現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)之RBS演示課件

1、王廣甫 E-mail: guangfu_ 電話: 62208271,盧瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry（RBS,現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)之,參考書目,核分析技術(shù) 趙國(guó)慶等，1989年，原子能出版社 離子束分析 楊福家 1985版 原子核物理實(shí)驗(yàn)方法（下） 復(fù)旦等 1985版 粒子同固體物質(zhì)相互作用（上）王廣厚 1988 背散射朱唯干 1981版,內(nèi)容,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置 四、RBS應(yīng)用 五、總結(jié) 六、實(shí)驗(yàn)安排,一、引言,1、離子與物體的相互作用 2、常見離子束分析方法 3、RBS分析及其特點(diǎn) 4、RBS的發(fā)展,現(xiàn)代物

2、理分析技術(shù)大都是通過外場(chǎng)（電磁場(chǎng)、力場(chǎng)等）或粒子與物質(zhì)相互來對(duì)物質(zhì)的元素組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的。 例：電磁場(chǎng)：掃描隧道顯微鏡（STM） 核磁共振譜儀（NMR） 質(zhì)譜分析技術(shù)（MS） 力場(chǎng)：原子力顯微鏡（AFM） 光子為工具：Raman光譜 紅外光譜（IR） 穆斯堡爾譜 光電子能譜（XPS） X射線衍射（XRD） X射線熒光（XFA,電子為工具：掃描電子顯微鏡（SEM） 透射電子顯微鏡（TEM） 低能電子電子衍射（LEED） 中子為工具：中子衍射 中子活化分析（NAA） . 離子為工具：,1、離子與固體的相互作用,THE ATOMIC ELECTRONS and/or THE ATOMIC NUC

3、LEI,In its passage through matter, an ion may interact with,The interaction of an ion with an atomic electron is purely Coulomb (i.e. interaction governed by the Coulombs law,An ionized/excited atom will eventually return to its ground state, accompanied by the emission of one or more x-rays/photons

4、,An electron ejected from its atomic orbit is called a secondary electron. It may further ionize or excite another atom, resulting in the emission of more x-rays/photons. An secondary electron may also be decelerated by the coulomb field of a nucleus, losing part or all its energy in form of bremsst

5、rahlung (braking radiation,二次電子和軔致輻射,The interaction of an ion with an atomic nucleus can be,COULOMB ELASTIC SCATTERING COULOMB INELASTIC COLLISION COULOMB EXCITATION NUCLEAR INELASTIC SCATTERING NUCLEAR TRANSFORMATION,離子與原子核相互作用,離子與固體相互作用小結(jié)： 離子與核外電子作用： 電離，激發(fā) 離子與原子核相互作用， 庫(kù)侖相互作用，核相互作用,離子束分析作用機(jī)制圖,次級(jí)離子

6、質(zhì)譜 Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS,俄歇電子譜 Auger Electron Spectrometry(AES,粒子誘發(fā)X射線熒光分析 Particle Induced X-ray Emission(PIXE,核反應(yīng)分析 Nuclear Reaction Analysis(NRA,盧瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS,離子-原子作用范疇,離子-原子核作用范疇,彈性反沖分析 Elastic Recoil Detection(ERD,2、常見離子束分析方法,離子與固體的相互作用及常見離子束

7、分析方法 電離：產(chǎn)生俄歇電子俄歇電子能譜（AES） 產(chǎn)生特征X射線質(zhì)子熒光分析(PIXE) 散射背散射分析(RBS)，質(zhì)子彈性散射分析 （PESA） 溝道效應(yīng)離子溝道（IC） 反沖彈性反沖分析（ERD） 核反應(yīng)核反應(yīng)分析(NRA) 透射掃描透射離子顯微鏡（STIM,一、 引言,背散射分析就是在一束單能的質(zhì)子、粒子或其他重離子束轟擊固體表面時(shí),通過探測(cè)盧瑟福背散射（彈性、散射角大于90度）離子的能量分布（能譜）和產(chǎn)額確定樣品中元素的種類（質(zhì)量數(shù)）、含量及深度分布。因此背散射分析通常被稱為盧瑟福背散射譜學(xué)RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry,3、R

