分析儀器簡介(埃文思公司)

1、SICCEAG-China成立在2005年8月，從2008年7月，EAG-China在上海增加了SIMS服務，目前擁有3臺SIMS，1臺Auger。將于2012年安裝第4臺SIMS以及XPS和SEM。2013年初將安裝第一臺GD-MS設備。EAG提供材料物理和化學性質(zhì)的分析,得到材料的化學成分、微量元素（摻雜或雜質(zhì)）的濃度和分布以及材料的結(jié)構(gòu)。分析技術(shù)包括：SIMS、GDMS、ICP-MS、Auger、XPS、TEM、SEM、FTIR、TOF、Raman、XRD、XRR、XRF。EAG在多種電池材料的分析方面都有豐富的經(jīng)驗。針對太陽能級硅材料的分析，SIMS和GDMS是最有效的兩種手段。SIC

2、C 分析方法名稱簡 稱 主要用途透射電子顯微鏡TEM形貌及結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡SEM形貌掃描透射電子顯微鏡STEM形貌場電子顯微鏡FEM結(jié)構(gòu)場離子顯微鏡FIM結(jié)構(gòu)場離子顯微鏡-原子探針AP-FIM結(jié)構(gòu)掃描隧道顯微鏡STM形貌掃描力顯微鏡SFM形貌聲顯微鏡AM形貌低能電子衍射 LEED結(jié)構(gòu)反射式高能電子衍射 RHEED結(jié)構(gòu)擴展x射線吸收譜精細結(jié)構(gòu)SEXAFS結(jié)構(gòu)常用表面（層）形貌及結(jié)構(gòu)分析儀器及用途常用表面（層）形貌及結(jié)構(gòu)分析儀器及用途SICC 分析方法名稱簡 稱 主 要 用 途電子探針譜儀EPMA分析表層成分；研究各種元素在表層的分布；X射線熒光光譜儀XRF 分析表層成分；研究各種元素在表層的分

3、布俄歇電子能譜AES分析表面成分；研究各種元素在表面的分布X射線光電子能譜XPS分析表面成分；研究表面吸附和表面電子結(jié)構(gòu)離子散射譜ISS分析表面成分；尤其適合研究表面偏析和吸附次級離子質(zhì)譜SIMS分析表面成分；可研究化合物組分及分子結(jié)構(gòu)紅外吸收譜IR分析表面成分；研究表面原子振動拉曼散射譜RAMAN分析表面成分；研究表面原子振動紫外光電子譜UPS分析表面成分；更適合于研究價電子狀態(tài)角分解光電子譜ARPES分析表面成分；研究表面吸附原子的電子結(jié)構(gòu)輝光放電質(zhì)譜法GDMS分析表層成分；深度分析定性定量功能；常用表面（層）成分分析譜儀及用途常用表面（層）成分分析譜儀及用途SICCEAG各類材料分析技術(shù)

4、匯總SICC現(xiàn)就EAG公司的講解與介紹著重說明幾種分析儀器SICCGD-MS (Glow Discharge Mass Spectrometry )輝光放電質(zhì)譜法GD-MS原理：將具有平整表面的被測樣品作為輝光放電的陰極，樣品在直流或射頻或脈沖輝光放電裝置中產(chǎn)生陰極濺射，被濺射的樣品原子離開樣品表面擴散到等離子體中，通過各元素質(zhì)荷比和響應信號的強弱，對被分析元素進行定性和定量分析的一種分析方法。GD-MS構(gòu)成：離子源、質(zhì)量分析器、檢測系統(tǒng)SICCGD-MS原理示意圖SICC上圖為一個簡單的輝光放電裝置。放電池中通入壓力約 101000pa的惰性氣體（氬氣），陰極和陽極之間施加一個電場。當達到足

5、夠高的電壓時，惰性氣體被擊穿電離。電離產(chǎn)生的大量電子和正離子在電場作用下分別向相反方向加速，大量電子與氣體原子的碰撞過程輻射出特征的輝光在放電池中形成“負輝區(qū)”。正離子則撞擊陰極（樣品）表面通過動能傳遞使陰極發(fā)生濺射。陰極濺射的產(chǎn)物為陰極材料的原子、原子團，也會產(chǎn)生二次離子和二次電子。陰極的濺射過程正是樣品原子的產(chǎn)生途徑，也是樣品可進行深度分析的理論基礎。在輝光放電形成的眾多區(qū)域中，有兩個對樣品分析重要的區(qū)域，分別是“負輝區(qū)”和“陰極暗區(qū)”。陰極暗區(qū)為一靠近陰極表面的薄層區(qū)域，有較高的正離子密度，整個輝光放電的電壓降幾乎全部加在這個區(qū)域。負輝區(qū)一般占有輝光放電的大部分容積，幾乎是一個無場的區(qū)域

