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1、低能离子散射分析第1 页，本讲稿共20 页主要内容 发展背景 应用 分析原理以及入射离子选取第2 页，本讲稿共20 页低能离子束散射谱ISS 定义：用一定能量和种类（原子种类和带电量）的低能离子束撞击表面，分析经过与表面作用后反射回来的原离子束，分析其能量的变化，这种能量的变化包含了表面的一部分信息 60 年代初，荷兰物理学家基斯特马克（J.Kistermaker）发现离子诱导辐射现象 1973 年开始离子束表面散射的研究 与二次离子质谱一起成为表面分析的有效工具第3 页，本讲稿共20 页应用 1 清洁表面结构分析 2 表面组态分析 3 材料纯度分析 4 用于监视对半导体材料的元素扩散、注入或
2、催化表面的污染 5 用离子束分析薄膜的污染和组成，薄膜结构以及薄膜界面的研究，特别是用于薄膜太阳电池的研究 6 用于研究催化剂或其他表面 7 研究表面的结构、吸附与电性能（如电子发射）之间的关系第4 页，本讲稿共20 页与二次离子质谱的异同 相同点：都使用一定种类和能量的离子束入射到表面 入射离子能量范围：20ev10kev(ISS),kev级（SIMS）研究对象：经过与表面作用后反射回来的原离子束，并且分析其能量（ISS）被入射离子束电离了的、从表面层发射出来的新离子，并分析其质量（SIMS）第5 页，本讲稿共20 页第6 页，本讲稿共20 页各种表面分析方法的分析深度 ISS 只能分析第一
3、层表面原子 二次离子质谱SIMS 分析深度大约为10 俄歇电子谱AES 真空紫外光电谱UPS 离子探针IMP X 射线光电子谱XPS第7 页，本讲稿共20 页基本原理第8 页，本讲稿共20 页单粒子弹性散射模型的基本假设 1 入射离子为单色离子束 2 被撞击的表面原子为初始状态为静止，忽略热振动 3 表面原子与入射离子间的作用为单粒子间作用 4 碰撞为弹性，满足能量守恒和动量守恒 E0=E1+E2 P0=P1+P2第9 页，本讲稿共20 页 从能量守恒和动量守恒出发进行分析E0=E1+E2，P0=P1+P2 代入具体量：m1v02=m1v1v2cos1+m2v2v0cos2 p12=p02+p
4、22-2p0p2cos2将2消掉，令K=E1/E0,A=m2/m1,处理后的结果：K=cos1+（A2-sin21）1/22/(1+A)2 得到能量比K、质量比A 和散射角1之间的关系 第10 页，本讲稿共20 页 K=cos1+（A2-sin21）1/22/(1+A)2 K=E1/E0,A=m2/m1 其中E0、m1、1固定且已知，E1为实验测得，根据上式可以计算得到m2，从而得到表面原子的种类等信息第11 页，本讲稿共20 页单粒子散射模型的局限性 1 表面邻近原子作用（弱作用-准单粒子散射）2 表面原子热振动 离子散射作用时间：10-16s 常温下表面原子振动周期：10-12s 3 非弹
5、性散射 4 表面离子中和，大大减小弹性散射束的强度第12 页，本讲稿共20 页 5 多次散射（二次散射）：入射离子发生多次散射之后再出射 二次散射能量分布：K=cos1+（A2-sin21）1/22X cos2+（A2-sin22）1/22/(1+A)2 其中1和2为两次散射的散射角 总散射角=1+2第13 页，本讲稿共20 页 离子表面散射能量变化与散射角的关系图 横轴散射角，纵轴为E1/E0 双散射的曲线是闭合的，对于一定入射角入射的离子，散射角 存在极小值（阴影效应）第14 页，本讲稿共20 页阴影效应的解释 发生多次散射的离子与靶原子至少有一次碰撞，这次碰撞后入射离子无法进入阴影区域
6、推测原因：1 入射离子质量小于靶原子 2 入射离子能量低 3 被撞击靶原子在材料中受到其他原子的固定作用（结合力）这三个原因导致被撞击的靶原子被撞击后移动很小，近似为静止。由于入射离子波动性不明显，这样多次散射入射粒子无法绕到靶原子后方的阴影区第15 页，本讲稿共20 页按照这种假设，阴影区的大小和靶原子的大小和种类以及入射离子种类有关，方向与离子入射角度有关如果考虑靶原子的移动，则还与m1/m2、入射离子能量，以及靶原子在材料表面结合力的大小有关第16 页，本讲稿共20 页 E1是散射角 的双值函数，靠近单粒子散射的对应准单散射峰，另一个较高的应准双散射峰。导致峰值模糊或出现双散射峰，但是单
7、散射仍然占主导地位 入射角较大或者较小时，两个值很接近，而当入射角为45 时差距较大 应对措施：增大入射角、适当减小离子束的能量和Z 值（减小近邻原子影响，以及发生多次散射的几率）第17 页，本讲稿共20 页能量分析灵敏度与表面散射的微分截面 能量分析灵敏度E1/M2，表示单位质量差的原子的散射峰的峰位分离度，分离度大便于分析 表面散射微分截面：表征探测器接受从表面散射回来的离子的能力第18 页，本讲稿共20 页两者如何协调 E1/M2=常用入射离子：He+、Ne+、Ar+(K+、Na+)A=m2/m1=25 E0/m1 与(z1/E0)2 第19 页，本讲稿共20 页谢谢第20 页，本讲稿共20 页