固體材料的測試與分析

固體材料的測試與分析第一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

對于材料物理來說，除了材料制備方法以外，最廣泛使用的表征材料特征的方法有：衍射方法:中子衍射、X射線衍射、電子衍射、穆斯堡爾譜、γ射線衍射等…顯微方法:光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描遂道顯微鏡、場離子顯微鏡、原子力顯微鏡等…其它方法表征材料的方法第二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

考慮所需的信息：整體統(tǒng)計性的還是局域性的？是宏觀尺度的、納米尺度的還是原子尺度的？是單項的還是綜合的？考慮采用什么方法才能得到自己需要的參數(shù)

優(yōu)先考慮本實驗室現(xiàn)有的測量手段考慮實驗費用考慮是否能用別的測量手段替代如何選擇測量手段第三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五常用的衍射方法第四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五以X射線作為探測工具第五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)(EXAFS)工作原理：利用一個來自同步輻射源的可調(diào)單色X射線輻照樣品。當X射線的能量從稍低于樣品中選定元素原子內(nèi)殼層電子結(jié)合能(例如K或L電子)到遠高于此能量掃描時，會發(fā)生X射線吸收，并可觀察到一個極陡的吸收邊。當入射X射線的能量大于結(jié)合能時，可以觀察到一系列吸收振蕩。用處：能夠反映X射線吸收原子0.5nm附近的原子結(jié)構(gòu)分布情況。EXAFS的頻率與吸收原子和其近鄰原子間距有關(guān)，而EXAFS的強度則與近鄰原子的種類、數(shù)量和有序度有關(guān)。第六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五表面擴展X射線吸收超精細結(jié)構(gòu)和近邊X射線吸收超精細結(jié)構(gòu)(SEXAFS/NEXAFS)工作原理：固體樣品處于超高真空中，受到來自同步輻射源的可調(diào)X射線照射。通過改變X射線的光子能量和測量出射電子或熒光的產(chǎn)額來采集吸收譜。用處：SEXAFS的特征峰樣品表面的近鄰原子鍵長、配位數(shù)NEXAFS局域配位(四配位、八配位等等)