6、，電子承擔著傳導電流的作用。因此濺射產(chǎn)生的二次離子一般會被拉回到電極表面形成沉積而很難通過陰極暗區(qū)，而中性的原子則會通過擴散進入負輝區(qū)被激發(fā)或離子化，當然也可能在頻繁的碰撞過程中返回，這是輝光放電的一個明顯的特點。輝光放電源具有能產(chǎn)生固體樣品中具有代表性組成的原子，同時具有產(chǎn)生這些原子的激發(fā)態(tài)和離子態(tài)的能力。因此輝光放電既可作為光源也可作為離子源被應用到固態(tài)樣品的含量和深度分析中。SICCGD-MS定量方法離子束比定量和相對靈敏度因子（RSF）IBRIxIm/CxIxRSFx mCmImSICCGD-MS分析特性*全元素搜索分析*可同時檢測元素周期表中絕大部分元素*檢測限從sub-ppm到pp

7、b*可直接分析各種形態(tài)的固體樣品*避免了制樣污染（相比于濕法制樣）*幾乎不依賴于標樣*較少的取樣量（相比于ICP-MS）*可分析雜質(zhì)分布SICCGDMS與其它儀器分析方法比較SICCGD-MS的優(yōu)缺點優(yōu)點全元素分析，一次掃描幾乎可以覆蓋元素周期表 所有元素元素搜索分析，檢測成本低很好的探測極限不足H，C，O，N元素的探測極限較差不使用標樣的定量技術(shù)，定量誤差較大SICCSIMS (secondary ion mass spectroscopy)二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀SIMS原理:在SIMS分析中，樣品由氧（O2+）或者銫(Cs+)源的聚焦一次離子束濺射。在濺射過程中形成的二次離子被加速使

8、其脫離樣品表面。二次離子由靜止分析器進行能量分離和由電磁質(zhì)量分析器基于質(zhì)荷比進行質(zhì)量分離。便可知道表面的成份 SICCSIMS(二次離子質(zhì)譜系統(tǒng)二次離子質(zhì)譜系統(tǒng))結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖離子源離子源質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器檢測器檢測器二次離子深度分析二次離子深度分析二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜二次離子分布圖像二次離子分布圖像SICCSIMS(二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜) )系統(tǒng)基本特性系統(tǒng)基本特性可以在超高真空條件下得到表層信息；可以在超高真空條件下得到表層信息；可檢測包括可檢測包括H在內(nèi)的全部元素；在內(nèi)的全部元素；可檢測正、負離子；可檢測正、負離子；可檢測同位素；可檢測同位素；可檢測化合物，并能給出原子團

9、、分子性離可檢測化合物，并能給出原子團、分子性離子、碎片離子等多方面信息；子、碎片離子等多方面信息；可進行面分析和深度剖面分析；可進行面分析和深度剖面分析；對很多元素和成分具有對很多元素和成分具有ppm甚至甚至ppb量級的量級的高靈敏度；高靈敏度；SICCSIMS( (二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜) )分析技術(shù)分析技術(shù)表面元素定性分析表面元素定性分析表面元素定量分析技術(shù)表面元素定量分析技術(shù)元素深度剖面分析元素深度剖面分析微區(qū)分析微區(qū)分析軟電離分析軟電離分析SICC動態(tài)動態(tài)SIMS深度剖面分析深度剖面分析分析特點分析特點：不斷剝離下進行不斷剝離下進行SIMS分析分析獲得獲得各種成分的深度分布信息；各

10、種成分的深度分布信息；深度分辨率：深度分辨率：實測的深度剖面分布與樣品中實測的深度剖面分布與樣品中真實濃度分布的關系真實濃度分布的關系入射離子與靶的相互作入射離子與靶的相互作用、二次離子的平均逸出深度、入射離子的原用、二次離子的平均逸出深度、入射離子的原子混合效應、入射離子的類型，入射角，晶格子混合效應、入射離子的類型，入射角，晶格效應都對深度分辨有一定影響。效應都對深度分辨有一定影響。SICC動態(tài)動態(tài)SIMSSIMS面分布分析面分布分析SIM/IMS材料表面面分布技術(shù)：空間分辨率可達亞微米量級材料表面面分布技術(shù)：空間分辨率可達亞微米量級SICC靜態(tài)靜態(tài)SIMSSIMS軟電離分析技術(shù)軟電離分析

