薄膜材料成分分析方法
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薄膜材料的表征方法
图3-1 椭偏法测量y和Δ的原理图
椭偏仪一般包括以下几个部分:激光光源、起偏器、样品台、检偏器和光 电倍增管接收系统。图3-1所示是反射消光椭偏仪的原理图，激光光源发 出的光, 经过仪器的起偏器变成线偏振光, 通过补偿器1/4波片形成椭圆 偏振光, 然后投射到待测光学系统薄膜上,待测光学系统具有沿正交坐标 x和y轴的正交线性偏振态, 从待测光学系统射出的光, 偏振态已经发生 了变化(椭圆的方位和形状与原入射椭偏光不同) , 通过检偏器和探测器 就可以进行检测了。
（1）椭偏仪法测量的基本原理 椭圆偏振测量, 就是利用椭圆偏振光通过薄膜时, 其反射和 透射光的偏振态发生变化来测量和研究薄膜的光学性质。 椭偏仪法利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状 态的现象，来测量薄膜厚度和光学常数，是一种经典的测 量方法。 光波（电磁波）可以分解为两个互相垂直的线性偏振的S波 和P波，如果S波和P波的位相差不等于p/2的整数倍时，合 成的光波就是椭圆偏振光。当椭圆偏振光通过薄膜时，其 反射和透射的偏振光将发生变化，基于两种介质界面四个 菲涅耳公式和折射定律，可计算出光波在空气/薄膜/衬底多 次反射和折射的反射率R 和折射率T。
膜厚d 的计算
通常,光波的偏振状态由两个参数描述:振幅和相位。为方便 起见,在椭偏仪法中,采用Ψ 和△这两个参数描述光波反射时 偏振态的变化,它们的取值范围为: 0 ≤Ψ ≤π/ 2 ,0≤△< 2π。 (Ψ , △) 和( Rp , Rs) 的关系定义为总反射系数的比值,如下 式所示 Rp/Rs＝tanyexp（iΔ） 式中, tgΨ 表示反射前后光波P、S 两分量的振幅衰减比, △=δp -δs 表示光波P、S 两分量因反射引起的相应变化之 差。 由此可见,Ψ 和△直接反映出反射前后光波偏振状态的变化。 在波长、入射角、衬底等确定的条件下,Ψ 和△是膜厚和薄 膜折射率( n) 的函数,写成一般函数式为Ψ = Ψ( d , n) , △= △( d , n) 结合公式，测量y和Δ，就可以求出薄膜折射率n和薄膜的 厚度d。
薄膜表征_薄膜材料与薄膜技术
6.2 薄膜形貌和结构的表征方法
依据尺度范围考虑，薄膜结构的研究分三个层次：
• 薄膜的宏观形貌:包括尺寸、形状、厚度、均匀性； • 薄膜的微观形貌:如晶粒及物相的尺寸大小和分布、
空洞和裂纹、界面扩散层及薄膜织构； • 薄膜的显微组织:包括晶粒的缺陷、晶界及外延界面
的完整性、位错组态等。
可采用的表征方法：
透明膜，数学分析复杂
需制备台阶
精度取决于薄膜密度 厚度较大时具有非线性
效应
（1）椭偏仪法
利用椭圆偏振光在薄膜表面反射时会改变偏振状态的现
象，来测量薄膜厚度和光学常数。当偏振光入射在具有
一定厚度h的薄膜上，处于入射面的偏振光分量p和垂直
Байду номын сангаас
入射面的偏振光分量s的反射系数R、透射系数T如下：
p
s
空气
0
薄膜 h
6.1薄膜厚度测量
方法
等厚干涉 法
等色干涉 法
椭偏仪法
表面粗糙 度仪 称重法
石英晶体 振荡器法
测量范围 精度 3-2000nm 1-3 nm
1-2000nm 0.2 nm
零点几纳米 0.1 nm 到数微米 大于2 nm 零点几 纳米 无限制 至数微米 0.1 nm
说明 需制备台阶和反射层
需制备台阶、反射层和 光谱仪
电磁透镜：使原来直径约为 50mm的束斑缩小成一个只有 数nm的细小束斑。
扫描线圈：提供入射电子束在 样品表面上和荧光屏上的同 步扫描信号。
样品室：样品台能进行三维空 间的移动、倾斜和转动。
（b）信号检测放大系统 检测样品在入射电子作用 下产生的物理信号，然后 经视频放大作为显像系统 的调制信号。
（3）吸收电子（absorption electrons, AE）
第三章 薄膜材料的研究方法
透明薄膜厚度测量的干涉法
在薄膜与衬底均是透明的且它们的折射率分别为 n1和 n2 的情况下，薄膜对垂直入射的单色光的反 射率随着薄膜的光学厚度 n1d 的变化而发生振荡， 如图3.3所示， n1不同而n2 =1.5时，若n1 > n2 ， 反射极大的位置出现在
(2m 1) d 4n1