氧化態(tài)性質(zhì)鍵合的種類（分子吸收）第七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五X射線光電子譜(XPS)工作原理：用單色的軟X射線轟擊樣品，導(dǎo)致光電子的逸出，然后得到光電子譜。(根據(jù)射線波長可以大致分為硬X射線和軟X射線，波長越短則射線越“硬”，其能量就越大，穿透力也就越強。反之則能量較小，易被物質(zhì)吸收。)用處：通過測量逸出光電子的動能可直接確定元素。通過測量光電子的強度可以測定元素含量。對于固體樣品，X射線光電子譜可以探測2-20個原子層深度的范圍，探測深度依賴于被測材料、光電子能量和探測的角度。從生物到冶金材料廣闊的范圍里，XPS的優(yōu)點是可無標樣半定量測定表面元素。第八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五X射線衍射(XRD)工作原理：一束平行的波長為0.05-0.2nm的X射線入射到樣品上時，衍射依據(jù)Bragg公式λ=2dsinθ，其中d是晶面間距。X射線的衍射強度是衍射角2θ和樣品取向的函數(shù)。用處：衍射花樣用以確定樣品的晶體相和測量結(jié)構(gòu)性質(zhì)，包括應(yīng)變、外延織構(gòu)和晶粒的尺寸和取向；X射線衍射也能確定非晶材料和多層膜的成分深度分布、薄膜厚度和原子排列。第九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五以電子束作為探測工具第十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五電子探針X射線顯微分析(EPMA)工作原理：利用一束會聚的高能(5-30keV)電子束轟擊樣品，從而導(dǎo)致樣品發(fā)射出特征X射線(能量范圍0.1-15keV)。X射線通常用能量色散(簡稱能譜)或波長色散X射線譜儀(簡稱波譜儀)測量。作用：是一種元素分析技術(shù)。標樣系列包括純元素或二元化合物等。在使用純元素標樣分析濃度時相對濃度誤差在4％以內(nèi)的幾率為0.95。元素的空間分布可以用X射線區(qū)域掃描定性觀察，并通過數(shù)字成分圖來定量表示。第十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五俄歇電子譜(AES)工作原理：俄歇電子是用一束會聚電子束照射固體后在表面附近所產(chǎn)生的二次電子。俄歇電子反映元素的能量特征，在許多情況下反映了釋放出俄歇電子的原子的化學(xué)鍵特征。用處：由于俄歇電子在從樣品淺層表面逃逸過程中沒有能量損耗，因此利用俄歇電子的特征能量可以確定樣品元素的成分，同時能確定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)。如果同時結(jié)合離子轟擊，逐層剝離表面技術(shù)，還可以表征樣品在表面下不同深度上的化學(xué)性質(zhì)。由于電子束的高空間分辨，故可以進行樣品的三維區(qū)域的微觀分析。俄歇電子譜的特征包括高橫向分辨率、高靈敏度、無標樣半定量分析并且在某些情況下給出化學(xué)鍵信息。第十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五低能電子衍射(LEED)：表面的探測工具工作原理：測量一束平行的單色低能電子束（10－1000eV）被樣品表面所衍射的花樣。實驗在真空中進行。在這個能量范圍里，電子的平均自由程只有幾個埃，因此對表面十分敏感。用處：衍射花樣可以用來分析干凈的表面或涂層結(jié)構(gòu)。對衍射強度的分析可以確定表面原子之間的相對位置及它們相對下層原子的位置。對不同角度的衍射束的分析可以提供表面無序程度的信息?？梢杂脕硌芯勘砻婢w的微觀晶體結(jié)構(gòu)和組織及相關(guān)現(xiàn)象。第十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五反射高能電子衍射(RHEED)工作原理：一束高能電子(5-50keV)被加速射向接地的導(dǎo)體樣品或半導(dǎo)體樣品的表面。入射電子束以lo-5o的掠射角照射樣品，并被其散射。由于電子束的波長比原子間距短，這些電子被樣品表面有序的原子陣列所衍射。散射電子束打到與電子槍相對的熒光屏上，使熒光屏上的磷粉發(fā)光。熒光屏上顯示的圖像被稱之為反射高能電子衍射花樣，此衍射花樣能用照相或其他方法記錄下來。用處：反射高能電子衍射花樣中的明亮條紋的對稱性和間距可以給出表面對稱性、晶格常數(shù)和完整性的信息。第十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五反射電子能量損失譜(REELS)工作原理：將固體樣品置于真空中，用一束細電子束輻照，電子束的能量相當高，足以導(dǎo)致原子或原子團的電子激發(fā)。部分入射電子從樣品中射出時，相對于入射能量E0損失了一特定能量。通過電子能量分析器可以測量反射電子的數(shù)量、方向k和能量。用處：與標樣比較，從逸出電子能量損失譜的強度和線形能夠得到有關(guān)樣品表面成分、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息。第十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五高分辨電子能量損失譜(HREELS)：表面第一層工作原理：在高分辨電子能量損失譜中，一束高度單色的低能(1—10eV)電子束被聚焦在樣品表面，并對散射電子的散射能量和散射角進行高分辨分析。由于表面原子和分子的振動激發(fā)，一些散射電子具有較小的特征能量損失。通過測量電子數(shù)和相對于彈性散射電子束的電子能量損失可以得到振動譜。用處：這種譜分析主要是用來確定表面第一層的化學(xué)物質(zhì)(官能團)，通常在這一層中包含被固體吸附的官能團。