8、BS分析及其特點(diǎn),特點(diǎn),RBS分析及其特點(diǎn),4、背散射分析的發(fā)展,1909年，蓋革（H. Geiger）和馬斯頓（E. Marsden）觀察到了粒子散射實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,盧瑟福散射實(shí)驗(yàn),Lord Ernest Rutherford,1911年，盧瑟福（Lord Ernest Rutherford）揭示了該現(xiàn)象，并確立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型 1957年，茹賓（Rubin）首次利用質(zhì)子和氘束分析收集在濾膜上的煙塵粒子的成份 1967年，美國(guó)的測(cè)量員5號(hào)空間飛船發(fā)回月球表面土壤的背散射分析結(jié)果,元素深度分布,內(nèi)容,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置 四、RBS應(yīng)用 五、總結(jié) 六、實(shí)驗(yàn)安排,二、R

9、BS分析原理 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率 2、散射截面和探測(cè)靈敏度 3、能量損失因子和深度分辨率 4、RBS能譜 5、能量歧離和探測(cè)器能量分辨率 對(duì)RBS能譜的影響,三個(gè)基本物理概念,二、 RBS分析原理,當(dāng)入射離子能量遠(yuǎn)大于靶中原子的結(jié)合能(10ev量級(jí)),并低于與靶原子發(fā)生核反應(yīng)的能量(一般100kev/amu E 1Mev/amu)時(shí),離子在固體中沿直線運(yùn)動(dòng),入射離子主要通過與電子相互作用而損失能量,直到與原子核發(fā)生庫(kù)侖碰撞被散射后又沿直線回到表面.在這個(gè)背散射過程中包含四個(gè)基本物理概念.它們是: 兩體彈性碰撞的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子K 微分散射截面 固體的阻止截面 能量歧離 這四個(gè)基本概念是背散射

10、分析的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)也是限制其應(yīng)用的最終因素,1、 運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率,1）運(yùn)動(dòng)學(xué)因子 運(yùn)動(dòng)學(xué)因子的定義： K=E1/E0， 其中E0是入射粒子能量（動(dòng)能），E1是散射粒子能量（動(dòng)能,庫(kù)侖散射是彈性散射 動(dòng)能和動(dòng)量守恒,詳細(xì)的推導(dǎo)參見王廣厚-粒子同固體物質(zhì)相互作用P102,可得,由運(yùn)動(dòng)學(xué)因子公式可以看出：當(dāng)入射離子種類（m），能量（E0）和探測(cè)角度（）一定時(shí)，E1與M成單值函數(shù)關(guān)系。所以，通過測(cè)量一定角度散射離子的能量就可以確定靶原子的質(zhì)量數(shù)M。這就是背散射定性分析靶元素種類的基本原理,M,M大，K大，E1大（相同E0,注意：RBS適用于輕基體上重元素的分析，對(duì)重基體上輕元素不靈敏

11、,E1,2）質(zhì)量分辨率,如E是RBS探測(cè)器系統(tǒng)的能量分辨率，也就是可分辨的背散射離子最小的能量差別。那么RBS的質(zhì)量分辨率M為,RBS質(zhì)量分辨率: M是對(duì)樣品中靶核質(zhì)量差別的分辨能力。當(dāng)一靶核質(zhì)量數(shù)與另一靶核質(zhì)量數(shù)M的差別小于M時(shí)RBS無法將這兩種元素分辨開,RBS質(zhì)量分辨率和以下因素有關(guān)： 探測(cè)器所在處的散射角 探測(cè)器能量分辨率E 入射離子種類m 入射離子能量E0 靶核質(zhì)量數(shù)M,下面探討這些因素對(duì)RBS質(zhì)量分辨率的影響,探測(cè)器能量分辨率的影響,探測(cè)器能量分辨率越高，RBS質(zhì)量分辨率越好,增大，同樣M下，K增大，M減小，質(zhì)量分辨率提高,K,對(duì)質(zhì)量分辨率的影響,因此，盧瑟福背散射分析在實(shí)驗(yàn)安排上

