表面解析技术

福州大学化学化工学院现代仪器分析论文名称：表面解析技术研究进展学院：化学化工学院年级专业：2013研分析化学学生姓名：柯开美学号：130420032表面解析技术研究进展摘要:表面解析技术是测定和分析固体表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程的各种实验技术的总称。表面解析技术多种多样，目的不一，大都是以外来能量（带电粒子束、射线束、强电场或加热等）作用于固体表面，然后收集、测量和分析作用后的产物（光子、电子、离子、原子或分子），从而获得有关表面的各方面的信息。本文主要分别讨论了各种方法技术的原理、适用范围及特点。1引言表面分析技术是一种统称，指利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术[1]。固体表面附近的几个原子层内具有许多与体内不同的性质(如化学组成、原子排列、电子状态等等)，因而有必要对表面进行分析以了解其理化性质。表面解析技术主要分为表面形貌分析、表面组分分析和表面结构分析等几大部分,其中表面形貌分析技术有扫描电镜、透射电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等;表面组分分析技术主要有俄歇电子能谱、光电子能谱、二次离子质谱、电子探针显微分析、离子探针显微分析等;表面结构分析技术主要有X射线衍射、电子衍射和中子衍射等。2表面形貌分析技术表面“形貌”分析指“宏观”几何外形分析。主要应用电子、离子显微镜进行观察分析，当显微镜的分辨率达到原子级时，可观察到原子排列。2.1扫描电子显微镜技术扫描电子显微镜是1965年发明的较现代的细胞生物学研究工具，其工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪烁器转变为光信号，再经光电倍增管和放大器转变为电信号来控制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。图像为立体形象，近年来,由于波带环片(FresnelZonePlate)及同步辐射的应用,使扫描式光电子能谱显微仪(ScanningPhotoelectronMicroscopy;SPEM)得以产生并应用[9-11],大大提高了光电子能谱的能量和空间分辨率,使光电子能谱的应用扩展到纳米领域。3.2俄歇电子能谱分析技术俄歇电子能谱(AES、Auger)是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术.AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子。入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子形成空穴。外层电子填充空穴向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。俄歇电子在固体中运行也同样要经历频繁的非弹性散射，能逸出固体表面的仅仅是表面几层原子所产生的俄歇电子，这些电子的能量大体上处于10～500电子伏，它们的平均自由程很短，大约为5～20埃,因此俄歇电子能谱所考察的只是固体的表面层。俄歇电子能谱通常用电子束作辐射源，电子束可以聚焦、扫描，因此俄歇电子能谱可以作表面微区分析，并且可以从荧光屏上直接获得俄歇元素像。它是近代考察固体表面的强有力工具，广泛用于各种材料分析以及催化、吸附、腐蚀、磨损等方面的研究[12]。3.3二次离子质谱分析技术二次离子质谱分析(SIMS,SecondaryIonMassSpectroscopy)是利用高能离子和固体相互作用,引起基质原子和分子以中性的和带电的两种状态发射出来,通过高灵敏的质谱技术对此产生的带电粒子(即二次离子)进行检测,从而进行元素分析。二次离子质谱分析只要用一次离子束轰击表面，将样品表面的原子溅射出来成为带电的离子，然后用磁分析器或四极滤质器所组成的质谱仪分析离子的荷/质比，便可知道表面的成份。非常灵敏的表面成份分析手段，对某些元素可达到ppm量级；但由于各种元素的二次离子差额值相差非常大，作定量分析非常困难[13,14]。4表面结构分析技术4.1低能电子衍射技术低能电子衍射(LEED,LowEnergyElectronDiffraction)是表面结构分析的有力工具之一,它是利用低能电子束(20~250eV)入射到晶体内,然后从表面衍射出来,产生衍射花样(衍射波场),通过分析这个携带了散射体结构信息的衍射花样来分析材料表面结构的。4.2光电子衍射技术光电子衍射(PD,PhotoelectronDiffraction)是用适当的激发光子能量,选择激发表面原子中特定能级的电子,发射出的光电子将受到近邻原子的散射,从而形成相干的散射电子,最终由于干涉效应在全空间(实空间和k空间)形成电子强度调制信号。4.3中子衍射分析技术随着核反应技术的进步,中子衍射技术(ND,NeutronDiffraction)的应用也日益广泛,在结构分析和磁结构测定方面尤为成功,但是中子穿透材料的能力太强,达毫米数量级,较难以获得来自表面的信息。且由于辐射源的限制以及衍射实验装置庞大,实验周期长等缺点,中子衍射不像X射线与电子衍射那样使用方便和广泛。另外,还有关于表面原子动态和受激态分析技术,这方面主要包括表面原子在振动、扩散、吸附(或脱附)等过程中能量或势态的测量。如电子能量损失谱(EELS)、红外光谱(IR)、拉曼散射谱(RAMAN)等分析仪可用来分析表面原子振动。热脱附谱(TDS)、电子诱导脱附谱(ESD)、光子诱导脱附谱(PSD)等用来研究表面原子吸附态等。也有表面电子态分析包括表面能级性质、表面态密度分布、表面电荷分布及能量分布等。主要有:紫外光电子谱（UltravioletPhotoelectronSpectroscopy，UPS）、电子能量损失谱(ElectronEnergyLossSpectroscopy，EELS）等。5总结与展望以上主要介绍了在表面形貌分析,表面成分分析和表面结构分析研究中的几种现代分析技术，同时也介绍了关于表面原子动态和受激态分析技术以及表面电子态分析等。由于每一种分析技术都具有其特点,同时也存在局限性,物质表面分析已不再是单一技术的使用,而应该是多种分析技术的综合运用。因此要全面描述固体材料表面状态,阐明和利用各种表面特性,就必须充分了解各种分析技术的特点并灵活运用,从宏观到微观按不同层次对表面进行分析研究,这样才能更好地得到最直接、最全面的表面信息。参考文献：[1]染野植,安盛岩雄.表面分析(中译本),科学出版社,1980.[2]MalickLindaE,WilsonRichardB,StetsonDavid."ModifiedThiocarbohydrazideProcedureforScanningElectronMicroscopy:RoutineuseforNormal,Pathological,orExperimentalTissues".BiotechnicandHistochemistry.1975.50(4):265-269.[3]CilleheiPetert,etal.ScanningProbeMicroscope.Analchem.2000,72(12):189-196.[4]BottomleyLawrenceA,etal.,ScanningProbeMicroscope.Analchem,1996,69(12):185-230.[5]赵清亮.扫描探针显微镜的最新进展及应用[J].电子显微镜学报,2000.19(1):69-75.[6]BakharaenAA.NurgazizonNI.AFMInvestigationlfSelectiveEtchingMechanismofNanostruedSilica.SurfaceScience,2001,482(3):1319-1324.[7]JohnBPRussE.AtomicForceMicroscopyImagingAluminaSurfaces.Nature.2001,414(1):27-29.[8]周玉.材料分析方法[M].北京:机械工业大学出版社,2004.[9]KoCH,KlauserR,WeiDH,etal.,TheSoftX-rayScanningPhotoemissionMicroscopyProjectatSRRC.J.Synchrotron.Rad.1998,(5):299-304.[10]KlauserR,HongIH,LeeTH,etal.,Zone-plate-basedscanningphotoelectronmicroscopyatSRRC:performanceandapplications.Surf.Rev.Lett.,2002,(9):213-222.[11]KlauserR,ChenCH,HuangML,etal.,Patterningandimagingofself-assembledmonolayerswithafocusedsoftX-raybeam.J.Electro.Spec.Rel.Phenom.2005,(393):