核分析原理及技术学习教案.pptx

会计学1核分析原理核分析原理(yunl)及技术及技术第一页，共75页。荷电粒子荷电粒子(lz)(lz)，如，如p p，d d，等打到靶上，等打到靶上，受靶原子核的库仑力作用而受散射，叫卢瑟福散射。受靶原子核的库仑力作用而受散射，叫卢瑟福散射。散射(snsh)方向与入射方向的夹角为散射(snsh)角90，为前向散射(snsh)90，为背向散射(snsh)WhyRBS?RBS能能分析分析(fnx)什什么？么？第1页/共74页第二页，共75页。卢瑟福散射(snsh)中四个重要的物理量1.两体弹性碰撞(pnzhun)的运动学因子K;2.微分散射截面；3.阻止截面；4.能量歧离E。第2页/共74页第三页，共75页。三、运动学因子三、运动学因子K，质量分辨，质量分辨(fnbin)，及元素分析及元素分析1.运运 动动 学学 因因 子子(ynz)K(ynz)K第3页/共74页第四页，共75页。根据动量和能量(nngling)守恒定律，可以得到若令R=m2/m1，则有=90o=180o 推导(tudo)!第4页/共74页第五页，共75页。不同(btn)R下K因子随散射角的变化第5页/共74页第六页，共75页。如果(rgu)有两种靶元素A和B，相应的背散射粒子动能分别为E1A和E1B，则有意味着什么(shnme)？在特定条件(tiojin)下，各元素的K因子是一定的，若A是已知元素，在其它条件(tiojin)相同的情况下，由E1A/E1B的值就可以推知B是什么元素。这正是背散射元素分析的依据。第6页/共74页第七页，共75页。2.质量(zhling)分辨 把K因子对m2进行微分，得到在近180o背散射时，能够分辨(fnbin)的最小质量差为 E1包括加速器束流(sh li)能散、探测器能量分辨和能量歧离 m1m2时第7页/共74页第八页，共75页。不同入射能量(nngling)的背散射粒子对不同核素的质量分辨第8页/共74页第九页，共75页。几点结论(jiln)：入射粒子越重，质量分辨越好；入射粒子能量(nngling)越高，质量分辨越好；E1越小，质量分辨越好；探测角越接近180，质量分辨越好；靶核越轻，质量分辨越好。第9页/共74页第十页，共75页。1.微分(wi fn)散射截面卢瑟福公式(gngsh)四、微分四、微分(wi fn)(wi fn)散射截面，探测灵散射截面，探测灵敏度及定量分析敏度及定量分析第10页/共74页第十一页，共75页。若入射粒子能量(nngling)E0以MeV为单位，则 当m1m2时，可将其按m1/m2展开(zhn ki)，得 1mb=10-3barn，1barn=10-28m2=10-24cm21MeV的粒子，约在几几十barn/Sr。第11页/共74页第十二页，共75页。微分散射截面只与散射角有关，而与方位角无关(wgun)，故散射粒子的分布是轴对称的。当m1m2时，它正比于sin-4(/2)即散射(snsh)产额随散射(snsh)角的增加而迅速减小，因而弹性散射(snsh)基本上是前向的.第12页/共74页第十三页，共75页。2.定量分析(dnglingfnx)探测器对靶心(束 斑 点)张 开(zhn ki)立体角，则探测器接收到的散射粒子数(产额)为Q为入射粒子(lz)数，(Nt)为靶核面密度 第13页/共74页第十四页，共75页。一般很小（10-2Sr），所以常用平均微分(wi fn)截面 来代替 。Y可以(ky)写成这就是用背散射进行定量分析(dnglingfnx)的依据。第14页/共74页第十五页，共75页。3.探测(tnc)灵敏度 能探测(tnc)到的最小含量（绝对灵敏度）或最小比含量（相对灵敏度）。凡是影响(yngxing)散射截面的因素都会影响(yngxing)探测灵敏度！