12、要使盡可能接近180度。因?yàn)樵浇咏?80度，RBS質(zhì)量分辨率越高,入射離子種類對(duì)質(zhì)量分辨率的影響,因接近180度，令=-， 為一小量，且Mm，則對(duì)K因子公式求M的偏導(dǎo)數(shù)并化減得,m增大，M 減小，RBS質(zhì)量分辯提高,注意： RBS常用的金硅面壘探測(cè)器的能量分辨率隨m增大變差，所以RBS一般選m為17。重離子做RBS時(shí)，可采用磁譜儀或飛行時(shí)間譜儀,入射離子能量對(duì)RBS質(zhì)量分辨率的影響,入射離子能量E0越高，RBS質(zhì)量分辨率越好。但E0太高會(huì)產(chǎn)生非盧瑟福散射甚至核反應(yīng)。一般：p 300KeV， 13MeV,M減小，M 減小，RBS質(zhì)量分辯提高。所以RBS對(duì)重元素質(zhì)量分辨率差,注意： 上面公式的條件

13、是mM,M對(duì)RBS質(zhì)量分辨率的影響,RBS對(duì)重元素質(zhì)量分辨率較差,3）提高背散射質(zhì)量分辨率的方法有： 提高入射離子能量，但入射離子能量過高會(huì)使入射離子和靶原子發(fā)生核反應(yīng)。故不宜過高。 通過提高離子探測(cè)系統(tǒng)的能量分辨率，可采用靜電分析器或飛行時(shí)間技術(shù)。 實(shí)驗(yàn)安排上要使盡可能接近180度。 利用大質(zhì)量的入射離子。但金硅面壘探測(cè)器對(duì)重離子能量分辨率較差，所以 M1一般選47。 另外： RBS適用于輕基體上重元素的分析，對(duì)重基體上輕元素不靈敏,常規(guī)RBS的質(zhì)量分辨率,He,H,對(duì)輕元素和中重元素分析，采用2MeV的4He離子有較高的質(zhì)量分辨率，對(duì)很輕元素如D、T、He和Li等用質(zhì)子束較好,運(yùn)動(dòng)學(xué)因子小

14、結(jié)： K=E1/E0 E1=KE0 是RBS定性分析理論基礎(chǔ) 質(zhì)量分辨率,二、RBS分析原理 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率 2、散射截面和探測(cè)靈敏度 3、能量損失因子和深度分辨率 4、RBS能譜 5、能量歧離和探測(cè)器能量分辨率 對(duì)RBS能譜的影響,2、 散射截面,設(shè)Q為打到單元素薄靶上的離子總數(shù)，d為位于散射角上的探測(cè)器的微分立體角，dQ為此微分立體角中探測(cè)器接受到的背散射離子數(shù)，N為靶原子體積密度（atoms/cm3），t為薄靶的厚度(Nt為靶的面密度atoms/cm2)。定義微分散射截面為,Nt,Z1 m E0,探測(cè)器,Z2 M,1）散射截面定義,平均散射截面,因?yàn)樘綔y(cè)器所張的立體角是有限的

15、，故取平均散射截面： （其定義式如下,探測(cè)器接收到的背散射離子數(shù)為,2）RBS定量分析原理 對(duì)于一個(gè)具體的背散射實(shí)驗(yàn)，由于探測(cè)器所張立體角是可以測(cè)量的，如果知道散射截面。就可以通過測(cè)量探測(cè)器接受到的離子數(shù)A和入射離子總數(shù)Q由上式計(jì)算出靶原子的面密度Nt。這便是背散射定量分析的基本原理,3）盧瑟福散射截面,盧瑟福散射條件,盧瑟福散射截面公式,4）RBS分析靈敏度,由于散射粒子計(jì)數(shù)A正比于散射截面，故截面越大，計(jì)數(shù)越多，分辨越好,減小，E0,RBS對(duì)重元素探測(cè)靈敏度高,提高RBS分析靈敏度的方法： 微分散射截面正比于Z12。因此用較重入射離子可提高探測(cè)靈敏度。 微分散射截面正比于Z22。所以重元素