11、技術(shù)有機物分析有機物分析: :適合不揮發(fā)、熱穩(wěn)定較差的適合不揮發(fā)、熱穩(wěn)定較差的SICCSIMS優(yōu)點與不足*優(yōu)點：可直接取樣能測得每種雜質(zhì)的化學態(tài)與電子態(tài)的全部濃度，不需要化學方法除雜質(zhì)對所有元素有極好的探測極限，包括C，H，O，N*不足：特定元素分析，每次只能分析一到三個元素。多種元素分析成本較高SICCXPS（X射線光電子能譜儀）射線光電子能譜儀）相、織構(gòu)、應力、薄相、織構(gòu)、應力、薄膜等分析。膜等分析。SICCXPS：一種無損檢測手段。主要用于獲取薄膜材料（單層膜、多層膜、調(diào)制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。當外殼層獲得一個電子時，由于束縛變?nèi)?，各殼層均不同程度松弛，導致測

12、量的內(nèi)殼層結(jié)合能變小；當外殼層失掉一個電子時，由于束縛變強，各殼層均不同程度緊縮，導致測量的內(nèi)殼層結(jié)合能變大；SICCXPS技術(shù)原理一束具有特定波長的X射線束照射樣品表面，測量從樣品表面發(fā)射的光電子：1、根據(jù)光電子的能量，確定樣品表面存在的元素；2、根據(jù)光電子的數(shù)量，確定元素在表面的含量；3、X射線束在表面掃描，可以測得元素在表面的分布；4、采用離子槍濺射及變角技術(shù)，可以得到元素在深度方向的分布；5、根據(jù)不同化學環(huán)境下光電子峰位移動、峰型、峰間距變化，獲得化學信息；SICC* *X X射線源射線源* *超高真空不銹鋼超高真空不銹鋼艙室及超高真空艙室及超高真空泵泵* *電子收集透鏡電子收集透鏡*

13、 *電子能量分析儀電子能量分析儀* *合金磁場屏蔽合金磁場屏蔽* *電子探測系統(tǒng)電子探測系統(tǒng)* *適度真空的樣品適度真空的樣品艙室艙室* *樣品支架樣品支架* *樣品臺樣品臺* *樣品臺操控裝置樣品臺操控裝置SICCXPS譜儀的基本結(jié)構(gòu)框圖影響儀器特性的最主要部件和因素影響儀器特性的最主要部件和因素一、儀器靈敏度：激發(fā)源強度；能量分析器的入口狹縫有效面積、立體接收角；電子傳輸率、電子檢測器類型；二、儀器分辨率：X射線源的自然線寬、能量分析器的線寬、受激樣品原子的能級線寬；SICCXPS主要分析技術(shù)一、表面元素定性分析技術(shù)二、元素深度分布分析技術(shù)三、表面元素面分布分析技術(shù)四、表面元素化學價態(tài)分析

14、技術(shù)SICCXPS定性分析譜線的類型各原子軌道的光電子峰部分軌道的自旋裂分峰K2產(chǎn)生的衛(wèi)星峰X射線激發(fā)的俄歇峰SICCXPS元素深度分布分析1、變角、變角XPS深度分析：深度分析：利用采樣深度的變化獲得元素濃度與深度的對應關系；非破壞性分析；適用于15nm表面層；2、Ar離子剝離深度分析離子剝離深度分析：交替方式-循環(huán)數(shù)依據(jù)薄膜厚度及深度分辨率而定；破壞性分析；SICCXPS應用薄膜材料：厚度201000埃，大小10微米以上體材料如Si等；表面的整體平整度等應用于缺陷、腐蝕、氧化、褪色等材料領域的研究SICCXPS技術(shù)的優(yōu)點及不足優(yōu)點：一種無損檢測手段。主要用于獲取薄膜材料（單層膜、多層膜、調(diào)

15、制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。不足：薄膜材料不能太厚，太粗糙。SICC激光器樣品室雙單色器檢測器記錄儀 計 算 機前置單色器第三單色器色散型喇曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖色散型喇曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖SICC喇曼光譜分析基礎喇曼光譜分析基礎喇曼光譜分析基礎：喇曼光譜分析基礎：光子與分子之間能量交換E反映了指定能級的變化；喇曼位移取決于分子振動能級的改變； 喇曼光譜可以作為分子結(jié)構(gòu)定性分析的理論依據(jù)；定性分析依據(jù)：定性分析依據(jù)：相對于激發(fā)光頻率位移（特征值）的喇曼散射譜帶的位置、強度和形狀獲得分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運動信息鑒定化合物、官能團及結(jié)構(gòu)分析；SICC喇曼光譜分析喇曼光譜分析喇曼光譜