第十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五以離子束作為探測工具第十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五二次離子質(zhì)譜(SIMS)工作原理：固態(tài)樣品置于真空中并用細離子束轟擊，此入射離子被稱作初級離子，它們有足夠的能量使樣品照射區(qū)的原子或小原子團逸出。以離子形式發(fā)射的原子或原子團被稱為二次離子。二次離子在質(zhì)譜儀中加速后，根據(jù)它們的荷質(zhì)比不同被分離并分別計數(shù)。二次離子質(zhì)譜是針對濺射離子的質(zhì)譜分析。用處：二次離子的相對量可以轉(zhuǎn)換成濃度。通過與標樣比較可以展示樣品成分和痕量雜質(zhì)的濃度隨轟擊時間(即距樣品表面深度)的變化情況。第十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五濺射中性質(zhì)譜(SNMS)工作原理：對在高能離子束轟擊下固體表面的濺射原子所進行的質(zhì)譜分析。利用機械分離方法使濺射出來的原子游離化。濺射中性質(zhì)譜是針對濺射原子的質(zhì)譜分析。用處：能夠精確測量化學(xué)成分復(fù)雜的薄膜和界面的濃度沿深度變化的情況，這種測量能得到很好的深度分辨和痕量分析結(jié)果。激光離化表面分析和流動放電質(zhì)譜都是濺射中性質(zhì)譜的特例。第十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五盧瑟福背散射譜(RBS)工作原理：用一束單色高能粒子束(常用氦)轟擊被探測樣品，粒子束的能量高達幾兆電子伏特。入射粒子的一部分被樣品中近表面區(qū)域的重原子背散射，并用固體探測器測量其能量。用處：背散射粒子的能量與被轟擊原子的質(zhì)量和深度有關(guān)，因此可用來定量測定在1-2um深度范圍內(nèi)的成分分布。入射粒子束平行樣品晶軸方向時，可以定量測量晶格缺陷和雜質(zhì)在晶格中的位置，并給出沿深度的分布。對薄膜樣品結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、雜質(zhì)和缺陷進行深度分析是盧瑟福背散射譜的主要應(yīng)用。第二十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五以光子束作為探測工具第二十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五富里葉變換紅外光譜(FTlR)工作原理：一些物質(zhì)的化學(xué)鍵合的振動頻率常處于紅外波段。樣品中具有一定振動模式的振動將與入射的紅外電磁波相互作用，并當發(fā)生共振時與其交換能量。用處：在紅外實驗中，通過測量紅外電磁波在與樣品作用前后的光強，可以得到隨頻率變化的光強比I/I0，這類紅外光譜測量可以得到化學(xué)鍵的種類、周圍環(huán)境和濃度等信息。第二十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五光致熒光(PL)工作原理：在光致熒光測量中，光子導(dǎo)致了樣品物質(zhì)的激發(fā)電子態(tài)，通過分析激發(fā)態(tài)在恢復(fù)到基態(tài)過程的光發(fā)射來測量材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。為了獲得激發(fā)態(tài)，通常讓光直接照射到樣品上，所發(fā)出的光致熒光通過透鏡和光探測器上的光譜儀來采集。發(fā)射光的光譜分布和時間依賴關(guān)系與電子的躍遷幾率有關(guān)。用處：提供定性的，有時是定量的有關(guān)化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)(如鍵合、無序態(tài)、界面和量子阱等)、雜質(zhì)、動力學(xué)過程和能量傳遞。第二十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五可變角度的光譜橢圓儀(VASE)工作原理：用偏振光照射到樣品表面后，利用檢偏器對反射光進行分析。用平行的單色光束以一傾角照射樣品，對于每個入射角和波長，測量反射光強與偏振角的關(guān)系，從而得到了重要的橢圓儀參數(shù)。利用一組最優(yōu)化的入射角和波長的組合可以得到最大的測量靈敏度和有關(guān)信息。用處：從測量參數(shù)導(dǎo)出的物理量包括塊體或薄膜介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度(從一到幾百納米)和多組份薄膜的顯微組織成分。一般說來，只有材料具有平行表面且在十分之一入射波長范圍內(nèi)有結(jié)構(gòu)和化學(xué)的不均勻性時才能使用橢圓儀測量。第二十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五紫外光電子譜(UPS)工作原理：如果以能量在10-100eV范圍的單色光照射樣品，光電子將從原子的價鍵能級和深層芯能級中發(fā)射出來。對所發(fā)射電子動能分布的測量就是紫外光電子譜。此技術(shù)的原理與X光光電子譜基本相同，區(qū)別只在于入射光子的能量要低許多，并且研究的側(cè)重點是價電子能級而不是芯能級。用處：UPS可用來進行固體表面的電子結(jié)構(gòu)分析。在許多情況下，紫外光電子譜比X射線光電子譜在樣品表面分析上有更多的優(yōu)越性。第二十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五其它第二十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五激光電離表面分析(SALI)工作原理：在激光電離表面分析中，利用一探測束(如離子束、電子束或激光)直接照射到表面來轟擊樣品。用一束不轉(zhuǎn)動的強激光緊貼樣品表面平行照射。由于激光強度很大，因此在被激光照射的蒸發(fā)樣品區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致了大量的非共振的(非選擇性的)光電離。