16、的探測(cè)靈敏度高于分析輕元素。因此，背散射較適用于輕基體上的重元素分析，不適合重基體上的輕元素分析。 微分散射截面反比于E2。所以背散射分析靈敏度隨入射離子能量降低而提高。 當(dāng)mM時(shí)，將上式按m/M展開，略去高次項(xiàng)， 可以得到微分散射截面近似反比于 。因此當(dāng) 散射角減小時(shí)，散射截面增大很快。因此當(dāng)質(zhì)量分辨率不成問題時(shí)，可利用此性質(zhì)適當(dāng)減小來提高靈敏度。 利用共振散射或非盧瑟福散射,RBS探測(cè)靈敏度的估計(jì)： 對(duì)2MeV的4He離子在探測(cè)輕基體（ZM）表面上重元素（Zi）污染時(shí)的探測(cè)靈敏度約為,C表面Au污染，靈敏度可達(dá)1012atoms/cm2,對(duì)厚樣品中的重雜質(zhì)元素分析,大約為100ppm,二、

17、RBS分析原理 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率 2、散射截面和探測(cè)靈敏度 3、能量損失因子和深度分辨率 4、RBS能譜 5、能量歧離和探測(cè)器能量分辨率 對(duì)RBS能譜的影響,3 能量損失因子深度分辨率,1）能量損失 在離子在某固體中做直線運(yùn)動(dòng)的過程中，離子主要通過與靶原子的電子相互作用而損失能量。定義離子在單位徑跡長(zhǎng)度上損失的能量,為比能量損失或叫作能量損失（率）。也叫作這種固體的阻止本領(lǐng),在入射路徑上： 在出射路徑上,2）能量損失因子,定義能量損失后，可確定不同深度散射出的離子同表面散射出的離子能量之差。從而建立RBS能譜寬度和靶厚度之間的關(guān)系,這樣在同一角度，探測(cè)到的被靶表面靶原子散射的離子能量

18、和被深度x處靶原子散射的離子能量之差為,當(dāng)入射和出射路徑上的能量損失用一個(gè)常量（如平均能量損失率）來代替時(shí)得到了E同深度x的關(guān)系為,定義,為能量損失因子，則,這樣，由能量損失因子就可以把背散射能譜中的能量坐標(biāo)換算成深度坐標(biāo)，并根據(jù)不同深度處能譜高度就可以得到元素的深度分布。 這是RBS的元素深度分布原理,3）阻止截面及其可加性,用能量損失來計(jì)算能量損失因子的缺點(diǎn)是:它隨靶的元素組成及密度而變化，因此對(duì)于具體的靶很難查到能量損失率數(shù)值。為此引入阻止截面或叫做阻止本領(lǐng)的概念,單原子靶材料的原子密度為N，一定能量E的入射離子在此材料的能量損失為。 則定義,為此種靶原子對(duì)能量E的入射離子的阻止截面,引

19、入阻止截面的優(yōu)點(diǎn): 阻止截面和靶原子種類、入射離子種類及能量有關(guān)，而同靶的密度無關(guān).可以由圖表查到. 阻止截面具有可加性 對(duì)分子式為AmBn的化合物，其阻止本領(lǐng)為,4）能量損失因子的近似計(jì)算,上面在能量損失因子的介紹過程中，我們將入射和出射路徑上阻止截面作為常數(shù)來看待,而對(duì)于給定的靶材料和入射離子種類，阻止截面是離子能量E的函數(shù)。離子在樣品中運(yùn)動(dòng)時(shí)，能量在減小，用怎樣一個(gè)常數(shù)來替代阻止截面呢,表面能量近似 入射路徑,出射路徑,能量損失因子,表面能量近似實(shí)際上是取x趨于零時(shí)的能量損失來近似,特點(diǎn)：簡(jiǎn)單 適用于薄靶 小于10000埃，近似誤差大概在5%左右,能量近似示意圖,平均能量近似,平均能量近