16、是一種散射光譜紅外光譜是一種吸收光譜。喇曼光譜是一種散射光譜紅外光譜是一種吸收光譜。喇曼光譜在喇曼光譜在20世紀世紀30年代末，是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。但是，當時的年代末，是研究分子結(jié)構(gòu)的主要手段。但是，當時的喇曼效應太弱。所以，隨著紅外光譜的發(fā)展，其地位隨之下降。喇曼效應太弱。所以，隨著紅外光譜的發(fā)展，其地位隨之下降。在在1960年激光問世以后，喇曼光譜出現(xiàn)了新局面?，F(xiàn)已經(jīng)成為有機、無機、年激光問世以后，喇曼光譜出現(xiàn)了新局面。現(xiàn)已經(jīng)成為有機、無機、高分子、生物、環(huán)保等各個領域內(nèi)的重要分析手段。水和玻璃的喇曼光譜高分子、生物、環(huán)保等各個領域內(nèi)的重要分析手段。水和玻璃的喇曼光譜很微弱，因而使得

17、喇曼光譜的應用大大拓寬了。很微弱，因而使得喇曼光譜的應用大大拓寬了。左圖給出了散射效應的示意圖。當一束左圖給出了散射效應的示意圖。當一束頻率為頻率為 0的激光入射到材料上時，絕大的激光入射到材料上時，絕大部分光子可以透過或者吸收。大約有部分光子可以透過或者吸收。大約有0.1的光子與樣品分子發(fā)生碰撞后向各個的光子與樣品分子發(fā)生碰撞后向各個方向散射。碰撞的過程有二方向散射。碰撞的過程有二: （1）彈性散射瑞利散射；）彈性散射瑞利散射；（2）非彈性散射喇曼散射。）非彈性散射喇曼散射。 Stokes散射（能量減?。┥⑸洌芰繙p?。?Anti-Stokes散射（能量增大）。散射（能量增大）。E1E0Vi

18、rtualhE /0hE /00喇曼散射后光子的波數(shù)發(fā)生變化，喇曼散射后光子的波數(shù)發(fā)生變化，成為喇曼位移。成為喇曼位移。SICC喇曼光譜分析喇曼光譜分析處于基態(tài)的分子，被激發(fā)到高能級上，獲得處于基態(tài)的分子，被激發(fā)到高能級上，獲得Stock線；處于激發(fā)態(tài)上的分子，回到基態(tài)線；處于激發(fā)態(tài)上的分子，回到基態(tài)時，獲得時，獲得antiStock線。線。由于處于基態(tài)的分子的數(shù)目遠遠大于處于激由于處于基態(tài)的分子的數(shù)目遠遠大于處于激發(fā)態(tài)的分子數(shù)目，所以發(fā)態(tài)的分子數(shù)目，所以Stock線的強度線的強度antiStock線要強得多。線要強得多。我們知道，瑞利散射和喇曼散射都是低效率我們知道，瑞利散射和喇曼散射都是低

19、效率過程。瑞利散射只有入射光強度的過程。瑞利散射只有入射光強度的103，而，而喇曼散射則只有喇曼散射則只有106。所以，只有強度足夠。所以，只有強度足夠大的光才能激發(fā)出滿意的喇曼光譜。大的光才能激發(fā)出滿意的喇曼光譜。另外，紅外光譜中，某種振動是否有活性取另外，紅外光譜中，某種振動是否有活性取決于分子振動時偶極矩的變化，而喇曼的活決于分子振動時偶極矩的變化，而喇曼的活性則取決于分子振動時極化度是否變化。性則取決于分子振動時極化度是否變化。E1E0VirtualhE /0hE /00喇曼散射后光子的波數(shù)發(fā)生變喇曼散射后光子的波數(shù)發(fā)生變化，稱為喇曼位移。對應于同化，稱為喇曼位移。對應于同一個分子能級

20、，一個分子能級，Stock和和antiStock位移應該是相等的。位移應該是相等的。極化度是指，分子在電場的作用下，分子中電子云變形的難極化度是指，分子在電場的作用下，分子中電子云變形的難易程度。右式中易程度。右式中 i為分子在入射光電場為分子在入射光電場E下的誘導偶極矩。下的誘導偶極矩。iSICC喇曼光譜分析喇曼光譜分析利用化學氣相沉積方法制備的納米碳利用化學氣相沉積方法制備的納米碳強化的二氧化硅納米線的喇曼光譜。強化的二氧化硅納米線的喇曼光譜。二氧化硅本身的喇曼強度很弱。二氧化硅本身的喇曼強度很弱。SICC喇曼光譜的應用舉例喇曼光譜的應用舉例清華大學物理系范守善教授研究組利用同位素標定的方