从产额公式得第15页/共74页第十六页，共75页。对含有少量杂质的薄膜样品，我们常关心(gunxn)分析的绝对灵敏度。从基体(j t)原子核 从杂质(zzh)原子核 第16页/共74页第十七页，共75页。微分(wi fn)散射截面带入，得 理论上探测到杂质(zzh)存在的极限情况是YD至少为1。因此绝对灵敏度的理论极限为 第17页/共74页第十八页，共75页。(cm-2)对于块状材料，我们常关心相对灵敏度，既在所分析的层厚内，可能分析出的杂质(zzh)的最低比含量。相对灵敏度的经验公式为 对于入射粒子为Mev能量的粒子和一般可接受(jishu)的Q量可以用下面的经验公式来估计背散射分析的绝对灵敏度 第18页/共74页第十九页，共75页。相对灵敏度例如(lr)，对Si中的As元素，可以估算出：绝对灵敏度一般(ybn)RBS分析的相对灵敏度在10-310-5之间。第19页/共74页第二十页，共75页。影响灵敏度的几个(j)因素：(cm-2)第20页/共74页第二十一页，共75页。，入射离子能量越低，灵敏度越高；，入射离子较重时灵敏度高；，靶元素越重，越容易被探测；，即杂质原子序数越大，基体原子序数越小，灵敏度就越高，所以背散射适用于分析轻基体上的重杂质；只与角有关，而与方位角无关，即散射粒子是轴对称分布的；，散射产额随散射角的增加而迅速减小，因而散射基本上是前向的。另外(lnwi)灵敏度还受实验条件的影响（如电子学线路抗堆积能力、探测器的噪声大小等）。第21页/共74页第二十二页，共75页。1.能 量(nngling)损失和阻止截面离 子 通 过 一 段 路 程 l后 的 能 量(nngling)损失损为五、能量损失因子、阻止(zzh)截面因子及深度分析第22页/共74页第二十三页，共75页。其中(-dE/dx)为单位路程(lchng)上的能损，数值上等于阻止本领。单个原子(yunz)的阻止本领称为阻止截面对化合物有第23页/共74页第二十四页，共75页。2.能量(nngling)损失因子和阻止截面因子 设靶为均匀(jnyn)单体靶 第24页/共74页第二十五页，共75页。表表面面散散射射离离子子(lz)(lz)能能量量与与深深度度t t处处散散射射离离子子(lz)(lz)能量之差为能量之差为若能找到和 使 第25页/共74页第二十六页，共75页。可得：能损因子(ynz)阻止截面(jimin)因子S或的引入在E和深度t之间提供(tgng)了一种线性近似。第26页/共74页第二十七页，共75页。和？和的近似值(1)表面能量近似即第27页/共74页第二十八页，共75页。(2)平均(pngjn)能量近似即 其中第28页/共74页第二十九页，共75页。(3)数值积分法 对称能量(nngling)近似：即即将厚靶分成若干层，使其成为薄靶，对每一层进行表面能量近似或对称(duchn)能量近似，再进行积分。第29页/共74页第三十页，共75页。表面(biomin)能量近似-薄靶平均能量(nngling)近似-厚靶例如：8000的Si靶，2.0MeV的粒子分析表面能量(nngling)近似 t比t精确低5%；平均能量(nngling)近似 t与t精确差0.2%。对称能量近似比表面能量近似好，但比平均能量近似差，在K1，12时有足够好的精确度。第30页/共74页第三十一页，共75页。1.能 量(nngling)歧离 单能的荷能离子束进入靶体，离子通过随机碰撞损失能量(nngling)。经过一段路程后，平均能损为E。由于能量(nngling)损失过程的随机性，此时这些离子的能量(nngling)不再是单一的，其能谱有一定展宽。该能谱的半宽度就称为离子在该靶中能量(nngling)损失E后的能量(nngling)歧离E(E)。六、能量六、能量(nngling)(nngling)歧离和深度分辨歧离和深度分辨第31页/共74页第三十二页，共75页。