图3.3 透明薄膜对垂直入射的单色光的反射率随 着薄膜的光学厚度的变化曲线
1．二次电子像
用被光电倍增管接收下来的二次电子信 号来调制荧光屏的扫描亮度。由于样品 表面的起伏变化将造成二次电子发射的 数量及角度分布的变化，因此通过保持 屏幕扫描与样品表面电子束扫描的同步， 即可使屏幕图像重现样品的表面形貌， 屏幕上图像的大小与实际样品上的扫描 面积大小之比即是扫描电子显微镜的放 大倍数。
2．不透明薄膜厚度的测量
如果被研究的薄膜是不透明的，而且在 沉积薄膜时或在沉积之后能够制备出待 测薄膜的一个台阶，那么即可用等厚干 涉条纹或等色干涉条纹的方法方便地测 出台阶的高度。
图3.2 等厚干涉条纹法测量薄膜厚度示意图
等厚干涉条纹法
出现光的干涉极大的条件为薄膜（或衬 底）与反射镜之间的距离 S 引起的光程 差为光波长的整数倍，即
图3.5 扫描电子显微镜的结构示意图
图3.6 扫描电子显微电子束与样品表 面相互作用示意图
1．二次电子像
扫描电子显微镜的主要工作模式之一就 是二次电子模式。如图3.6（b）所示， 二次电子是入射电子从样品表层激发出 来的能量最低的一部分电子。二次电子 低能量的特点表明，这部分电子来自样 品表面最外层的几层原子。
第三章 薄膜材料的研究方法
也称 薄膜材料的表征方法 薄膜材料在应用之前，对其进行表征是 很重要的，一般包括薄膜厚度的测量、 薄膜形貌和结构的表征、薄膜的成分分 析，这些测量分析结果也正是薄膜制备 与使用过程中普遍关心的问题。
薄膜材料的表征方法
衰减,衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等.
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发SEM ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 S
EM ➢ 透射电子TEM
➢ 俄歇电子：内层电子激发AES,表面层成分分析
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.3 薄膜结构的表征方法
6.3.1 X射线衍射法 －－ 物相定性分析
材料的成份和组织结构是决定其性能的基本因素,化学分析能给 出材料的成份,金相分析能揭示材料的显微形貌,而X射线衍射分 析可得出材料中物相的结构及元素的存在状态.因此,三种方法不 可互相取代.
物相分析不仅能分析化学组成,更重要的是能给出元素间化学结 合状态和物质聚集态结构.
质量的方法,甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一个 原子层的高水平.
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物
理现象. 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:
一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定. 在大多数的情况下,这种方法主要是被用来测量沉积速度. 将其与电子技术相结合,不仅可实现沉积速度、厚度的检测,还 可反过来控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于薄膜沉积 过程的自动控制.
垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发 生振荡.
当n1> n2n2＝1.5,相当于玻璃时,反射极大的位置： h = 2m+1λ/4n1
对于n1< n2,反射极大的条件变为： h = m+1λ/2n1
6.2 薄膜形貌的表征方法 电子束与固体样品作用时产生的信号
6.2 薄膜形貌的表征方法
➢ 二次电子：外层价电子激发SEM ➢ 背散射电子：被反弹回来的一部分入射电子 S
EM ➢ 透射电子TEM
➢ 俄歇电子：内层电子激发AES,表面层成分分析
6.2 薄膜形貌的表征方法
6.3 薄膜结构的表征方法
6.3.1 X射线衍射法 －－ 物相定性分析
材料的成份和组织结构是决定其性能的基本因素,化学分析能给 出材料的成份,金相分析能揭示材料的显微形貌,而X射线衍射分 析可得出材料中物相的结构及元素的存在状态.因此,三种方法不 可互相取代.
