薄膜成分分析方法

1、薄膜材料成分分析方法,到目前為止，對薄膜結(jié)構(gòu)和成分分析的研究方法已達一百多種。但它們具有共同的特征：利用一種探測束如電子束、 離子束、光子束、中性粒子束等，從樣品中發(fā)射或散射粒子波，他們可以是電子、離子、中性粒子、光子或聲波，檢測這些粒子的能量、動量、荷質(zhì)比、束流強度等特性，或波的頻率、方向、強度、偏振等情況，來分析材料化學(xué)組成、原子結(jié)構(gòu)、原子狀態(tài)、電子狀態(tài)等方面的信息。,表面分析方法的特征 注：輸入箭頭表示探測粒子或手段， 輸出箭頭表示發(fā)射粒子或波,薄膜成分分析方法介紹,按探測“粒子” 分類，表1列出一些薄膜成分分析方法。,常用成分分析方法介紹,重點介紹如下： 離子作為探測束 的成分分析方法

2、 X射線作為探測束 的成分分析技術(shù),離子散射譜分析,離子散射譜,盧瑟福背散射,二次離子質(zhì)譜分析(SIMS),通過分析中性粒子和離子碰撞引起 的光輻射研究表面成分（如ICP-AES),俄歇電子能譜(AES),X-射線光電子能譜（XPS）,X射線熒光光譜分析(XRF),電子束作為探測束 的成分分析技術(shù),： X射線能譜儀成分分析（EDS),離子作為探測束的表面分析方法,離子散射譜分析,以離子作為探測束，與靶原子進行彈性碰撞。根據(jù)彈性散射理論，分析散射或背散射所攜帶的有關(guān)靶原子的信息，得到最表層的信息。離子散射譜一般分為兩種： a.離子散射譜(ISS):低能離子散射譜； b.Rutherford背散射

3、譜(RBS):高能離子散射譜。,離子散射譜(ISS)分析,機理：用低能(0.22 keV)的 惰性氣體離子與固體相互作用時，可發(fā)生彈性散射和非彈性散射兩種情況。選擇入射離子的能量，使之低于某一數(shù)值后可以使其與表面主要發(fā)生彈性散射。 通過對散射離子能量進行分析就可以得到表面單層元素組分及表面結(jié)構(gòu)的信息。由于信息來自最表層，因而ISS成為研究表面及表面過程的強有力的分析手段。,ISS 分 析 的 原 理 示 意 圖,特點： 1、入射離子的質(zhì)量越輕，碰撞后運動狀態(tài)的改變越大。 因此，ISS最常選用的離子是 He+， 但它不易分辨重 元素； 2、ISS信息來自最表面層，且能探測表面的結(jié)構(gòu)，因而 成為研

4、究最表層的成分和結(jié)構(gòu)的有效手段，并常用于 吸附/解吸和發(fā)射等表面過程的研究； 3、ISS對不同元素的靈敏度的變化范圍在310倍之間， 分析時對表面的損傷很小。但定量分析有一定的困 難，譜峰較寬，質(zhì)量分辨本領(lǐng)不高，檢測靈敏度為 10-3。,盧瑟福背散射（RBS)分析,機理：一束MeV能量的離子(通常用4He 離子) 入射到靶樣品上,與靶原子(原子核) 發(fā)生彈性碰撞(見圖1a) ,其中有部分離子從背向散射出來。用半導(dǎo)體探測器測量這些背散射離子的能量,就可確定靶原子的質(zhì)量,以及發(fā)生碰撞的靶原子在樣品中所處的深度位置;從散射離子計數(shù)可確定靶原子濃度。,離 子 與 靶 原 子 的 彈 性 碰 撞,特點：

5、 1. RBS 分析方法簡便,分析速度快,結(jié)果定量、可靠,不必依賴于標(biāo)樣, 不破壞樣品宏觀結(jié)構(gòu),能給出表面下不同種類原子的深度分析，并 能進行定量分析； 2. RBS的典型深度分辨率為1020nm； 3. RBS探測重元素的靈敏度很高，但對輕元素的探測則受到嚴(yán)重的限 制； 4. C, N, O是普遍存在且對固體的近表面區(qū)很重要的元素，但RBS對 于痕量的上述元素很不靈敏； 5. RBS分析中的信號缺乏特征性，所有的背散射粒子僅僅是能量不 同，因此，質(zhì)量相 近的兩種元素就可能分不開。 6. RBS分析所用的樣品在分析區(qū)域內(nèi)嚴(yán)格要求橫向均勻。如果存在一 定量的刻痕、空洞、灰塵以及任何其它的表面不均