20、似,平均能量近似 平均能量近似，是分別采用入射和出射路徑上離子的平均能量來近似入射和出射路徑上離子的能量。即,入射路徑,出射路徑,這種方法精度較高，但由于E是未知的，所以用起來較復(fù)雜，一般用迭代方法來計(jì)算,對(duì)稱能量近似,出射路徑上,這種方法的精度介于上述兩種方法之間。因知道E0 、E和E1各量，計(jì)算也相對(duì)簡(jiǎn)單,入射路徑上,5）求散射前能量E的方法,能量損失比方法,假定是出射路徑能量損失和入射路徑能量損失之比，并同深度有關(guān),表面能量近似下,這種方法對(duì)于表面近似適用的薄樣品很精確，對(duì)較厚的樣品也適用，因?yàn)槟芰繐p失比比阻止本領(lǐng)變化慢,數(shù)值方法,將樣品劃分為許多厚度為x的小薄層，在每一薄層內(nèi)，能量損失

21、率可看作常數(shù)，則有： 入射路徑上,6）RBS深度分辨率,如果RBS探測(cè)系統(tǒng)能量分辨率為E,不同深度x1和x2背散射到探測(cè)器的離子的能量差為E1.則只有在E1 E時(shí),探測(cè)系統(tǒng)才能區(qū)分這兩個(gè)不同的散射深度.把E對(duì)應(yīng)深度差別x定義為RBS的深度分辨率,m增大探測(cè)器能量分辨率變差,不同材料不同深度的深度分辨率,入射離子能量低，dE/dx大，S大，深度分辨率高。（各別例外） 重離子入射時(shí)，dE/dx大，S大，但因重離子E大,深度分辨率改善不明顯。 掠角入射，即增大1 和2 ，S大，深度分辨率高。 靶核越重， dE/dx大，S大。所以，較重的靶元素比輕元素深度分辨率高(但與靶密度有關(guān))。 改善E，用致冷的

22、面壘探測(cè)器,提高深度分辨率的方法,掠角入射,RBS深度分辨率,二、RBS分析原理 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率 2、散射截面和探測(cè)靈敏度 3、能量損失因子和深度分辨率 4、RBS能譜 5、能量歧離和探測(cè)器能量分辨率 對(duì)RBS能譜的影響,4、RBS能譜,背散射能譜是進(jìn)行RBS定量分析的依據(jù).其橫坐標(biāo)為背散射離子能量,縱坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)能量的背散射離子產(chǎn)額。不同成分和厚度的樣品,RBS能譜不同,1)薄樣品,EE0為薄樣品,可忽略離子能量變化對(duì)散射截面和能量損失的影響,單元素,較薄(EE)的薄樣品,1,2,A,A,Q,A,Q,1,A,較厚(E0EE)單元素薄樣品的理想RBS譜,前沿高度,x為對(duì)應(yīng)能量為E1的

23、表面薄層 E1為多道分析器的道寬,E=Sx,化合物薄膜,化合物AmBn(ZAZB) 的理想RBS能譜,能譜寬度(表面近似,化合物的阻止截面因子,阻止介質(zhì),產(chǎn)生散射的靶原子,從A元素散射的阻止截面因子,從B元素散射的阻止截面因子,2)厚樣品能譜,單元素厚樣品,E1-E1,x對(duì)應(yīng)的產(chǎn)額,入射路徑上取,出射 路徑上,E1-E1,如E1為多道道寬,可得單元素厚樣品能譜中能量為E1的某一道的計(jì)數(shù)為,E1-E1,將,代入,化合物厚樣品AmBn(ZAZB,xA,xB,二、RBS分析原理 1、運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和質(zhì)量分辨率 2、散射截面和探測(cè)靈敏度 3、能量損失因子和深度分辨率 4、RBS能譜 5、能量歧離和探測(cè)器能