物相分析不仅能分析化学组成,更重要的是能给出元素间化学结 合状态和物质聚集态结构.
质量的方法,甚至可以将薄膜厚度的测量精度提高至低于一个 原子层的高水平.
6.1.2 薄膜厚度的机械测量方法
6.1.2.2 石英晶体振荡器法 基于适应晶体片的固有振动频率随其质量的变化而变化的物
理现象. 使用石英晶体振荡器测量薄膜厚度需要注意两个问题:
一,石英晶体的温度变化会造成其固有频率的漂移； 二,应采用实验的方法事先对实际的沉积速度进行标定. 在大多数的情况下,这种方法主要是被用来测量沉积速度. 将其与电子技术相结合,不仅可实现沉积速度、厚度的检测,还 可反过来控制物质蒸发或溅射的速率,从而实现对于薄膜沉积 过程的自动控制.
垂直入射的单色光的反射率随着薄膜的光学厚度n1h的变化而发 生振荡.
当n1> n2n2＝1.5,相当于玻璃时,反射极大的位置： h = 2m+1λ/4n1
对于n1< n2,反射极大的条件变为： h = m+1λ/2n1
薄膜材料的表征方法-16-2012
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6、扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope-STM）
场发射扫描电子显微镜 Field Emission SEM (FESEM) 分辨率可达1-2 nm
22
PbTiO3 Nanowires
23
24
25
26
27
3、透射电子显微镜
（Transmission Electronic Microscope）
特点：电子束一般不再采取扫 描方式对样品的一定区域进行 扫描，而是固定地照射在样品 中很小的一个区域上；透射电 子显微镜的工作方式是使被加 速的电子束穿过厚度很薄的样 品，并在这一过程中与样品中 的原子点阵发生相互作用，从 而产生各种形式的有关薄膜结 构和成分的信息。 工作模式：影像模式和衍射模 式（两种工作模式之间的转换主要
(2m 1) d 4n1
对于n1<n2的情况，反射极大的条件变为
(m 1) d 2n1
为了能够利用上述关系实现对于薄膜厚度的测量，需 要设计出强振荡关系的具体测量方法。
9
（1）利用单色光入射，但 通过改变入射角度（及反射 角度）的方法来满足干涉条 件的方法被称为变角度干涉 法（VAMFO），其测量装 臵原理图如图。 （2）使用非单色光入射薄 膜表面，在固定光的入射角 度的情况下，用光谱仪分析 光的干涉波长，这一方法被 称为等角反射干涉法 （CARIS）。 注意：以上测量薄膜厚度的方法仅涉及到薄膜厚度引起的光 程差变化以及其导致的光的干涉效应。 10
14
2）称重法
如果薄膜的面积A、密度ρ和质量m可以被精确测定的话， 由公式
m d A
就可以计算出薄膜的厚度d。 缺点：它的精度依赖于薄膜的密度ρ以及面积A的测量精度。
薄膜材料成分分析方法
俄 歇 电 子 的 产 生
Y X W
俄歇电子
EY EX
出射电子
激发源
填充电子 俄歇电子 激发源
图1 俄歇电子的跃迁过程
EW
图2 俄歇电子的跃迁过程能级图
特点: 特点:
1. 作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸 出深度(电子平均自由程)。对于能量为50eV－2keV范围 内的俄歇电子，逸出深度为0.4－2nm。深度分辨率约为 1nm，横向分辨率取决于入射束斑大小; 2. 可分析除H、He以外的各种元素; 3. 对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度; 4. 可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析; 5. 不能分析氢和氦元素； 6. 定量分析的准确度不高； 7. 对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%； 8. 电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、 生物样品和某些陶瓷材料中的应用； 9. 对样品要求高，表面必须清洁(最好光滑)等。