6、勻性，那怕只 有亞維米尺寸，也會嚴(yán)重地影響能譜。,離子質(zhì)譜分析,離子質(zhì)譜按照物質(zhì)電離后質(zhì)量與電荷的比值(即荷質(zhì)比m/ e) 大小進行分離,可以測定離子的質(zhì)量和離子流的強度。能快速連續(xù)地進行未知樣品中包括氫在內(nèi)的全元素分析和雜質(zhì)同位素分析、微區(qū)微量分析和雜質(zhì)縱向分布的深度剖析。 按離子源分類,可以有火花源質(zhì)譜儀,輝光放電質(zhì)譜儀,等離子體質(zhì)譜儀、二次離子質(zhì)譜儀等,二次離子質(zhì)譜分析(SIMS),利用質(zhì)譜法分析初級離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。,特點： 1. 一種“軟電離”技術(shù)，適于不揮發(fā)的熱不穩(wěn)定的有 機大分子; 2. 得到樣品表層真實信息; 3. 分析全部元素（同

7、位素）; 4. 實現(xiàn)微區(qū)面成分分析和深度剖析靈敏度很高，動態(tài) 范圍很寬; 5. 樣品成分復(fù)雜時識譜困難; 6. 易受基體效應(yīng)影響; 7. 定量分析困難,電感耦合等離子體發(fā)射光譜法( ICP -AES),機理：當(dāng)氬氣通過等離子體火炬時, 經(jīng)射頻發(fā)生器所產(chǎn)生的交變電磁場使其電離、加速并與其他氬離子碰撞。這種鏈鎖反應(yīng)使更多的氬原子電離, 形成原子、離子、電子的粒子混合氣體, 即等離子體。等離子體火炬可達6000 8000K的高溫。過濾或消解處理過的樣品經(jīng)霧化后由氬載氣帶入等離子體火炬中, 氣化后的樣品分子在等離子體火炬的高溫下被原子化、電離、激發(fā)。不同元素的原子在激發(fā)或電離時可發(fā)射出特征光譜, 特征

8、光譜的強弱與樣品中原子濃度有關(guān), 與標(biāo)準(zhǔn)溶液比較, 即可定量測定樣品中各元素的含量。,特點： 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法適用范圍廣, 可分析的元素較多( 70 多種元素) , 精密度好(015%2%RSD) , 動態(tài)線性范圍好( 46個數(shù)量級) , 可多元素同時分析, 分析速度較快。但電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀儀器成本較高, 有些元素檢出限有限, 未知和復(fù)雜基體的光譜干擾是該方法最嚴(yán)重的限制。,輝光放電質(zhì)譜分析,GDMS 已廣泛應(yīng)用于固體樣品的常規(guī)分析。作為一種成分分析的工具, GDMS 對不同元素的檢測靈敏度的差異較小, 離子產(chǎn)額受基體的影響也不大。大多數(shù)元素的相對靈敏度因子在0. 23 之

9、間(鐵的靈敏度因子為1) 。GDMS 具備很寬的檢測動態(tài)范圍, 從基體濃度到痕量濃度的元素都可以很好地檢測。,X射線作為探測束的成分分析技術(shù),X射線與和物質(zhì)的相互作用,俄歇電子能譜(AES),機理：俄歇電子的產(chǎn)生 俄歇電子能譜的原理比較復(fù)雜，涉及到三個原子軌道上二個電子的躍遷過程。 當(dāng)具有足夠能量的粒子（光子、電子或離子）與一個原子碰撞時，原子內(nèi)層軌道上的電子被激發(fā)出后，在原子的內(nèi)層軌道上產(chǎn)生一個空穴，形成了激發(fā)態(tài)正離子。 激發(fā)態(tài)正離子是不穩(wěn)定的，必須通過退激發(fā)而回到穩(wěn)定態(tài)。在退激發(fā)過程中，外層軌道的電子可以向該空穴躍遷并釋放出能量，并激發(fā)同一軌道層或更外層軌道的電子使之電離而逃離樣品表面，這

10、種出射電子就是俄歇電子。,俄 歇 電 子 的 產(chǎn) 生,圖1 俄歇電子的躍遷過程,圖2 俄歇電子的躍遷過程能級圖,特點: 1. 作為固體表面分析法，其信息深度取決于俄歇電子逸 出深度(電子平均自由程)。對于能量為50eV2keV范圍 內(nèi)的俄歇電子，逸出深度為0.42nm。深度分辨率約為 1nm，橫向分辨率取決于入射束斑大小; 2. 可分析除H、He以外的各種元素; 3. 對于輕元素C、O、N、S、P等有較高的分析靈敏度; 4. 可進行成分的深度剖析或薄膜及界面分析; 5. 不能分析氫和氦元素； 6. 定量分析的準(zhǔn)確度不高； 7. 對多數(shù)元素的探測靈敏度為原子摩爾分數(shù)0.1%1.0%； 8. 電子

