材料分析方法-第十六章--光电子谱与俄歇电子能谱.ppt

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1、第十六章第十六章 其他显微结构分析方法其他显微结构分析方法n俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析n扫描隧道显微镜与原子力显微镜nX射线光电子能谱分析5/10/20231一、俄歇电子能谱的基本原理俄歇电子的产生：外层电子跃迁到内壳层空穴时，将多余能量传给另一外层电子，如果后者发射出来就是俄歇电子。16.1 16.1 俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析俄歇电子的动能EW(Z)W轨道能级电离能，EX(Z)X轨道能级电离能，EY(Z+)为双重电离态的Y轨道能级的电离能5/10/20232直接谱：俄歇电子强度（密度、电子数）N(E)对其能量E的分布N(E)-E。微分谱：将直接谱微分得到的分布dN(E)/dE-

2、E。p提高了信噪比p一般以负峰能量作为俄歇电子能量 识别元素p正负峰高度差代表俄歇峰强度（定量分析）俄歇谱俄歇谱金属AgAg的俄歇谱 峰位由元素原子结构确定 峰的数目元素原子结构 峰的强度元素原子结构5/10/20233俄歇谱的特性：p可以表征原子化学环境的变化（价态的变化、新的化学键形成）化学位移（俄歇峰发生位移）、俄歇峰强度的变化。p多种伴峰：逸出过程中，产生不连续的能量损失，主峰的低能端产生伴峰。5/10/20234二、二、俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析n组成：电子枪、能量分析器、二次电子探测器、样品分析室、溅射电子枪和信号处理与记录系统通常采用电子束，使微区分析成为可能；电子能量分析

3、器是电子能谱仪的中心部分。5/10/20235扫描俄歇电子能谱图示例扫描俄歇电子能谱图示例5/10/20236优点：优点：（1）由于电子束斑较小，具有较高的空间分辨率较高的空间分辨率，可以同时显示表面形貌像表面形貌像和元素分布图像元素分布图像；（2）可以实现深度剖析深度剖析，深度（纵向）分辨率高深度（纵向）分辨率高；（3）进行深度剖析时，可在连续溅射过程连续溅射过程中采集谱图（优于XPS）。缺点：缺点：（1）电子束能量高，对绝热材料易导致损伤损伤；（2）电子束带负电荷，绝缘材料易积累电荷积累电荷，影响分析的准确性。（3）灵敏度最低值仅是灵敏度最低值仅是0.1%0.1%（原子单层）。主要特点主要

4、特点5/10/20237分析技术分析技术1）定性分析：与标准谱对比 识别元素原子序数314，KLL系跃迁；原子序数1440，LMN系跃迁。5/10/20238n2）定量分析：分析精度低，只达到半定量水平（相对精度30%左右）标样法：以纯元素作为标样，则原子浓度：IAS和IjS为元素A和j的纯元素所获得的Auger强度优点：准确度相对高，缺点：标样难获得5/10/20239A）压力加工和热处理后的表面偏析B）金属和合金的晶界脆断C)表面扩散研究具体应用例子具体应用例子5/10/20231016.2 扫描隧道显微镜与原子力显微镜扫描隧道显微镜与原子力显微镜n1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的葛葛

5、宾尼（宾尼（G.Binning）和海海罗雷尔（罗雷尔（H.Rohrer）研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（Scanning Tunnelling Microscope，简称STM）。n扫描隧道显微镜（STM）可精确地观察材料的表面结构，成为研究表面物理和其他实验研究的重要工具。n1988 年，我国科学家设计制成了新型的 STM。n19861986年，年，E.E.鲁斯卡鲁斯卡(德德国国)、G.G.宾尼宾尼(德国德国)，H.H.罗雷尔罗雷尔(瑞士瑞士)共共同获得同获得诺贝尔物理学诺贝尔物理学奖。奖。5/10/202311扫描隧道显微镜（扫描隧道显微镜（STMSTM）的基本原理的基本原理 n工作原理

6、：工作原理：根据量子力学中的隧道效应原理。n表面电子穿过势垒，到达表面外形成一层电子云。量子力学隧道效应示意图量子力学隧道效应示意图 n电子可穿过窄势垒，这种效应称为隧道效应隧道效应隧道电流隧道电流n平均功函数 n距离 d 5/10/202312STMSTM两种工作方式两种工作方式 恒流模式恒流模式：用电子反馈线路来控制隧道电流隧道电流I大小不变，探针针尖就会随样品表面的高低起伏运动。STM恒流模式恒流模式 n恒流模式：恒流模式：获取图象信息全面，显微图象质量高，可用于观察表面形貌起伏较大的样品；显示导电材料表面的原子排列情况。恒高模式：恒高模式：针尖的绝对高度不变，隧道电流反映样品表面信息。