然后對非選擇性電離的樣品作質(zhì)譜分析以確定未知樣品的性質(zhì)。用處：能精確地反映表面的成分，如果與時間飛行質(zhì)譜儀結(jié)合可以提供快速、有效、靈敏的分析結(jié)果。第二十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五穆斯堡爾譜學(xué)(MS)工作原理：原子核對γ射線的共振吸收和發(fā)射現(xiàn)象叫穆斯堡爾效應(yīng)。穆斯堡爾譜實驗由放射源、樣品、探測器、顯示及記錄裝置組成。透射實驗得到的譜是一系列吸收峰。用處：由吸收峰的位置、強度和線寬可以得到樣品中被探測核素所在處的電磁環(huán)境，它們由一系列超精細參數(shù)(同質(zhì)異能移位、四極分裂裂距、超精細場、線寬等)表征，可以用于研究價態(tài)、磁有序、相變和化學(xué)反應(yīng)等。穆斯堡爾譜的優(yōu)點是對能量的高靈敏度、相對所探測核素的高選擇性、很少受到其他元素的干擾。缺點是只對部分核素有效，最常用的是各種含鐵物質(zhì)，其次是含錫、銪和碘等元素的物質(zhì)。第二十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五中子散射（NS)工作原理：熱中子被凝聚態(tài)物質(zhì)散射，包括中子彈性散射(即中子衍射)和非彈性散射。用處：中子衍射技術(shù)由于強中子源、靈敏的探測器和快速計算技術(shù)的使用已成為相當完善的結(jié)構(gòu)分析手段。能研究物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)，如鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、非共線磁結(jié)構(gòu)和旋磁性等。對于輕元素在晶體中的位置也可給出信息。中子小角散射可用于研究材料中的缺陷、空位、位錯、沉淀相、磁不均勻性的大小及分布、生物大分子的空間構(gòu)型等。中子漫散射可用于研究材料中的調(diào)幅結(jié)構(gòu)區(qū)及反相疇等。中子非彈性散射主要用于晶體中聲子譜及相關(guān)的物理化學(xué)機制的研究，還用于磁性物質(zhì)中自旋波譜的研究。第二十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五常用的顯微方法第三十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五場離子顯微鏡(FIM)工作原理：中性的惰性氣體分子以原子尺度靠近帶幾千伏特正電壓的固體針尖時，電子很可能從惰性氣體分子隧穿至固體，從而產(chǎn)生一個陽離子。陽離子被電場加速打到接收器上，再放出大量的電子打到熒屏上產(chǎn)生亮點，同時能看到一顆顆原子影象。（可以通過電化學(xué)刻蝕制作半徑約50nm的針尖，并在針尖和熒光屏之間加約5kV的電壓。利用氦、氖等惰性氣體產(chǎn)生的離化）用處：研究吸附原子或空位、間隙原子等點缺陷以及位錯、晶界這樣的擴展缺陷。第三十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五掃描電子顯微術(shù)(SEM)工作原理：電子束被聚成細針狀并在小矩形面積上掃描。當電子束與樣品相互作用時產(chǎn)生各種各樣的信號，如二次電子、內(nèi)電流、光子發(fā)射等，這些信號可以被探測，它們反映了被電子束直接照射的面積上的局域信息。利用這些信號調(diào)制陰極射線管的亮度，它是與電子束同步的屏面掃描并同步成像。用處：當需要對某種材料進行快速觀測而光學(xué)顯微鏡的分辨精度又不夠時，掃描電子顯微鏡是首選儀器。配合其他輔助探測器，掃描電子顯微鏡可以作元素分析。第三十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡(STM／AFM)工作原理：固體樣品可置于空氣、液體或真空中，針尖到樣品表面只有幾埃。對于掃描隧道顯微鏡來說，在樣品表面和針尖之間有量子隧道電流。原子力顯微鏡，樣品表面的原子與針尖原子的相互作用力使得一個小懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于隧道電流和懸臂偏轉(zhuǎn)的大小強烈地依賴于樣品與針尖的間距，它可以用來畫出三維的表面原子尺度的結(jié)構(gòu)細節(jié)。用處：STM／AFM在高分辨和三維分析上有無與倫比的優(yōu)越性，可以得到原子尺寸的信息。第三十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五透射電子顯微鏡(TEM)工作原理：利用一束高聚焦的單色電子束轟擊處于真空中的薄固體樣品。電子束的能量很高足以穿透樣品，利用一系列電磁透鏡將此透射電子信號放大。在樣品下方還能觀察到一系列衍射花樣。用處：衍射花樣可用來確定樣品的原子結(jié)構(gòu)。由于電子和樣品中的原子之間的相互作用導(dǎo)致了多種散射機制，因此對透射電子像的分析可以得到有關(guān)材料的原子結(jié)構(gòu)和缺陷的信息。第三十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五常用的其它方法第三十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五磁光克爾效應(yīng)(MOKE)工作原理：基于材料的凈磁化強度M與從表面反射的可見光的偏振變化的比例關(guān)系。磁化方向由起始位置和旋轉(zhuǎn)信號(偏振)決定。用處：是一種測定磁性材料近表面凈磁矩方向和相對大小的光學(xué)技術(shù)。測量材料在連續(xù)變化的外磁場下的磁光克爾效應(yīng)給出了材料的磁滯回線。磁光克爾效應(yīng)的測量可以在兆赫茲頻率下和在直流下測量，這使得測量磁疇動力學(xué)或靜疇像成為可能。