21、法研究了碳納米管的生長機制。清華大學物理系范守善教授研究組利用同位素標定的方法研究了碳納米管的生長機制。SICC喇曼光譜的應用舉例低能離子束沉積在硅基片上獲得的類金剛石（低能離子束沉積在硅基片上獲得的類金剛石（DLC）碳薄膜材料的表征。）碳薄膜材料的表征。 利用不同類型的含碳離子制備的碳薄膜的利用不同類型的含碳離子制備的碳薄膜的結(jié)構(gòu)之間的差異。不含氫的結(jié)構(gòu)之間的差異。不含氫的SP3份額多。份額多。SICC喇曼光譜用于分析的優(yōu)點喇曼光譜用于分析的優(yōu)點拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，拉曼光譜的分析方法不需要對樣品進行前處理，也沒有樣品的制備過程，避免了一些誤差的產(chǎn)生

22、，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏避免了一些誤差的產(chǎn)生，并且在分析過程中操作簡便，測定時間短，靈敏度高等優(yōu)點。度高等優(yōu)點。喇曼光譜用于分析的不足喇曼光譜用于分析的不足(1)拉曼散射面積拉曼散射面積(2)不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響(3)熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾熒光現(xiàn)象對傅立葉變換拉曼光譜分析的干擾(4)在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題在進行傅立葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性的問題(5)任何一物質(zhì)的引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入任何一物質(zhì)的

23、引入都會對被測體體系帶來某種程度的污染，這等于引入了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。了一些誤差的可能性，會對分析的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。SICC AES (Auger Electron Spectroscopy)俄歇電子能譜是一種利用高能電子束為激發(fā)源的表面分析技術(shù)。 AES分析區(qū)域受激原子發(fā)射出具有元素特征的俄歇電子，用電子能譜分析儀測量得么這些俄歇電子的能譜，就是俄歇電子能譜。根據(jù)能譜中有有元素特征的譜峰，即可推測分析區(qū)域有什么元素，達到表面分析的目的 SICCAES Auger效應Auger過程過程 Energy sourceEjected core electronOut

24、er electron fills core level holeTransfer of excess energyAuger electron emittedSICCAES Auger效應Auger過程過程 (a) KL1L3 Auger 躍遷躍遷 (b) K 1 輻射躍遷輻射躍遷 SICCAES Auger效應Auger過程過程 Core levelsEVIncident BeamEjected core level electronAuger electron emissionEVElectron fills core level holeSICC原理原理原子在被原子在被X射線或電子束激

25、發(fā)時，其內(nèi)層電子被擊出，產(chǎn)生一個空射線或電子束激發(fā)時，其內(nèi)層電子被擊出，產(chǎn)生一個空位，此時原子處于激發(fā)態(tài)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)的原子在恢復其基態(tài)穩(wěn)位，此時原子處于激發(fā)態(tài)，這種不穩(wěn)定狀態(tài)的原子在恢復其基態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時，可由兩種互相競爭的過程實現(xiàn)：一種是由較高能級的一定狀態(tài)時，可由兩種互相競爭的過程實現(xiàn)：一種是由較高能級的一個電子落入空位填充，多余的能量以特征個電子落入空位填充，多余的能量以特征X射線輻射出；另一種是射線輻射出；另一種是內(nèi)層空位被較高能級電子填入，多余能量又使同一層或更高層的另內(nèi)層空位被較高能級電子填入，多余能量又使同一層或更高層的另一電子激發(fā)為自由電子，該自由電子便是俄歇電子。俄歇電子的

26、能一電子激發(fā)為自由電子，該自由電子便是俄歇電子。俄歇電子的能量只與原子所處的能級，及原子結(jié)構(gòu)有關，而與入射激發(fā)源無關，量只與原子所處的能級，及原子結(jié)構(gòu)有關，而與入射激發(fā)源無關，它是表征物質(zhì)原子特性的一個特征量。周期表中各元素的各類俄歇它是表征物質(zhì)原子特性的一個特征量。周期表中各元素的各類俄歇電子的能量都有確定的值，因此只要能測出樣品中俄歇電子的能量，電子的能量都有確定的值，因此只要能測出樣品中俄歇電子的能量，再與已知元素俄歇電子能量對照，便可確定樣品表面的元素成分，再與已知元素俄歇電子能量對照，便可確定樣品表面的元素成分，這種分析方法便是俄歇電子能譜分析這種分析方法便是俄歇電子能譜分析 SICCAES Auger效應在實用的在實用的A