24、量分辨率 對(duì)RBS能譜的影響,5、能量歧離和探測(cè)器能量分辨率對(duì)RBS能譜的影響,能量歧離 單能離子束穿透某一厚度的靶后，會(huì)產(chǎn)生一定的能量分散度。這就稱為能量歧離。 造成能量歧離原因： 電子能量損失歧離:離子與靶原子的電子大量碰撞是一種隨機(jī)過程，存在統(tǒng)計(jì)漲落。 核能量損失歧離。 多次小角度散射（各離子不同） 幾何歧離，探測(cè)器立體角和束斑非無限小。 表面和界面粗糙,電子能量損失歧離,玻爾理論：離子穿過固體樣品時(shí),同大量電子碰撞后產(chǎn)生的能量分散為高斯分布,入射離子原子序數(shù),靶原子原子序數(shù),穿過靶的深度1018atoms/cm2,能散分布方差KeV2,高斯分布的半高全寬FWHM=2.355Bohr,E

25、0-E,FWHM,能量歧離可加性,對(duì)于化合物AmBn有,核能量損失歧離,對(duì)多種因素造成的能量歧離,能量歧離隨穿過樣品深度的變化,能量歧離的存在造成RBS能譜的前后沿變化，同時(shí)會(huì)造成深度分辨率下降和靶內(nèi)原子質(zhì)量分辨率的下降,2）能量歧離和探測(cè)器能量分辨率對(duì)能譜的影響,表面主要是探測(cè)系統(tǒng)分辨率的影響。深度增大,能量歧離增大,2.6MeV，He，=160 C靶,多次散射的影響,小角度多次散射,隨入射深度增大,多次散射幾率增加,多次散射對(duì)RBS譜低能部分影響明顯,內(nèi)容,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置 四、RBS應(yīng)用 五、總結(jié) 六、實(shí)驗(yàn)安排,三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置,1、一定能量離子束的的產(chǎn)

26、生裝置 -加速器 2、離子散射和探測(cè)的地方 -靶室 3、背散射離子的探測(cè)和能量分析裝置 4、放射源RBS,1、加速器,粒子加速器是利用電場(chǎng)加速帶電粒子的裝置F = qE = ma 陰極射線管（顯像管）是加速器的雛形 加速器實(shí)際上是增能器。 W = qe Es ds 粒子能量的單位：電子伏（eV） 1 eV = 1.6021019 J,加速器的構(gòu)成,高壓倍加器,高壓倍加器組成：升壓變壓器、高壓電容、高反壓整流器,高頻高壓加速器,高頻高壓倍壓加速器又稱“地那米”加速器(dynami-tron,范德格拉夫(靜電)加速器,串列加速器,高壓電極電壓V一般由高頻高壓電源或靜電高壓電源提供，高壓電極兩端分別

27、接一根真空加速管，高壓電極內(nèi)部有剝離器，用來將正離子轉(zhuǎn)換為負(fù)離子，實(shí)現(xiàn)二次加速,能量為Ei的負(fù)離子注入前加速管由地電位加速到高壓電極，能量增加Vq，經(jīng)剝離掉n+1個(gè)電子后變帶n個(gè)電荷的正離子，由高壓電極加速到地，能量增加nqV。離子最后能量為,Ei + Vq + nqV = Ei + (1+n)qV,優(yōu)點(diǎn)：較低電壓獲得較高能量；離子源和靶室均處于地電位,初始能量,前加速管獲得能量,后加速管獲得能量,離子源,358型雙等離子體離子源,358型雙等離子體離子源,860A濺射離子源,高壓電源,加速管和剝離器,鋼筒與高氣壓絕緣,為了縮小加速器的尺寸，又防止高壓擊穿。利用高氣壓氣體能提高擊穿強(qiáng)度的特性，

28、加速器放在一個(gè)充有6個(gè)大氣壓的SF6氣體的鋼筒內(nèi),T型鋼筒的垂直段是提供高壓電極電荷的35kHz Cockroft型高頻高壓電源,北京師范大學(xué)2X1.7MeV串列加速器,離子源,分析磁鐵,高壓電源,高壓電極,高壓罐,加速管,聚焦磁鐵,開關(guān)磁鐵,真空泵,PIXE,RBS,三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置,1、一定能量離子束的的產(chǎn)生裝置 -加速器 2、離子散射和探測(cè)的地方 -靶室 3、背散射離子的探測(cè)和能量分析裝置 4、放射源RBS,2）靶室,CONVENTIONAL IBA EXPERIMENTAL SETUP,三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置,1、一定能量離子束的的產(chǎn)生裝置 -加速器 2、離子散射和探測(cè)的地方 -靶室 3