第三十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五電子自旋共振(ESR)，也叫電子順磁共振(EPR)工作原理：在被研究的物質(zhì)中，若有未成對電子，則這種物質(zhì)(分子)便具有未抵消的磁矩，表現(xiàn)出順磁性。電子自旋磁矩在外磁場中會具有分立的能級，因而會有共振現(xiàn)象。用處：可以探討自旋未成對電子與一些核噪音的強弱，給出分子中電子結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息，如順磁離子的氧化態(tài)、電子組態(tài)和配位數(shù)；順磁離子的基態(tài)d軌道、格位對稱性及所發(fā)生的任何結(jié)構(gòu)畸變。在成分分析方面可以定性的或定量的測量?？梢杂糜谘芯炕瘜W(xué)鍵的性質(zhì)、電子與聲子的相互作用、電子自旋哈密頓參數(shù)、g因子值以及具有未成對電子的晶體缺陷等。第三十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五核磁共振(NMR)工作原理：用以研究核磁矩與射頻電磁波的相互作用。在實驗中，固態(tài)樣品被放在l-14T強磁場下，磁場使具有自旋I的基態(tài)采取(2I+1)個取向，每種取向代表一個能級；當用強射頻脈沖輻照，其頻率范圍能使特定原子核在基態(tài)的能級間躍遷，產(chǎn)生NMR信號。利用電磁感應(yīng)和富利葉變換得到信號強度與頻率的關(guān)系，將得到的譜與標樣對比。用處：可以確定原子種類及其含量。同時它是一個對結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)十分靈敏的探測器。核磁共振可以用來作相分析及研究無序材料的局域鍵合性質(zhì)。第三十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五光聲譜(PAS)工作原理：在光聲譜中，用一束調(diào)制光照射樣品，光吸收引起了樣品溫度變化，所導(dǎo)致的樣品膨脹又引起了空氣中的壓力波(聲波)。在樣品附近放一個探測器以記錄聲波的強度和頻率。當樣品表面的條件變化時，例如樣品吸附氣體或形成氧化層后，光吸收發(fā)生了變化，影響了樣品加熱和膨脹過程，從而影響了聲波的強度。因此聲波可以用來表征氣體吸附程度或表面反應(yīng)層的份量。用處：提供了有關(guān)表面上吸附物的種類和吸附量以及表面上薄膜生長的額外信息。第三十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)工作原理：當超導(dǎo)環(huán)處于超導(dǎo)狀態(tài)時，弱聯(lián)結(jié)使得通過超導(dǎo)環(huán)的磁通是量子化的，磁通躍變值為一個磁通量子，可用于測量很小的磁通變化。如果繞此超導(dǎo)環(huán)放一線圈，則磁通每躍變一個量便在線圈中感生一個電壓脈沖。此電壓脈沖可用來測量小磁場。用處：是測量磁場最靈敏的儀器，可分辨l0-14T。第四十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五振動樣品磁強計(VSM)工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當與線圈交連的磁通變化時要在線圈中產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢。振動樣品磁強計(VSM)就是基于此一原理。VSM事實上是一個對磁感應(yīng)強度差的計量裝置，在線圈(置于電磁鐵二極頭之間的空隙中)內(nèi)的特定空間中，當樣品在內(nèi)或不在內(nèi)(樣品往返振動)而產(chǎn)生磁通變化時，線圈中就感應(yīng)產(chǎn)生一個交流電壓信號，經(jīng)放大后進行記錄和顯示。用處：故原則上說，由于樣品退磁因子太大的關(guān)系，VSM只適于測飽和磁化強度，而不太適于測磁化曲線或磁滯回線。VSM還可測量小到5×l0-8Am2(5×10-5emu)的磁矩，精度可達2％，還可以用于測定居里點和奈耳點，研究某些相變。第四十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五正電子湮滅技術(shù)(PAT)工作原理：正電子具有正電荷，通常只在某些核衰變時產(chǎn)生(例如22Na核)。正電子湮滅實驗裝置由正電子源、樣品和探測及信號處理系統(tǒng)組成，可得到正電子的壽命、多普勒速度展寬譜的線形參數(shù)等。用處：反映樣品中的缺陷和電子結(jié)構(gòu)。可用于研究材料中點、線、面缺陷，以及微空洞等；也用于研究能帶結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)等。單色慢正電子束技術(shù)的發(fā)展，使得正電子湮滅技術(shù)逐漸增多了在表面研究中的應(yīng)用。原則上說樣品可以是氣體、液態(tài)和固體，可以是金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，可以是無機物也可以是有機物。此技術(shù)在物理、化學(xué)和材料研究中都有應(yīng)用。第四十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Real-timespectroscopicellipsometrystudiesofthenucleationandgraingrowthprocessesinmicrocrystallinesiliconthinfilmsHiroyukiFujiwara,*MichioKondo,andAkihisaMatsudaThinFilmSiliconSolarCellsSuperLaboratory,ElectrotechnicalLaboratory,1-1-4Umezono,Tsukuba-shi,Ibaraki305-8568,JapanPHYSICALREVIEWB,VOLUME63,115306,2001第四十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

