[理學(xué)]電子能譜學(xué)第11講低能離子散射譜iss(已修改)
2024-12-20 00:58 本頁面
【正文】 電子能譜學(xué) 第 11講 低能離子散射譜（ ISS） 朱永法 清華大學(xué)化學(xué)系 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 2 內(nèi)容提要 ? ISS的概念和基礎(chǔ) ? ISS可以提供物理化學(xué)信息 ? ISS的研究對象 ? ISS的信息特點 ? ISS的應(yīng)用領(lǐng)域 吸附，反應(yīng)，偏析 ,結(jié)構(gòu)等 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 3 發(fā)展歷史 ? 低能離子散射作為一種表面分析方法是由 Smith首先提出的 ； ? 使用 He、 N e和 Ar作為離子束，能量為 — 。靶是多晶鉬和鎳，得到了從基質(zhì)表面原子和吸附物質(zhì) (如氧和碳 )散射的尖銳譜峰。 ? Smith還對吸附在銀上的一氧化碳進(jìn)行了研究，由碳峰和氧峰的相對高度推導(dǎo)出 CO的吸附結(jié)構(gòu)信息。后來 Smith又根據(jù)峰的相對高度識別出硫化鎘單晶體的鎘面和硫面。這表明低能離子散射不僅能作化學(xué)成分分析，還能作表面結(jié)構(gòu)分析 ； ? 從此以后， ISS開始成為一種表面分析手段； 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 4 ISS概念 ? 在離子同固體表面的相互作用下，若檢測的粒子是經(jīng)表面碰撞后背散射出來的入射離子，測量它們碰撞后損失的動能，可獲得有關(guān)表面原子的種類及晶格排列等信息。 ? 當(dāng)入射離子能量較低時 (離子動能為 100電子伏至幾千電子伏 )，可以得到低能離子散射增 (ISS)； ? 當(dāng)入射離子能量很高時 (25千電子伏到幾個兆電子伏 )，稱為盧瑟福背散射 (RBS)。當(dāng)初，盧瑟福曾使用這種散射探知了原子核的存在。 RBS的發(fā)展也很快，當(dāng)能量分辨率足夠高時，可以無損地進(jìn)行納米薄膜厚度的分析； 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 5 ? 低能離子散射被用來研究離子與固體表而的相互作用。實驗證實了低能離子與固體原子的碰撞主要為彈性碰撞。 ? Smith曾用 — 3千電子伏的 He＋ ， Ne＋ 及 Ar＋ 離子在多晶的 Mo和 Ni上散射，獲得了靶原子 (Mo或 Ni)以及吸附在表面上的 C， O的 ISS譜線，表明 ISS技術(shù)是一種有效的表面分析手段； ? 其實由于低能離子的散射截面和離子在表面內(nèi)外的中和幾率都很高，使得 ISS的信息深度僅僅是表面的最外一層或二層，成為名符其實的表面分析手段。 ? 這種單原子層的靈敏度，在諸如多相催化劑、原子擴(kuò)散、合金的分凝、氧化、腐蝕的研究中是非常重要的，它使ISS成為最有效的表面分析手段之一。 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 6 ISS與 RBS的比較 ? 低能離子散射是真正的表面方法。低能譜上尖銳的特征峰代表了深度只有幾埃處的散射．高能離子散射時探測深度大得多，得到的譜一般很寬． ? 由于高能離子散射的探測深度較大，所以用它進(jìn)行薄膜分析和表層分析。深度分辨率可達(dá)幾個納米，無需行逐層剝蝕。 ? 高能散射時，散射產(chǎn)額的定量解釋比較簡單，符合盧瑟福散射定律。而在低能散射時．還必須考慮電子對原子核的屏蔽作用。 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 7 ? 用低能離子散射進(jìn)行表面分析其基本方法非常簡單。用能量為— 10keV單能平行離子束打在靶面上，然后和某一特定角度上測量散射離子的能量分布即得到能譜。 ? 在能譜上，根據(jù)峰的位置和高度就能了解表面原于的質(zhì)量、化學(xué)成分或原子數(shù)目。 ? 在單晶靶的情況下，隨入射角和反射角的變化會產(chǎn)生不同的峰位和相對高度，由此還可得到表面結(jié)構(gòu)的信息。 ? 低能離子散射譜儀比較簡單 ,除激發(fā)源為離子槍外 ,其它如超高真空室、能量分析器和檢測器等均相同于ＸＰＳ譜儀 ,只不過此時能量分析和檢測的是正離子而不再是電子 ； ISS裝置 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 8 ISS儀器原理圖 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 9 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 10 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 11 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 12 離子源 ? 離子是由離子槍產(chǎn)生的，通常是用電子轟擊壓力為 5 l0－ 6到 l0－ 3托的氣體而得到。離子流密度約在幾十微安／厘米 2，離子能量在 500eV一 2KeV內(nèi)，能量分散性約 2eV。 ? 在低能離子散射中，最常用的惰性氣體是氦、氖或氬。離子源處于正加速電位。離子由一個負(fù)偏置電極通過一個小光闌從離子源取出，再通過透鏡系統(tǒng)形成離子束。 ? 在表面分析中離子源的重要參數(shù)有： (1)能量分散不應(yīng)大于幾伏； (2)從離子源得到的離子流最少幾微安 (3)發(fā)散角為小于 1度。（ 4) 氣體向離子源的泄漏要能精確控制，供給電子的燈絲要便于更換，這些因素都很重要。 清華大學(xué)化學(xué)系材料與表面實驗室 13 真空系統(tǒng)和散射室 ? 低能
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