【正文】 數(shù)對(duì) X射線譜線特征的影響 原子序數(shù)對(duì) Auger電子 能量譜線特征的影響 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。an University of Technology 24 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 三、電子激發(fā)原理簡(jiǎn)介： 原子序數(shù)的影響： ? 特征 X射線： 原子序數(shù)較小 ? 只有 K系譜線； 原子序數(shù)較大 ? 有 K系和 L系譜線； 原子序數(shù) ≥ 50 ? K、 L、 M 三系譜線才會(huì)同時(shí)出現(xiàn)！ ? Auger電子能量： 與 X射線譜線出現(xiàn)規(guī)律類(lèi)似：輕元素譜線少，重元素譜線多！ 俄歇電子能譜 (AES, Auger Electron Spectroscopy) 一、概念及特點(diǎn)： AES： 即以電子束激發(fā)樣品中元素的內(nèi)層電子，使之發(fā)射出 Auger電子， 然后接收、分析這些俄歇電子的能量分布，達(dá)到分析樣品成分的方法。 ? Auger電子的標(biāo)記： 涉三個(gè)能級(jí)、更復(fù)雜 (右上圖 d) KL1L2電子 ? ? 需三個(gè)字母標(biāo)記，如： KL2L LMM電子等， 而 KL1L2電子和 KL2L1電子的能量相同！ 實(shí)例： 金屬 Ti ? 特征 X射線： K?－ 4510 eV/ nm K?－ 4930 eV/ nm ? 特征 Auger電子： L3M3M4電子 1： 417 eV/ nm L3M3M4電子 2： 386 eV/ nm 19)(5 21 EEE KAE ???211 2 LLKLKL EEEE ???Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。an University of Technology 23 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 內(nèi)層電子躍遷以及相應(yīng) X射線、電子發(fā)射過(guò)程 a. 基態(tài)原子內(nèi)層電子排布； b. K層電子空能級(jí)的產(chǎn)生； c. 特征 X射線的產(chǎn)生； d. 俄歇電子的產(chǎn)生。 18)(5 EhcE ??? ??Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。 受激 (如右圖 b)： 入射高能粒子 能量激發(fā)下，最內(nèi)層的 K 層上電子受激逃逸，產(chǎn)生一個(gè)空能態(tài)！ 發(fā)射 X射線填充空能態(tài) (如右圖 c)：第一種可能！ ? 空能態(tài)被一個(gè)外層電子填充 (如：一個(gè) M 或 L 層電子 )，并在電子躍遷至能量較低的該空能態(tài)位臵時(shí)， 發(fā)射一個(gè) ? 光子 (xray)以釋放能量， 該 ? 光子的能量滿足： 式中： ?E — 電子躍遷前后能級(jí)能量差； ? — X射線波長(zhǎng)； h — 普朗克常數(shù)； c — 真空中的光速。an University of Technology 22 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 內(nèi)層電子躍遷以及相應(yīng) X射線、電子發(fā)射過(guò)程 a. 基態(tài)原子內(nèi)層電子排布； b. K層電子空能級(jí)的產(chǎn)生； c. 特征 X射線的產(chǎn)生； d. 俄歇電子的產(chǎn)生。 二、主要分析方法： 5 薄膜 表征 薄膜成分 概述 4 薄膜成分表征的基本原理 分析方法 元素范圍 探測(cè)極限 /% 空間分辯率 深度分辨率 入射束 出射束 X射線能量色散譜 EDX Na~U 1 ?m 1 ?m e ? (xray) 電子探針 EPMA B~U 俄歇電子能譜 AES Li~U 50 nm nm e e X射線光電子能譜 XPS Li~U 100 ?m nm ? (xray) e (光電子 ) 盧瑟福背散射 RBS He~U 1 1 mm 20 nm i+ i+ 二次離子質(zhì)譜 SIMS H~U 1 nm nm i+ i+II (次級(jí)靶離子 ) Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。 