Performedreal-timeSEduringthea-Si:H/uc-Si:Hphasetransitiontocharacterizethenucleationandgraingrowthoftheuc-Si:HThemicroscopicstructuralevolutionobtainedbythereal-timeSEanalysisshowedexcellentcorrelationwiththenucleationandcoalescenceprocessesoftheuc-Si:HTheuc-Si:Hnucleidensityincreases,asthehydrogendilutionincreasesSomethinginterested…第四十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Thin-filmdepositionconditionMethod:rfPECVDHydrogendilutionratio:R=[H2]/[SiH4]=10-40Substratetemperature:230°Crfpower:1W,SiH4flowrate:5sccmSiH4partialpressure:10mTorrSubstrate:Si(100)coveredwitha30?-thicknativeoxide(Removaloftheoxidelayerleadstoepitaxialgrowthofc-Si)第四十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五ModelsusedintheSEanalysis:dielectricfunctionsds:surfaceroughnesslayerthickness第四十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

IntheSEanalysisusingthetwo-layermodel,bulkisassumedtobeconstantforthewholefilmthickness.Nevertheless,thisassumptionisnotvalidinuc-Si:Hthinfilmsthatshowasignificantdependenceofbulkonthefilmthickness.Fortheanalysisoftheuc-Si:Hfilmstructures,themultilayermodelconsistingoflayershavingdifferentbulkismoresuitable.Whytousethemultilayermodel?第四十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Qualitatively,

