低能離子散射分析

關(guān)于低能離子散射分析主要內(nèi)容發(fā)展背景應(yīng)用分析原理以及入射離子選取第2頁,共21頁，2024年2月25日，星期天低能離子束散射譜ISS

定義：用一定能量和種類（原子種類和帶電量）的低能離子束撞擊表面，分析經(jīng)過與表面作用后反射回來的原離子束，分析其能量的變化，這種能量的變化包含了表面的一部分信息60年代初，荷蘭物理學(xué)家基斯特馬克（J.Kistermaker）發(fā)現(xiàn)離子誘導(dǎo)輻射現(xiàn)象1973年開始離子束表面散射的研究與二次離子質(zhì)譜一起成為表面分析的有效工具第3頁,共21頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用1清潔表面結(jié)構(gòu)分析2表面組態(tài)分析3材料純度分析4用于監(jiān)視對半導(dǎo)體材料的元素?cái)U(kuò)散、注入或催化表面的污染5用離子束分析薄膜的污染和組成，薄膜結(jié)構(gòu)以及薄膜界面的研究，特別是用于薄膜太陽電池的研究6用于研究催化劑或其他表面7研究表面的結(jié)構(gòu)、吸附與電性能（如電子發(fā)射）之間的關(guān)系第4頁,共21頁，2024年2月25日，星期天與二次離子質(zhì)譜的異同相同點(diǎn)：都使用一定種類和能量的離子束入射到表面入射離子能量范圍：20ev~10kev(ISS),kev級（SIMS）研究對象：經(jīng)過與表面作用后反射回來的原離子束，并且分析其能量（ISS）被入射離子束電離了的、從表面層發(fā)射出來的新離子，并分析其質(zhì)量（SIMS）第5頁,共21頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共21頁，2024年2月25日，星期天各種表面分析方法的分析深度ISS只能分析第一層表面原子二次離子質(zhì)譜SIMS分析深度大約為10?俄歇電子譜AES真空紫外光電譜UPS離子探針I(yè)MPX射線光電子譜XPS第7頁,共21頁，2024年2月25日，星期天基本原理第8頁,共21頁，2024年2月25日，星期天單粒子彈性散射模型的基本假設(shè)1入射離子為單色離子束2被撞擊的表面原子為初始狀態(tài)為靜止，忽略熱振動3表面原子與入射離子間的作用為單粒子間作用4碰撞為彈性，滿足能量守恒和動量守恒

E0=E1+E2

P0=P1+P2第9頁,共21頁，2024年2月25日，星期天從能量守恒和動量守恒出發(fā)進(jìn)行分析E0=E1+E2，

P0=P1+P2代入具體量：

m1v02=m1v1v2cosθ1+m2v2v0cosθ2p12=p02+p22-2p0p2cosθ2將θ2消掉，令K=E1/E0,A=m2/m1,處理后的結(jié)果：

K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2

得到能量比K、質(zhì)量比A和散射角θ1之間的關(guān)系第10頁,共21頁，2024年2月25日，星期天K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2K=E1/E0,A=m2/m1其中E0、m1、θ1固定且已知，E1為實(shí)驗(yàn)測得，根據(jù)上式可以計(jì)算得到m2，從而得到表面原子的種類等信息第11頁,共21頁，2024年2月25日，星期天單粒子散射模型的局限性1表面鄰近原子作用（弱作用->準(zhǔn)單粒子散射）2表面原子熱振動離子散射作用時(shí)間：10-16s常溫下表面原子振動周期：10-12s3非彈性散射4表面離子中和，大大減小彈性散射束的強(qiáng)度第12頁,共21頁，2024年2月25日，星期天5多次散射（二次散射）：入射離子發(fā)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為兩次散射的散射角總散射角θ=θ1+θ2第13頁,共21頁，2024年2月25日，星期天

離子表面散射能量變

化與散射角的關(guān)系圖橫軸散射角，縱軸為E1/E0雙散射的曲線是閉合的，對于一定入射角入射的離子，散射角存在極小值（陰影效應(yīng)）第14頁,共21頁，2024年2月25日，星期天陰影效應(yīng)的解釋發(fā)生多次散射的離子與靶原子至少有一次碰撞，這次碰撞后入射離子無法進(jìn)入陰影區(qū)域推測原因：1入射離子質(zhì)量小于靶原子

2入射離子能量低

3被撞擊靶原子在材料中受到其他原子的固定作用（結(jié)合力）這三個(gè)原因?qū)е卤蛔矒舻陌性颖蛔矒艉笠苿雍苄?，近似為靜止。由于入射離子波動性不明顯，這樣多次散射入射粒子無法繞到靶原子后方的陰影區(qū)第15頁,共21頁，2024年2月25日，星期天按照這種假設(shè)，陰影區(qū)的大小和靶原子的大小和種類以及入射離子種類有關(guān)，方向與離子入射角度有關(guān)如果考慮靶原子的移動，則還與m1/m2、入射離子能量，以及靶原子在材料表面結(jié)合力的大小有關(guān)第16頁,共21頁，2024年2月25日，星期天E1是散射角θ的雙值函數(shù)，靠近單粒子散射的對應(yīng)準(zhǔn)單散射峰，另一個(gè)較高的應(yīng)準(zhǔn)雙散射峰。導(dǎo)致峰值模糊或出現(xiàn)雙散射峰，但是單散射仍然占主導(dǎo)地位入射角較大或者較小時(shí)，兩個(gè)值很接近，而當(dāng)入射角為45°時(shí)差距較大應(yīng)對措施：增大入射角、適當(dāng)減小離子束的能量和Z值（減小近鄰原子影響，以及發(fā)生多次散射的幾率）第17頁,共21頁，2024年2月25日，星期天能量分析靈敏度與表面散射的微分截面能量分析靈敏度ΔE1/ΔM2

，表示單位質(zhì)量差的原子的散射峰的峰位分離度，分離度大便于分析表面散射微分截面：表征探測器接受從表面散射回來的離子的能力第18頁,共21頁，2024年2月25日，星期天兩者如何協(xié)調(diào)ΔE1/ΔM2=常用入射離子：He+、Ne+、Ar+(K+、Na+)A=m2/m1=2~5E0/m1

與