11、束轟擊損傷和電荷積累問題限制其在有機材料、 生物樣品和某些陶瓷材料中的應(yīng)用； 9. 對樣品要求高，表面必須清潔(最好光滑)等。,Conduction Band,Valence Band,L2,L3,L1,K,Fermi Level,Free Electron Level,光：Incident X-ray,發(fā)射出的光電子Ejected Photoelectron,1s,2s,2p,X-射線光電子能譜（XPS）,機理 ： 電磁波使內(nèi)層電子激發(fā)，并逸出表面成為光電子，測量被激發(fā)的電子能量就得到XPS， 不同元素種類、不同元素價態(tài)、不同電子層(1s, 2s, 2p等)所產(chǎn)生的XPS不同,特點：,1.

12、一種無損分析方法(樣品不被X射線分解)； 2. 一種超微量分析技術(shù)(分析時所需樣品量少)； 3. 一種痕量分析方法(絕對靈敏度高)。 但X射線光電子能譜分析相對靈敏度不高，只能檢測出樣品中含量在0.1%以上的組分。X射線光電子譜儀價格昂貴，不便于普及。,X射線熒光光譜分析(XRF),機理：在光電吸收過程中，原子內(nèi)某些電子吸收了特定能量后被逐出，在軌道中形成空穴。此時，其外層軌道電子會發(fā)生躍遷來填補這些空穴。躍遷電子產(chǎn)生的空穴再由外一層電子通過躍遷填補 如此繼續(xù)，直至自由電子進入軌道為止。,每一次的躍遷都伴隨有能量的釋放，從而形成受激原子的二 次X射 線。 該X射線可被探測，并以譜的形式記錄下

13、來。其中的峰，即譜線原子的特征，表明樣品中含有 相應(yīng)的元素。,特點 : 1、分析元素范圍廣：可測定元素周期表中從O到U的80多種元素；2、測定元素的含量范圍寬：可測定元素含量在ppm級到100%的樣 品；3、樣品前處理簡單：分析的樣品可以是未經(jīng)處理的固體直接測 定，也可以是粉末或液體； 4、分析速度快：對一個未知樣品可在10多分鐘內(nèi)測出各元素的半 定量數(shù)據(jù)； 5、可進行無損分析：測定時可不損害樣品，如金銀首飾的檢測、 珠寶玉石和文物的鑒定等；分析精度高、結(jié)果重現(xiàn)性好； 6、但與現(xiàn)代的其他多元素分析技術(shù)，如電感耦合等離子體光譜 (ICP-AEC)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)和儀器中子活

14、化 分析(INAA)相比，XRF最明顯的缺點就是靈敏度低、取樣量大,X射線能譜儀成分分析（EDS) 機理：能譜儀是用來對材料微區(qū)成分元素種類與含量分析，配合掃描電子顯微鏡使用。 其基本原理是通過電子束與樣品相互作用后激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線能譜來鑒定組成元素。 一般情況下原子處于基態(tài)，當(dāng)電子束對其進行轟擊，驅(qū)逐一個內(nèi)層電子而出現(xiàn)一個空穴，使整個原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài), 激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地由能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)。當(dāng)較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量以輻射形式放出，便產(chǎn)生特征X射線，其能量等于兩能級之間的能量差。,電子束作為探測束的成分分析技術(shù),特點： 1. 探測X射線的效率高，( 探頭

15、與樣品近,不必通過分光晶體衍射) 能譜儀的靈敏度比波譜儀高一個數(shù)量級。 2. 可在同一時間內(nèi)對分析點內(nèi)所有元素x射線光子的能量進行測定 和計數(shù)，幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果,而波譜儀只能逐個逐個 測量每種元素的特征波長。 3. 結(jié)構(gòu)簡單，沒有機械傳動部分，因此穩(wěn)定性和重復(fù)性都很好。 4. 不必聚焦，對樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的分析 作。 5. 分辨率低于波譜儀。 EDS: 160eV WDS:510eV 6. 只能測試Z大于11的元素,而波譜儀可測Z從4到92間的所有元素。 7。低于1%的元素，其相對誤差在50%-100%;含量在20%以上的主要元 素，相對誤差在3%以內(nèi)；含量在1%-3%的元素，其相對誤差在30% 以下,幾種成分分析方法的