ismoresensitivetothesurfaceroughnessduetoaphaseshiftthatoccursinthesurfaceroughnesslayers,whilemoresensitivetotheopticalconstantsofthematerials.第四十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Df:filmmassthickness,df=db+0.5ds.SEanalysisforthefilmofR=17(RH=94.4%)第四十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

a-Si:Hislandformationonthesubstrate,ds~17?.Coalescenceofa-Si:Hislandsoccurs,anddsdecreasesduetothesurfacesmootheningcausedbythesurfacediffusionofprecursors.Atdf=300?,theuc-Si:Hnucleationoccurs,anddsincreasesagainduetoapreferentialgrowthoftheuc-Si:Hgrain.Definedtheuc-Si:HnucleationthicknessasdNuclei

fromthethicknesswherethesurfacerougheningstarts.Thissurfaceroughening,however,showsasaturationtrendasthefilmsurfaceiscoveredwiththeuc-Si:H.SomeresultsforR=94.4%第五十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Fordifferenthydrogendilution…Filmmassthickness第五十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Resultsfordifferenthydrogendilution…

TheSEanalysisshowedthatthefilmdepositedatR=15(93.7%)isa-Si:H,andds

isratherconstantversusdf

.

R=17(94.4%),dNuclei=300?;R=20(95.2%),dNuclei=110?;R=40(97.5%),dNuclei~0?,R=17doesnotshowthecompletesaturationinthisthicknessrange,indicatingthatauc-Si:HnucleidensityislowerthantheR=20and40cases.第五十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Nucleidensitydcontact=theuc-Sinucleimakecontactonthesurface第五十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五AFMforR=20(95.2%)第五十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Cross-sectionalTEMimages第五十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Somethingmayhelp…Inparticular,wefoundanewinfraredpeakat1937cm-1assignedtotheSiHn(n=1~2)complexinthetwo-monolayerthicka-Si:Hsubsurfacethatleadstotheuc-Si:Hnucleation.Fromthisresult,weproposedthattheuc-Si:Hnucleationoccurswithinthea-Si:HsubsurfacebytheformationoftheSiHncomplex.H.Fujiwara,Y.Toyoshima,M.Kondo,andA.Matsuda,J.Non-Cryst.Solids266–269,38,2000.第五十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Growthmechanismofhydrogenatedamorphoussiliconstudiedbyinsituscanningtunnelingmicroscopy

J.Flewitt,a)J.Robertson,andW.I.Milne

DepartmentofEngineering,UniversityofCambridge,TrumpingtonStreet,

Cambridge,CB21PZ,UnitedKingdom

JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,1999第五十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五

Insituscanningtunnelingmicroscopyhasbeenusedtostudytheevolutionofthesurfacetopographyofthegrowingsurfaceofa-Si:Hthinfilminordertounderstanditsgrowthmechanism.PartOne:STMobservation第五十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五a-Si:Hsample:Taucgapof~1.756eVdarkconductivity4.3×10-8

-1m-1photoconductivity2×10-2

-1m-1Substrate:SiSilaneflowrate:50sccmgaspressure:36.7Pa,substratetemperature:598Krfpower:20W.第五十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Differentthickness第六十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五DifferentsubstratetemperatureTs=548KTs=598KTs=648K第六十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五1.Theearlieststageofmaterialgrowth(15nm):Anislandstructureisobserved,andtheseislands,whichareveryflat,havearangeofdiametersupto60nm,andareuniformlydistributedoverthesurface.2.Thethickera-Si:Hsamplespossessasurfaceislandstructure,butofamorecomplexnature.3.Thea-Si:Hsampledepositedatalowtemperatureappearstohavelosttheislandstructure,havinginsteadasurfacecoveredwithsmallclusters5nmindiameter.Thesampledepositedatahighertemperature,exhibitsasurfacecoveredwithverylargeislands>30nmindiameter.Results第六十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Thepresenceofdistinguishableislandsclearlyshowsthatthesurfaceisgrowingbyamorecomplicatedprocessthanthesimplerandomattachmentofspecies(knownasstochasticroughening).2.Thefactthattheseislandsincreaseinsizewithsubstratetemperatureandarenotseenatlowtemperaturessuggeststhatthemechanismisthermallyactivated.第六十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Herringshowedthatdifferentgrowthmechanismsproduce