对于对于(duy)(duy)较轻的入射离子，如较轻的入射离子，如P P、等，在背散等，在背散射分析的能区，能损以电离能损为主，能量歧离可射分析的能区，能损以电离能损为主，能量歧离可以写成以写成 E(E)与入射离子能量E0无关。它随靶的电子面密度而增加,即第32页/共74页第三十三页，共75页。上式适用于上式适用于Bethe-BlochBethe-Bloch能区，其计算的前提能区，其计算的前提(qint)(qint)是离子能量分布符合高斯分布，即误差函是离子能量分布符合高斯分布，即误差函数为数为 其中B对应(duyng)于误差函数中16%84%对应(duyng)的宽度，FWHM（半高宽度）对应(duyng)于误差函数中12%88%对应(duyng)的宽度，实验上常用的是FWHM。第33页/共74页第三十四页，共75页。第34页/共74页第三十五页，共75页。近似地可得到(ddo)用此公式估计出的B值与实验值相差40%，多数情况下比实验值大。第35页/共74页第三十六页，共75页。2.深度(shnd)分辨 深度分辨用t表示(biosh)。定义深度分辨率E1由4部分贡献(gngxin)：入射离子束能散（能量的标准偏差）Beam；入射路径上产生的能量歧离Bin；出射路径上产生的能量歧离Bout；探测器系统的能量分辨Det。第36页/共74页第三十七页，共75页。由此得到以下结论：深度不同，深度分辨(fnbin)也不同表面只有Beam和Det起作用，随深度增加，s的贡献越来越大，甚至成为深度分辨(fnbin)的主要来源。第37页/共74页第三十八页，共75页。例如例如(lr)(lr)：用2.0MeV的粒子对2000的Pt层进行RBS测量(cling)，170探测，Er为18keV，在表面(biomin)处S0=148eV/，t121；在2000处Es为28.9keV，故t232。能量歧离是不以人的意志为转移的，因而，无论怎样提高探测系统的能量分辨，都无法使厚样品的深度分辨提高。第38页/共74页第三十九页，共75页。入射能量低，S大，E就大，可以提高深度(shnd)分辨率。原子密度低的物质（N低，如碱金属），深度(shnd)分辨较差。将靶倾斜放置或采用掠角入射是提高深度(shnd)分辨分辨的有效措施。第39页/共74页第四十页，共75页。二、如何实现二、如何实现(shxin)RBS能谱测能谱测量量Au-Si面垒探测器第40页/共74页第四十一页，共75页。射线(shxin)源小加速器第41页/共74页第四十二页，共75页。射线(shxin)源放射性同位素1967年美国“测量员5号”飞船在月球表面(biomin)对月土进行分析时用的就是242Cm-源。锔第42页/共74页第四十三页，共75页。2.2.背散射谱的分析背散射谱的分析(fnx)(fnx)谱谱：依依赖赖于于某某个个或或某某些些物物理理量量上上的的事事件件统统计计(tngj)(tngj)或或函函数数关关系系的的图图象象化化。如如能能谱谱、频谱、波谱、空间谱、时间谱等。频谱、波谱、空间谱、时间谱等。背散射谱是能谱，记录了背散射粒子数随能量(nngling)的分布状态。第43页/共74页第四十四页，共75页。一、单一元素一、单一元素(yun s)(yun s)薄样品的背散薄样品的背散射谱射谱 离子束能够(nnggu)全部穿透的样品第44页/共74页第四十五页，共75页。1.谱高度(god)多道道宽E靶中一个薄层(bo cn)厚度 谱中任意的第i道所对应(duyng)的薄层厚度 显然i是随Ei，也就是随深度变化的第45页/共74页第四十六页，共75页。若离子束正入射 该道的谱高度(god)（计数）为 背散射谱高度(god)随E下降而升高第46页/共74页第四十七页，共75页。