29、、背散射離子的探測(cè)和能量分析裝置 4、放射源RBS,3)RBS離子的探測(cè)和能量分析裝置,RBS離子的探測(cè)和能量分析裝置組成: 探測(cè)器 前置放大器 主放大器 偏壓電源 多道計(jì)算機(jī) 束流積分儀,RBS電子學(xué)系統(tǒng)框圖,探測(cè)器,金硅面壘探測(cè)器,前置放大器,主放大器,V=Q/Cf,線性放大,多道分析器,探測(cè)器,前 置,主 放,多 道,Q,V2=AmV1,V1=Q/Cf,三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置,1、一定能量離子束的的產(chǎn)生裝置 -加速器 2、離子散射和探測(cè)的地方 -靶室 3、背散射離子的探測(cè)和能量分析裝置 4、放射源RBS,勇氣”號(hào) 、“機(jī)遇”號(hào)火星車車載APXS譜儀（2004年,4）放射源RBS,勇氣和探索者

30、火星車車載APXS示意圖,APXS的和x射線能譜,內(nèi)容,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置 四、RBS應(yīng)用 五、總結(jié) 六、實(shí)驗(yàn)安排,四、RBS技術(shù)的應(yīng)用,雜質(zhì)總量分析 雜質(zhì)的深度分布 化合物化學(xué)配比測(cè)定 表面層厚度的分析 應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量,1、雜質(zhì)總量分析,RBS分析對(duì)輕元素基體表面或體內(nèi)的重元素具有較高的分析靈敏度，因此特別適用于測(cè)定微量重元素雜質(zhì)濃度,C,B,mCmB,B,C,峰面積A,H0,B,雜質(zhì)濃度,雜質(zhì)峰面積,探測(cè)器立體角,入射離子數(shù),雜質(zhì)散射截面,入射離子能量,能譜面積法,入射角,1、雜質(zhì)總量分析,C,B,mCmB,B,C,A,H0,B,基體能譜前沿高

31、度,多道 分析器道寬,基體能譜比較法,基體核散射截面,基體元素阻止截面,優(yōu)點(diǎn)：無需精確測(cè)量Q，1,1、雜質(zhì)總量分析,C,B,mCmB,樣品體內(nèi)雜質(zhì)含量分析,對(duì)于近表面內(nèi)分布很窄的雜質(zhì)，仍可以采用上述2種方法,對(duì)于樣品體內(nèi)均勻分布的雜質(zhì)，可用雜質(zhì)和基體前沿比較法,C,B,mCmB,雜質(zhì)前沿高度,雜質(zhì)濃度,基體濃度,基體前沿高度,1、雜質(zhì)總量分析,樣品體內(nèi)均勻雜質(zhì)含量分析,阻止截面,因雜質(zhì)含量低計(jì)算能量損失時(shí)，僅考慮基體元素,四、RBS技術(shù)的應(yīng)用,雜質(zhì)總量分析 雜質(zhì)的深度分布 化合物化學(xué)配比測(cè)定 表面層厚度的分析 應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量,2、雜質(zhì)深度分布分析,離子注入樣品退火前深度分布,注

32、量：由注入雜質(zhì)峰面積和基體前沿高度比較得到,投影射程：由雜質(zhì)峰位置確定,KASE0,EAS,2、雜質(zhì)深度分布分析,離子注入樣品退火前深度分布,雜質(zhì)分布：注入離子的射程分布為高斯分布，射程歧離由注入雜質(zhì)峰半高寬確定,As峰半高寬,RBS探測(cè)系統(tǒng)能量分辨率,能量歧離,As分布引起的能散,FWHM為60KeV, ED由Si峰前沿得到，為22KeV;s可由Bohr理論得到，為7.5KeV， ERp=55.3KeV,射程分布 半高寬,射程分布標(biāo)準(zhǔn)偏差=Rp/2.355=50nm,2、雜質(zhì)深度分布分析,離子注入樣品退火后深度分布,通過將能量坐標(biāo)換成深度坐標(biāo)，產(chǎn)額換算成濃度可得到深度分布曲線,四、RBS技術(shù)