辉光放电质谱分析
GDMS 已广泛应用于固体样品的常规分析。 作为一种成分分析的工具, GDMS 对不同元素的 检测灵敏度的差异较小, 离子产额受基体的影响 也不大。大多数元素的相对灵敏度因子在0. 2～ 3 之间(铁的灵敏度因子为1) 。GDMS 具备很宽 的检测动态范围, 从基体浓度到痕量浓度的元素 都可以很好地检测。
离子散射谱(ISS)分析 离子散射谱(ISS)分析 (ISS)
机理： 机理：用低能(0.2－2 keV) 的 惰性气体离子与固体相 互作用时，可发生弹性散射 和非弹性散射两种情况。选 择入射离子的能量，使之低 于某一数值后可以使其与表 面主要发生弹性散射。 通过对散射离子能量进行分 析就可以得到表面单层元素 组分及表面结构的信息。由 于信息来自最表层，因而ISS 成为研究表面及表面过程的 强有力的分析手段。
高性能薄膜材料的制备与性能研究
高性能薄膜材料的制备与性能研究薄膜材料是一种厚度在纳米到微米级之间的薄片状材料，具有独特的物理、化学和光学性质。
近年来，随着科技的发展，高性能薄膜材料的研究与应用越来越受到关注。
本文将就高性能薄膜材料的制备方法以及影响其性能的因素展开论述，同时分析其研究意义和前景。
一、高性能薄膜材料的制备方法1. 薄膜物理气相沉积（PVD）薄膜物理气相沉积是一种通过蒸发源将原材料蒸发成气相，然后沉积到基底表面形成薄膜的方法。
这种方法可以制备出具有高纯度和致密性的薄膜材料，具有较好的结晶性和低的缺陷密度。
其中，磁控溅射是最常用的物理气相沉积技术之一。
2. 化学气相沉积（CVD）化学气相沉积是通过将反应气体中的原子或分子在基底表面上化学反应生成薄膜的方法。
CVD方法可以获得高品质的薄膜，具有较好的控制性和均匀性。
其中，热CVD和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）是常用的化学气相沉积技术。
3. 溶液法溶液法是将原料溶解于溶剂中，然后通过基底浸渍或涂覆的方式将溶液中的物质沉积到基底上形成薄膜的方法。
这种方法制备成本低，适用性广，可以制备出大面积、连续的薄膜。
其中，溶胶-凝胶法、电沉积法和旋涂法是常用的溶液法制备薄膜的技术。
4. 物理化学沉积（PCD）物理化学沉积是一种通过物理或化学方法将薄膜的材料从气相或溶液中转化成固态薄膜的方法。
这种方法可以在较低的温度下制备出具有高质量的薄膜，并且可以控制薄膜的成分和结构。
其中，分子束外延（MBE）和原子层沉积（ALD）是常用的物理化学沉积技术。
二、高性能薄膜材料性能研究高性能薄膜材料的性能研究包括结构性能、物理性能和化学性能等方面的研究。
1. 结构性能结构性能指的是薄膜材料的晶体结构、晶粒大小和晶格缺陷等特征。
通过X射线衍射、扫描电子显微镜等技术可以观察和表征薄膜的结构。
结构性能对薄膜的电子传输性能、光学性能和力学性能等起着重要的影响。
2. 物理性能物理性能是指薄膜材料的电学性能、光学性能、磁学性能和热学性能等特性。
薄膜材料的表征方法
详细描述
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
感谢您的观看
THANKS
各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
紫外-可见光谱法利用紫外-可见光波段的光子能量与材料中价电子的跃迁能量相匹配的特性，通过测量材料对不 同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料的电子结构和分子组成，从而推断材料 的性质和结构。
