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低能离子散射分析

  低能离子散射分析技术 李建军 2011.11.16 主要内容 ? 发展背景 ? 应用 ? 分析原理以及入射离子选取 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 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 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:20ev~10kev(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) 各种表面分析方法的分析深度 ? ISS只能分析第一层表 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 基本原理 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 ? 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=m1v1v2cosθ1+m2v2v0cosθ2 ? p12=p02+p22-2p0p2cosθ2 将θ2消掉,令K=E1/E0, A=m2/m1 ,处理后的结果: K=﹝cosθ1+(A2-sin2θ1)1/2﹞2/(1+A)2 得到能量比K、质量比A和散射角θ1之间的关系 ? K=﹝cosθ1+(A2-sin2θ1)1/2﹞2/(1+A)2 K=E1/E0, A=m2/m1 ? 其中E0、m1、θ1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 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非弹性散射 ? 4表面离子中和,大大减小弹性散射束的强 度 ? 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=﹝cosθ1+(A2-sin2θ1)1/2﹞2X﹝cosθ2+(A2-sin2θ2) 1/2﹞2/(1+A)2 ? 其中θ1和θ2为两次散射的散射角 ? 总散射角θ= θ1 + θ2 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) 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 ? 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 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 ? E1是散射角θ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) 能量分析灵敏度与表面散射的微分截面 ? 能量分析灵敏度ΔE1/ΔM2 ,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 两者如何协调 ? ΔE1/ΔM2= ? 常用入射离子:He+、Ne+、Ar+ (K+、Na+) ? A=m2/m1=2~5 ? E0/m1 与 (z1/E0 )2 谢谢