪 典型的ISS装置示意图 11ISS 谱仪 低能离子散射实验示意图 12ISS 谱仪nISS分析的本质是散射离子的能量分析。因此，入射离子的类型、纯度、能量分散、角分散、束斑尺寸以及能量分析器离子光学系统的象差等，对ISS分析都

4、有一定的影响。13ISS 谱仪离子源n在表面分析中离子源的重要参数有： (1)能量分散不应大于几伏； (2)从离子源得到的离子流最少几微安； (3)发散角为小于1度； (4) 气体向离子源的泄漏要能精确控制，供给电子的灯丝要便于更换。14ISS 谱仪离子源He3Ne20入射能量为1.5keV的 和 从Fe-Mo-Re合金的背散射n用He和Ne离子束对热轧FeMoRe合金进行定性表面分析n在He离子的谱中，Fe和Mo峰是分开的， 但在Re的位置上只有一个很小的上弯部分n用Ne离子时，这三个峰都清楚地分开了n较重的离子能改善质量分辨率15n低能散射要求良好的真空条件，其真空度要优于高能散射时的最低

5、要求。 实验过程中，散射室的压力应在l 托或更低。n因为低能离子散射法对表面非常敏感，本底气体的吸附层会严重地减小分析表面的离子散射产额。为了对“实际的”或工程样品进行成分分析，应通过适当的抽真空和预先烘烤器壁来减少残余气体。n对表面结构的研究还应能对靶表面进行就地清洁和通过退火保持有序表面，并能适当控制气体量以进行吸附研究。 ISS 谱仪真空系统91016ISS 谱仪能量分析器n静电式电子能量分析器，如CMA，可以用作正离子能量分析器，只须特有有关电位开关的极性反转即可。这也使ISS技术易于同AES、XPS等分析技术兼容。17ISS 谱仪离子流检测器n探测方式，常用电子通道板倍增器。 入射到

6、倍增器的离子需加速至3千电子伏以增加灵敏度。n前置放大器，脉冲计数等信号处理系统与AES、XPS等相同，主要进行大量复杂的数据的采集、储存、分析和处理。18ISS 谱仪实物举例Qtac100是ION-TOF公司最近专门为研究材料表面元素及原子排列而开发的低能离子散射谱仪。其基本原理是低能离子散射，只针对最表面的三个原子层，涉及催化剂、半导体、金属、聚合体以及生物材料等领域。高分辨低能离子散射谱仪（Qtac100）特殊设计的全方位角收集器灵敏度比普通的低能离子散射仪器提高3000倍，并且可以进行定量分析。19ISS 分析n峰的位置n半高峰宽和低能拖尾n峰高和定量分析20ISS 分析峰位nISS散

7、射峰的位置（ ）是ISS定性分析的基础。n在ISS分析中，除了入射离子的纯度，能量离散对谱峰有一定的影响外，还有其它因素对谱峰有一定的影响。 01/ EE21ISS 分析峰位 E1/E0WO40o18o0.9640.9660.7350.780n实验条件：本底真空 托，一次离子能量分散小于1eVn研究对象：钨及吸附在钨上氧散射峰的位置n条件变量：改变入射角n实验结论：入射角过低时，峰位置向高能端偏移。 1010122ISS 分析半高峰宽和低能拖尾n散射峰的半高峰宽E1或能量分辨率E1/E1是ISS分析能力的重要总体指标。它们决定了ISS对不同质量数表面原子的分辨本领。n表面凹凸不平和表面原子的热

8、振动会使谱峰展宽，多重散射会使谱峰向高能端偏移，非弹性散射会导致谱峰向低能端偏移，提高入射离子能量时会增加谱峰低能端的拖尾。23ISS 分析峰高和定量分析n峰高是ISS定量分析的基础。n检测器接收到的离子流为：IN IP Tddxxxi+01 () n对于均匀的非氧化材料，如i、j二种元素的，可近似有：IINNPPddddijijijij11/ddddZZijij/()24ISS 分析峰高和定量分析n一般认为ISS谱峰面积与最外层表面原子浓度成正比，比例系数可用标准样品确定。n利用标准试样，在一定的范围内，可用散射离子流的比值求出表面成分。 IINNPPZZijijijij11()25ISS

9、应用nISS作为表面灵敏的一种手段，既可用于确定表面化学组份，又可推断一些几何结构如原子晶格排列等。 一定条件下还可进行半定量的分析工作。 探测的极限也在0.1单原子层左右。nISS已广泛应用于表面吸附，离子诱导解吸，化合物的表面成分和催化，合金表面成分及电子轰击引起的表面过程的研究中。26ISS 应用n成分/结构分析：因为ISS具有只检测最外层原子的表面灵敏度，所以特别适用于研究合金表面的分凝及吸附等现象。n通过清洁表面和吸附表面的谱图对比，Ni峰比Cu峰的比例发生了明显的变化，说明CO优先吸附在Ni原子上。CO在Cu-Ni合金上吸附前后的ISS谱清洁表面吸附表面27ISS 应用n成分/结构

10、分析：因为ISS具有只检测最外层原子的表面灵敏度，所以特别适用于研究合金表面的分凝及吸附等现象。n图中O峰远高于C峰，说明CO以分子形式立着吸附在Ni表面上，且O原子朝外。CO吸附在Ni(111)面上的离子散射谱28n表面结构分析：借助于ISS的阴影效应，可以进行表面吸附结构的测定以及单晶表面原子的排列研究。n通过腐蚀证明，锌的那一面有一个很大的锌单次散射峰和一个较小的锌双散射峰，但没有硫峰。而对面有一个突出的硫峰和一个较小的双散射鼓包，只有一点锌的痕迹。n证实了ZnS的单极存在。ISS 应用He20在ZnS晶体的两个向对的(111)面上的散射谱29ISS 应用n成分分析存在的问题： （1）难认的谱峰。可能是由于离子除了同表面单个原子碰撞外，还同表面原子及其近邻的原子一齐碰撞而产生的。 （2）因离子照射所引起的表面损伤。虽然低能离子(1KeV)引起表面的损伤小于高能量的离子，但在几百伏的Ar离子轰击下也会产生可观察到的溅射作用。 弥补方法：降低入射离子电流，使样品处于“静止”状态。n结构分析存在的问题：理论上不如低能电子衍射(LEED)成熟 30ISS 应用n可用ISS研究铜膜氧化的表面反应过程