7、恒恒高模式高模式n恒高模式：恒高模式：扫描速度快，但仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同种原子组成)的情形。5/10/202313STMSTM探针针尖探针针尖n探针针尖：探针针尖：一般采用电化学腐蚀法，还用其他技巧帮助形成单原子针尖。n要求：针尖与表面间距离 1nm，还要保证其稳定性；精确度 0.01nm。探针驱动头探针驱动头必须高度精确，设备要防止外界振动的干扰；探针尖探针尖应尽可能做得尖锐。5/10/202314压电陶瓷压电陶瓷nSTM主要技术问题：主要技术问题：在于精密控制针尖相对样品的运动。n利用压电陶瓷压电陶瓷特殊的电压、位移敏感性能，通过在其上施加一定电压，使之产生变形，

8、并驱动针尖运动，只要控制电压连续变化，针尖就可在垂直或水平面上作连续的升降或平移运动，其控制精度要求达到0.001nm。n压电陶瓷控制压电陶瓷控制升降或平移运动5/10/202315STMSTM的应用观察单个原子层局部表面结构的应用观察单个原子层局部表面结构 STM观察到的观察到的硅表面硅表面77重构图重构图 吸附在铂表面的碘原子吸附在铂表面的碘原子33阵列图，其上的一阵列图，其上的一个缺陷也看得非常清楚。个缺陷也看得非常清楚。5/10/202316原子的排列图原子的排列图砷化镓表面砷原子的排列图硅表面硅原子的排列单个氙原子单个氙原子(尺度为尺度为0.1纳米纳米)已被排列成了一列已被排列成了一

9、列 5/10/202317对原子和分子进行操纵对原子和分子进行操纵 n1990年，IBM公司两位科学家用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子，得到了如图所示的形状。n他们经22小时操作，把35个氙原子排成了“IBM”字样。n这几个字母高度约是一般印刷用字母的二百万分之一，原子间间距只有1.3nm左右。n这是人类有目的、有规律地移动和排布单个原子的开始。5/10/202318n1991年，IBM公司“拼字”科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子，拼成一个大脑袋小人的形象。n图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在Pt表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的间距约0.5nm。n这个分子人

10、从头到脚只有5nm高，堪称世界上最小的人形图案。5/10/202319n1993年，美国科学家成功地进行了移动铁原子实验。在4K 条件下，用STM针尖将48个铁原子排列成了一个称之为量子围栏的圆环，最近的铁原子相距0.9nm。n可见，Fe原子吸附在Cu表面，该环中铜表面电子只能在其围栏内运动，圈内的圆形波纹就是这些电子的波动图景形成驻波。这是世界上首次观察到的电子驻波直观图形。5/10/202320用STM针尖将48个铁原子排列成了一个称之为“量子围栏”的圆环的制作过程。5/10/202321nSTM问世后，实现了当今最微小的操作，可按照自己的意愿操纵原子，实现原子级操纵和加工，是目前国际科学

11、界公认的21世纪高新技术。n我国科学家在这领域的许多方面已取得了突破性成果。n1994年初，中科院真空物理所研究人员成功地通过STM在硅单晶表面上提走硅原子，形成平均宽度为2nm (34个原子)的线条。从获得照片上可清晰地看到由这些线条形成的100字样和硅原子晶格整齐排列的背景。5/10/202322n这是中科院化学所的科技人员用自制STM，在石墨表面上刻蚀出的图象都十分清晰逼真，图形的线宽实际上只有10nm。n“中国”字样；n中科院的英文缩写字CAS“；n中国地图；n奥运会五环旗图5/10/202323原子力显微镜（原子力显微镜（AFMAFM）n原子力显微镜原子力显微镜：利用原子间的范德华力

12、作用来呈现样品的表面特性。测量表面形貌，测量表面原子间力，测量表面的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。隧道电流法光束偏转法光学干涉法电容法n 信号探测方法：信号探测方法：5/10/202324扫描及信号探测扫描及信号探测5/10/20232516.3 X16.3 X射线光电子能谱分析射线光电子能谱分析一、光电效应一、光电效应n爱因斯坦方程爱因斯坦方程:n样品的变化：发生光致电离样品的变化：发生光致电离Ek是光电子能量（动能），h是入射光子能量，EB是电子的结合能，-w 表示样品的逸出功，re 是光电子的反冲能（可以忽略）M代表分子或原子，M+*代表激发态的分子或离子。光子的能量消耗用于结

13、合电子的激发光子的能量消耗用于结合电子的激发.5/10/202326n由激发源、样品电离室、电子能量分析器、信号放大检测器、真空系统和数据处理系统等6个部分组成。二、光电子能谱仪二、光电子能谱仪n单色器的应用单色器的应用:线宽变窄,去除伴峰,减弱连续背底,提高信噪比和分辨率;减弱强度,影响检测灵敏度5/10/202327n球静电式偏转型，由两个同心半球组成。改变电压可测试不同能量的电子的数量。电子动能检测电子动能检测5/10/202328n宽谱/预扫描：EB扫描范围01000 eV，能量分析器的通过能量约100 eV。确定可能元素的最强峰。n窄谱：用于鉴别化学态、定量分析和峰的解迭。EB扫描范围小于25eV。三、光电子能谱的接收三、光电子能谱的接收5/10/202329