2.谱前沿谱前沿(qinyn)位位置置谱前沿位置谱前沿位置(wi zhi)(wi zhi)由背散射离子的最高能量由背散射离子的最高能量确定。由确定。由K K因子定义：因子定义：得到(ddo)因此谱前沿位置对应于特定K因子，即根据它能够判断出靶核素。第47页/共74页第四十八页，共75页。3.谱前后(qinhu)沿宽度第48页/共74页第四十九页，共75页。表面(biomin)处t=0，则粗略地看,背散射谱前沿的微分就是由系统(xtng)产生的能量分布。其前沿高度的12%88%所占的宽度对应的就是能量分布的半高宽FWHM，即 ，也即系统(xtng)的能量分布。前沿(qinyn)宽度：第49页/共74页第五十页，共75页。背散射谱后沿高度12%88%所占的宽度对应的就是(jish)包含了能量歧离的能量分辨。后沿宽度(kund)：第50页/共74页第五十一页，共75页。4.谱宽度(kund)其中能损因子s可用表面能量(nngling)近似或平均能量(nngling)近似求出。第51页/共74页第五十二页，共75页。5.谱面积(min j)从谱面积(min j)可以求出靶的质量厚度 第52页/共74页第五十三页，共75页。二、厚衬底上薄膜（单一二、厚衬底上薄膜（单一(dny)(dny)元素）元素）厚度厚度1.轻元素衬底上的重元素膜 薄膜层厚度足够薄，即tt，则EE。不能从谱宽度得出膜厚。而只能(zhnn)从谱面积得到膜得到质量厚度。第53页/共74页第五十四页，共75页。n n相对相对(xingdu)(xingdu)谱谱高法高法对衬底，由表面能量(nngling)近似，有合并(hbng)二式，消去Q、，得薄膜谱面积第54页/共74页第五十五页，共75页。2.重元素衬底上的轻元素膜 KfKs，膜元素的峰多半会被淹没(ynm)在基体谱中。设KfE0=Ei，膜元素(yuns)峰位落在第i道上。重元素衬底，轻元素膜，有ZfZs，Ei(Ni)s，否则有HfPHis，即不能分辨第55页/共74页第五十六页，共75页。特例特例特例特例(tl)1(tl)1n n 如果如果ZfZf与与ZsZs相差不太大，且相差不太大，且(Nt)f(Nt)f 较大，膜元素较大，膜元素峰能清晰地从背景谱中分辨出来峰能清晰地从背景谱中分辨出来(ch li)(ch li)。还可以。还可以通过膜元素峰的面积求出通过膜元素峰的面积求出(Nt)f(Nt)f。第56页/共74页第五十七页，共75页。特例特例(tl)2n n如果如果(rgu(rgu)Zf)Zf与与ZsZs相差大，则不能从背景谱上将膜元素相差大，则不能从背景谱上将膜元素峰清晰地分辨出来峰清晰地分辨出来(如左图如左图)，或根本无法分辨，或根本无法分辨(如右图如右图)。但此时(csh)若(Nt)f足够大，满足会发现衬底谱前沿向低能方向发生移动，可以通过移动的距离或面积来估计出膜的质量厚度。第57页/共74页第五十八页，共75页。(Nt)f(Nt)f大，使衬底谱前沿大，使衬底谱前沿(qinyn)(qinyn)发生的位移为发生的位移为其中(qzhng)第58页/共74页第五十九页，共75页。1.后续(hux)膜层和衬底的前沿后移、变宽。2.改变膜层A、B的顺序，会改变后续(hux)膜层前沿后移的程度及前沿宽度。注意注意(zh y)！三、多层单元素膜厚度三、多层单元素膜厚度(hud)分析分析同单层膜或薄样品的求厚度方法。同单层膜或薄样品的求厚度方法。第59页/共74页第六十页，共75页。四、均匀多元素四、均匀多元素(yun s)厚靶成分分析厚靶成分分析二元靶二元靶AxByAxBy，离子，离子(lz(lz)正入射。正入射。一至二次循环一至二次循环(xnhun)，就能得到比较准确的，就能得到比较准确的x/y值值!=1第60页/共74页第六十一页，共75页。