33、的應(yīng)用,雜質(zhì)總量分析 雜質(zhì)的深度分布 化合物化學(xué)配比測(cè)定 表面層厚度的分析 應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量,3、化合物化學(xué)配比測(cè)定,1）前沿高度比較,用到m,n?？捎玫ㄇ蠡瘜W(xué)配比。三次迭代足夠,1,阻止截面的計(jì)算中要,3、化合物化學(xué)配比測(cè)定,很少遇到上述的自支撐兩元化合物薄膜。多數(shù)情況下是襯底材料上化合物薄膜的分析。 例如右圖為Si襯底上氮化硅薄膜。 用迭代的高度比較法得到。硅和氮的化學(xué)配比為o.74。即Si3N4,H0，N,H0，Si,例如：半導(dǎo)體材料SiGe合金的分析,Si,SiO2,SiGe合金,Ge,SiGe中Si,SiO2中Si,Si襯底,O,160度,Ge前沿高為：Si前沿高為

34、： 迭代二次得到Si,Ge比為： 通過將能量坐標(biāo)換成深度，產(chǎn)額比換算化學(xué)配比，可獲得SiGe化學(xué)配比及其深度分布,3.6MeV Li+束,2）多元素樣品,右圖為陶瓷玻璃（CG）RBS能譜。元素X和O的原子比為,取,可得各元素與氧元素原子比的一級(jí)近似。代入,迭代,3）薄膜界面分析,Si,Fe,Ar, Xe and Au ions,FexSiy,Ion energy 100-700 keV,Fluence 1x1015-2x1016 ions/cm2,Liquid nitrogen room temperature,離子束混合：用重離子轟擊樣品表面，可使薄膜與基體，或薄膜之間的界面上形成原子混合層

35、,離子束混合,Si,Fe,四、RBS技術(shù)的應(yīng)用,雜質(zhì)總量分析 雜質(zhì)的深度分布 化合物化學(xué)配比測(cè)定 薄膜厚度的分析 應(yīng)用于阻止本領(lǐng)和能量歧離的測(cè)量（略,4、薄膜厚度的分析,1）薄膜的厚度很?。◣装侔Ｒ詢?nèi)），可將薄膜作為襯底表面的污染用污染總量的分析方法來處理。 2）能譜寬度度法膜厚分析,對(duì)不同情況可采用前面介紹的近似方法來求阻止截面，并得到薄膜厚度,單元素薄膜,薄膜很薄時(shí)，峰的寬度受系統(tǒng)能量分辨率和能量歧離影響較大，宜用能譜面積，薄膜厚時(shí)，散射截面隨深度的變化不可忽略，宜用能譜寬度,多元素和多層膜,表面能量近似下,可根據(jù)譜形采用不同的近似方法計(jì)算阻止截面,右圖是在硅襯底上熱氧化生長(zhǎng)的SiO2薄膜的RBS能譜。表面能量近似下用Si和O峰寬度得到SiO2的厚度分別為1.16和1.12 (1018分子/cm2,前面介紹的能量損失比計(jì)算散射前能量E的方法以前常用于多層膜分析中，用來確定在不同界面處散射前的能量。但現(xiàn)在多用軟件擬合直接得到各層膜厚,Li束深度分辨率好,內(nèi)容,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS實(shí)驗(yàn)裝置 四、RBS應(yīng)用 五、總結(jié) 六、實(shí)驗(yàn)安排,五、總結(jié),RBS原理 運(yùn)動(dòng)學(xué)因子質(zhì)量分辯，定性分析 散射截面靈敏度，定量分析 能量損失深度分辨率，深度分布分析 RBS裝置 加速器離子束產(chǎn)生與傳輸 靶室 探測(cè)系統(tǒng) RBS應(yīng)用 雜質(zhì)總量及其深度分布離子注入樣品 薄膜厚度 化合物化