红外光谱法
总结词
通过测量材料在红外光波段的吸收光谱，分析材料中分子的振动和转动模式。
俄歇电子能谱法
总结词
俄歇电子能谱法是一种高灵敏度、高分辨率的表面分析技术，用于检测薄膜材 料表面的元素组成和化学状态。
详细描述
该方法利用高能电子束轰击薄膜表面，使表面原子发射出俄歇电子，通过测量 俄歇电子的能量分布，可以推断出薄膜表面的元素组成、化学键合状态以及元 素化合物的存在形式。
红外光谱法
详细描述
红外光谱法利用红外光波段的光子能量与材料中分子振动和转动能量相匹配的特性，通过测量材料对 不同波长光的吸收程度，得到吸收光谱。通过对光谱的分析，可以了解材料中分子的振动和转动模式 ，进一步推断材料的结构和性质。
拉曼光谱法
总结词
通过测量材料在拉曼散射过程中的光谱 ，分析材料中分子的振动和旋转模式。
剪切韧性测试
通过测量材料在剪切载荷下的剪切位移或剪切强度，评估材料的 韧性。
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各种类型的薄膜材料。
原子力显微镜
总结词
原子力显微镜是一种高分辨率的表面形貌表征技术，可以用来观察薄膜表面的微观结构 和形貌特征。
详细描述
原子力显微镜利用微悬臂探针在薄膜表面扫描，通过测量探针与薄膜表面之间的相互作 用力，可以实时获得薄膜表面的形貌信息。该方法具有极高的分辨率，能够观察到薄膜
表面的原子级结构，适用于各种类型的薄膜材料。
05 化学性能表征方法
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X-射线光电子能谱（XPS）
光：Incident X-ray 发射出的光电子Ejected Photoelectron
Free Electron Level Fermi Level
Conduction Band
Valence Band 2p 2s 1s L2,L3 L1 K
机理 ： 电磁波使内层电子激发，并逸出表面成为光电子， 测量被激发的电子能量就得到XPS， 不同元素种类、 不同元素价态、不同电子层(1s, 2s, 2p等)所产生的 XPS不同
二次离子质谱分析(SIMS)
利用质谱法分析初级离子 入射靶面后，溅射产生的 二次离子而获取材料表面 信息的一种方法。
特点： 1. 一种“软电离”技术，适于不挥发的热不稳定的有 机大分子; 2. 得到样品表层真实信息; 3. 分析全部元素（同位素）; 4. 实现微区面成分分析和深度剖析灵敏度很高，动态 范围很宽; 5. 样品成分复杂时识谱困难; 6. 易受基体效应影响; 7. 定量分析困难
辉光放电质谱分析
GDMS 已广泛应用于固体样品的常规分析。 作为一种成分分析的工具, GDMS 对不同元素的 检测灵敏度的差异较小, 离子产额受基体的影响 也不大。大多数元素的相对灵敏度因子在0. 2～ 3 之间(铁的灵敏度因子为1) 。GDMS 具备很宽 的检测动态范围, 从基体浓度到痕量浓度的元素 都可以很好地检测。
e
e
能量弥散X 射线谱
软X射线出 现电势谱
EDXS
SXAPS 辐射退激 发 软X射线产额对 电子能量的一次 微商谱
成分
表面成分 几层原子 层
e
e
e
e
消隐电势 谱
俄歇电子 出现电势 谱
DAPS
AEAPS 俄歇退激 发 样品电流对入射 电子能量的一次 微商谱
成分
表面成分 几层原子 层
e
I
电子感生 脱附谱
特点 :