五、元素五、元素(yun s)深度分布分析深度分布分析靶内有两种元素靶内有两种元素(yuns)(yuns)，一种为杂质元素，一种为杂质元素(yuns)A(yuns)A，另一种为基体元素，另一种为基体元素(yuns)B(yuns)B。元素。元素(yuns)A(yuns)A和和B B的实际深度分布的实际深度分布fA(x)fA(x)和和fB(x)fB(x)未知。未知。假设(jish)一种深度分布fA(x)和fB(x)1-fA(x)，在任意深度x，有第61页/共74页第六十二页，共75页。五、元素五、元素(yun s)深度分布分析深度分布分析细化分层和计算(jsun)RBS谱的关系图假设一种(yzhn)深度分布fA(x)和fB(x)1-fA(x)，在任意深度x，有第62页/共74页第六十三页，共75页。以上述假设以上述假设(jish)(jish)的深度分布算出的第的深度分布算出的第i i道的谱高为各层道的谱高为各层中中A A核和核和B B核上散射离子贡献的总和核上散射离子贡献的总和 实测(shc)谱的第i道谱高为Hi，以假设分布算出的谱高与实测(shc)谱高的差为设谱共有(nyu)I道，则只要要调节fA(x)和fB(x)，使最小，就可以认为fA(x)和fB(x)足够逼近fA(x)和fB(x)。第63页/共74页第六十四页，共75页。3.新兴新兴(xnxng)的背散射分析方法简介的背散射分析方法简介一、高分辨(fnbin)背散射(重离子，静电分析器)（HIgh Resolution RBS）Marvelousresolution,maximum2第64页/共74页第六十五页，共75页。5doublelayersof0.57nmTa0.1Si0.9and5.17nm Si on a Si substrate).RBS spectrummeasuredwith2MeVCionsatascatteringangleof35.5.在分析深度很浅时，离子能量转移不适宜(shy)用常规的“阻止本领”来确定，因为单次碰撞的电荷态分布与“平衡”电荷态分布有偏离。第65页/共74页第六十六页，共75页。二、中能离子(lz)散射(1keV200keV)（Medium Energy Ion Scattering）1996年由英国DaresburyLaboratory首先实现(shxin)100keV的离子散射分析。主要用于表面层（如浅结）的元素分析和表面层晶格状态分析。采用静电分析器，具有高能量分辨。深度分辨在的量级，而沟道MEIS对表面层原子偏离晶格的位移分辨可达亚量级。第66页/共74页第六十七页，共75页。第67页/共74页第六十八页，共75页。MEISMEIS实验实验(shyn)(shyn)装置示意装置示意图图第68页/共74页第六十九页，共75页。三、低能(dnng)离子散射(50eVkeV)（Low Energy Ion Scattering）为表面结构十分敏感的分析(fnx)方法。它能得到表面结构的空间平均的定量数据。不仅可以用于晶体表面分析(fnx)，还可用于有机物同分异构体的分析(fnx)。LEIS是质量敏感的（常以ToF作为能量分析(fnx)系统），但质量相差太小则分辨不出（如Co58.9和Ni58.7）。LEIS发展较MEIS早，目前国际上有许多实验室建立了该分析(fnx)方法，但国内尚无。第69页/共74页第七十页，共75页。第70页/共74页第七十一页，共75页。第71页/共74页第七十二页，共75页。第72页/共74页第七十三页，共75页。本章(bn zhn)结束第73页/共74页第七十四页，共75页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第74页/共74页第七十五页，共75页。