surfacetopographieswithacharacteristicpatternof

featuresizes.Therefore,measuringthetopographyofamaterial

surfacecanbeusedtoelucidatethegrowthmechanism.DataAnalysisMullinsshowedthatthisscalingbehaviorcanbeexpressedintermsoftheFouriercomponentsofthesurfaceheightasi=1:forviscousflowi=2:forasurfacegrowingbyevaporationcondensationi=3:forvolumediffusioni=4:forsurfacediffusion第六十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五i=1.15iiscloseto1,viscousflowmustbethedominantmechanism.However,itisknownthatina-Si:H,siliconatomsarelessmobilethanhydrogenatoms,andthatsiliconatomsareessentiallyimmobileatthetemperaturesunderconsideration.Therefore,itseemslikelythattheFourierindex,i,arisesfromamechanismnotconsideredbyHerring.Thisispossiblebecausea-Si:HisatwocomponentsystemofSiandH.第六十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Secondwaytoanalyzegrowth:fractalanalysisFractalanalysisintroducestheconceptofsurfacescalingwhichcanbeconsideredtobeoftwotypes:self-affineandself-similar.第六十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五第六十七頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五第六十八頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五第六十九頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Synchrotronx-rayscatteringstudyontheevolutionofsurfacemorphologyoftheInN/Al2O3(0001)

systemIkJaeLeePLS,PohangAcceleratorLaboratory,PohangUniversityofScienceandTechnology,Pohang,Kyungbuk,Korea790-784JinWooKimDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,KwangjuInstituteofScienceandTechnology,Kwangju,Korea500-712APPLIEDPHYSICSLETTERSV81,No.3p.475(2002)第七十頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五ExperimentsSample:InNthinfilmsweregrownonAl2O3(0001)substratesbydcsputteringx-rayreflectivitybysynchrotronx-rayscatteringmeasurementsfilmthickness,surfaceroughness,interfaceroughness,roughnessexponentX-raydiffractioncompressivestrainrelationofcompressivestrainandRMSroughnessRockingcurveswherethegrowthcrossesoverfromtheplanarlayergrowthtotheislandgrowth第七十一頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五=1.37743?q=4sin/incidentangle:0.3-5°

Theoscillationoriginatedfromtheinterferenceofthex-raysreflectedfromthegrowingsurfaceandthosereflectedfromtheInN/Al2O3interface.

ThedatawereanalyzedusingParratt’srecursionalgorithmbythePARRATT32program.SynchrotronX-rayreflectivity第七十二頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五PARRATT32programBasedon:Parratt’srecursionschemeforstratifiedmediaTwointerfacesconsidered:InN/Al2O3andInN/vacuumFittingparameters:interfaceroughnesssurfaceroughnessfilmthickness第七十三頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五Resultsfromreflectivitymeasurement第七十四頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五RMSroughnessdependentonstrainStrain:X-rayreflectionRoughness:reflectivityThissignificantincreaseoftheroughnesswhenthestrainrelieves,whichisnotincludedinmosttheoriesofkineticroughening.Thisabruptincreaseinsurfaceroughnessmightbeduetoanaccelerationofsurfacerougheningmechanismsrelatedtotheonsetofstrainrelaxation,whichcouldberelatedtoeffectiveInNcriticalthickness.第七十五頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五RockingcurvesAFMimages0002peak第七十六頁，共八十三頁，編輯于2023年，星期五ResultsfromrockingcurvesThesharpcomponentoriginatesfromtheplanartwo-dimensionallayer,whilethebroadcomponentrepresentsthe3Dcolumnargrains.Theoriginofthediffusescatteringisduetotheformationofthree-dimensionalislandswhosecrystallinecaxisdeviatesslightlyfromthesubstratenormaldirection