1、分析元素范围广：可测定元素周期表中从O到U的80多种元素； 2、测定元素的含量范围宽：可测定元素含量在ppm级到100%的样 品； 3、样品前处理简单：分析的样品可以是未经处理的固体直接测 定，也可以是粉末或液体； 4、分析速度快：对一个未知样品可在10多分钟内测出各元素的半 定量数据； 5、可进行无损分析：测定时可不损害样品，如金银首饰的检测、 珠宝玉石和文物的鉴定等；分析精度高、结果重现性好； 6、但与现代的其他多元素分析技术，如电感耦合等离子体光谱 (ICP-AEC)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)和仪器中子活化 分析(INAA)相比，XRF最明显的缺点就是灵敏度低、取样量大
俄歇电子能谱(AES) X-射线光电子能谱（XPS）
X射线荧光光谱分析(XRF)
： X射线能谱仪成分分析（EDS)
离子作为探测束的表面分析方法
离子散射谱分析
以离子作为探测束，与靶原子进行弹性碰撞。根据 弹性散射理论，分析散射或背散射所携带的有关靶原 子的信息，得到最表层的信息。离子散射谱一般分为 两种：
ESD
吸附键断 裂
脱附粒子的质谱
表面吸 附成分及 其状态
单层
探测粒子
发射粒子
名称
次级离子质 谱 离子探针
英文简称
SIMS
基本过程
离子溅射
测量
次级离子的荷质 比 表面微区次级离 子质 谱 散射离子产额与 能量 的关系 散射离子产额与 能 量的关系 脱附粒子的质谱
主要用途
表面成分
信息深度
单层原子 层 单层或数 层原子层 单层原子 层 单层-1微 米 单层原子 层 单层-1微 米 单层-数 层
表面分析方法的特征
注：输入箭头表示探测粒子或手段， 输出箭头表示发射粒子或波
薄膜成分分析方法介绍
按探测“粒子” 分类，表1列出一些薄膜成分分析方法。
探测粒子 e e e 发射粒子 e e e 名称 俄歇电子 谱 扫描俄歇 微探针 电离损失 谱 英文简 称 AES SAM ILS 基本过程 俄歇退激 发 俄歇退激 发 测量 电子产额对能量 的一次微商谱 表面微区的俄歇 电子谱 电子产额对能量 的一次微商谱 主要用途 表面成分 表面成分 分布 成分 信息深度 单层或几 层原子层 单层或几 层原子层
俄 歇 电 子 的 产 生
Y X W
俄歇电子
EY EX
出射电子
激发源
填充电子 俄歇电子 激发源
图1 俄歇电子的跃迁过程
EW
图2 俄歇电子的跃迁过程能级图
特点:
1. 作为固体表面分析法，其信息深度取决于俄歇电子逸 出深度(电子平均自由程)。对于能量为50eV－2keV范围 内的俄歇电子，逸出深度为0.4－2nm。深度分辨率约为 1nm，横向分辨率取决于入射束斑大小; 2. 可分析除H、He以外的各种元素; 3. 对于轻元素C、O、N、S、P等有较高的分析灵敏度;
薄膜材料成分分析方法
到目前为止，对薄膜结构 和成分分析的研究方法已达一 百多种。但它们具有共同的特 征：利用一种探测束——如电 子束、 离子束、光子束、中性 粒子束等，从样品中发射或散 射粒子波，他们可以是电子、 离子、中性粒子、光子或声波， 检测这些粒子的能量、动量、 荷质比、束流强度等特性，或 波的频率、方向、强度、偏振 等情况，来分析材料化学组成、 原子结构、原子状态、电子状 态等方面的信息。
I I I I
热能
I I I I n
IMSIMMA
离子溅射
表面成 分分布 表面成分、 表面结构 成分的深 度分布 表面吸 附成分 和吸附状态 表面成分 的深度分布 表面成分及 其化学状态 成分
离子散 射谱 卢瑟福背 散射谱 热脱附谱
ISS
非弹性背 散射 非弹性背 散射 吸附键断 裂 辐射退激 发 光电子发 射
分析时对表面的损伤很小。但定量分析有一定的困
难，谱峰较宽，质量分辨本领不高，检测灵敏度为 10-3。
卢瑟福背散射（RBS)分析
机理：一束MeV能量的离子(通常用4He 离子) 入射到靶样品 上,与靶原子(原子核) 发生弹性碰撞(见图1a) ,其中有部分 离子从背向散射出来。用半导体探测器测量这些背散射离子 的能量,就可确定靶原子的质量,以及发生碰撞的靶原子在样 品中所处的深度位置;从散射离子计数可确定靶原子浓度。
离
子
与
靶
原
子
的
弹
性
碰
撞
特点：
1. RBS 分析方法简便,分析速度快,结果定量、可靠,不必依赖于标样, 不破坏样品宏观结构,能给出表面下不同种类原子的深度分析，并 能进行定量分析； 2. RBS的典型深度分辨率为10－20nm； 3. RBS探测重元素的灵敏度很高，但对轻元素的探测则受到严重的限 制； 4. C, N, O是普遍存在且对固体的近表面区很重要的元素，但RBS对 于痕量的上述元素很不灵敏； 5. RBS分析中的信号缺乏特征性，所有的背散射粒子仅仅是能量不 同，因此，质量相 近的两种元素就可能分不开。 6. RBS分析所用的样品在分析区域内严格要求横向均匀。如果存在一 定量的刻痕、空洞、灰尘以及任何其它的表面不均匀性，那怕只 有亚维米尺寸，也会严重地影响能谱。
ISS 分 析 的 原 理 示 意 图
特点： 1、入射离子的质量越轻，碰撞后运动状态的改变越大。 因此，ISS最常选用的离子是 He+， 但它不易分辨重 元素； 2、ISS信息来自最表面层，且能探测表面的结构，因而 成为研究最表层的成分和结构的有效手段，并常用于 吸附/解吸和发射等表面过程的研究； 3、ISS对不同元素的灵敏度的变化范围在3－10倍之间，
离子质谱分析
离子质谱按照物质电离后质量与电荷的比值(即荷质比 m/ e) 大小进行分离,可以测定离子的质量和离子流的强度。 能快速连续地进行未知样品中包括氢在内的全元素分析和杂 质同位素分析、微区微量分析和杂质纵向分布的深度剖析。 按离子源分类,可以有火花源质谱仪,辉光放电质谱仪, 等离子体质谱仪、二次离子质谱仪等
特点： 1. 一种无损分析方法(样品不被X射线分解)； 2. 一种超微量分析技术(分析时所需样品量少)； 3. 一种痕量分析方法(绝对灵敏度高)。
但X射线光电子能谱分析相对灵敏度不高，只能检测
出样品中含量在0.1%以上的组分。X射线光电子谱仪价 格昂贵，不便于普及。
X射线荧光光谱分析(XRF)
机理：在光电吸收过程中， 原子内某些电子吸收了特 定能量后被逐出，在轨道 中形成空穴。此时，其外 层轨道电子会发生跃迁来 填补这些空穴。跃迁电子 产生的空穴再由外一层电 子通过跃迁填补„„ 如此继续，直至自由 电子进入轨道为止。 每一次的跃迁都伴随有能量的释放，从而形成受激原子的二 次X射 线。 该X射线可被探测，并以谱的形式记录下 来。其中的峰，即谱线原子的特征，表明样品中含有 相应的元素。
4. 可进行成分的深度剖析或薄膜及界面分析;
5. 不能分析氢和氦元素； 6. 定量分析的准确度不高； 7. 对多数元素的探测灵敏度为原子摩尔分数0.1%~1.0%； 8. 电子束轰击损伤和电荷积累问题限制其在有机材料、 生物样品和某些陶瓷材料中的应用； 9. 对样品要求高，表面必须清洁(最好光滑)等。
a.离子散射谱(ISS):低能离子散射谱； b.Rutherford背散射谱(RBS):高能离子散射谱。
离子散射谱(ISS)分析
机理：用低能(0.2－2 keV) 的 惰性气体离子与固体相 互作用时，可发生弹性散射 和非弹性散射两种情况。选 择入射离子的能量，使之低 于某一数值后可以使其与表 面主要发生弹性散射。 通过对散射离子能量进行分 析就可以得到表面单层元素 组分及表面结构的信息。由 于信息来自最表层，因而ISS 成为研究表面及表面过程的 强有力的分析手段。
电子束作为探测束的成分分析技术
X射线能谱仪成分分析（EDS)
机理：能谱仪是用来对材料微区成分元素种类与含量 分析，配合扫描电子显微镜使用。 其基本原理是通 过电子束与样品相互作用后激发产生的特征X射线能 谱来鉴定组成元素。 一般情况下原子处于基态，当电子束对其进行轰击， 驱逐一个内层电子而出现一个空穴，使整个原子体系 处于不稳定的激发态, 激发态原子自发地由能量高的 状态跃迁到能量低的状态。当较外层的电子跃入内层 空穴所释放的能量以辐射形式放出，便产生特征X射 线，其能量等于两能级之间的能量差。