西安理工大學(xué) Xi39。an University of Technology 20 一、測(cè)量原理： 利用量子力學(xué)的隧道效應(yīng)測(cè)量表面形貌！ 利用一根非常細(xì)的鎢金屬探針實(shí)現(xiàn)測(cè)量； 當(dāng)針尖與樣品表面距離極小時(shí)，針尖原子的外層電子會(huì)通過(guò) “隧道效應(yīng)”跳到待測(cè)物體表面上形成隧道電流； 由于樣品表面原子級(jí)微小起伏會(huì)影響隧道電流的大小，只有 不斷調(diào)整針尖相對(duì)于物體表面的高度才能維持恒定的隧道電 流，針尖高度的調(diào)整軌跡即可對(duì)應(yīng)待測(cè)樣品的表面形貌。an University of Technology 19 一、測(cè)量原理： 測(cè)量物質(zhì)原子間作用力 ！ 原子間距 1 nm時(shí)，原子間的 LennardJones勢(shì)顯著化 ? 原子間產(chǎn)生較強(qiáng)相互作用力，并滿足： F = 6A?r7 + 12B?r 13 (517) 原子間距離 ? ? 原子間作用力 ?? ? 可由微探針受力大小換算出表面原子高度 ? 樣品表面形貌 ? 獲得的是原子力圖像，并非真實(shí)形貌！ 核心部件：直徑 10~20 nm的顯微探針 + 壓電驅(qū)動(dòng)裝臵 二、主要工作模式： 接觸式： 探針與樣品表面極為接近 ? 直接受很強(qiáng)斥力作用 ? 分辯率很高！ 非接觸式： 探針以一定頻率在樣品表面上方 510 nm處振動(dòng) ? 受表面 探針間引力作用 (F≈ 1012 N) ? 分辯率低、但不會(huì)接觸 /損壞 /污染樣品！ 拍擊式： 振動(dòng) + 接觸模式 (振幅約 100 nm) ? 每次振動(dòng)中接觸樣品表面一次 ? 兼具 高分辨率和非接觸式不影響樣品的優(yōu)點(diǎn)！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結(jié)構(gòu) 原子力顯微鏡 (Atom Force Microscopy) AFM的基本構(gòu)成 原子力與原子間距的關(guān)系 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。an University of Technology 18 一、出發(fā)點(diǎn)： 電子衍射可以揭示晶體點(diǎn)陣的周期性勢(shì)場(chǎng)排布； ? TEM 電子衍射 ? 電子能量較高 ? 穿透式 (非表層信息 )； ?電子能量 ? 僅表面原子衍射 ? 揭示薄膜結(jié)構(gòu)特性！ 二、具體實(shí)現(xiàn) (如右圖 1)： 10~1000 eV的低能電子從薄膜法向入射到薄膜表面； 低能電子只受到表面晶體二維平面周期場(chǎng)的作用，其衍射斑點(diǎn) 對(duì)應(yīng)薄膜表面晶體結(jié)構(gòu)： ? ? 一定時(shí)，一維原子鏈的衍射為圍繞其軸線的兩個(gè)錐面 (圖 2)； ? n 不同時(shí) (周期性排布變化 )產(chǎn)生椎角不同的衍射錐面對(duì)； ? 二維點(diǎn)陣的 衍射方向是上述不同方向、椎角衍射錐面的交線！ 利用球面熒光屏截取衍射線 ? LEED斑點(diǎn) (圖 4) ? 表征原子排列的周期性和對(duì)稱(chēng)性，并非實(shí)際原子的位臵！ 三、 LEED的缺點(diǎn) (如右圖 3 所示 )： ? 半級(jí)斑點(diǎn)相同 ? 點(diǎn)陣 結(jié)構(gòu)可以完全不同 ? 只能推斷、不能確認(rèn) ? 需要其它測(cè)試手段進(jìn)一步確認(rèn)材料表層的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結(jié)構(gòu) 低能電子衍射 (Low Energy Electron Diffraction) 1 2 3 4 Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。 測(cè)量原理： 樣品晶面與入射 X射線束滿足 Bragg 條件：衍射強(qiáng)度 ? ? 入射 /衍射角 + 強(qiáng)度分布 ? 材料結(jié)構(gòu)信息：點(diǎn)陣類(lèi)型、點(diǎn)陣常數(shù)、晶向、缺陷、應(yīng)力 … 二、薄膜樣品與塊體 /粉末樣品 XRD的區(qū)別： 普通 XRD： 入射角 = 20~120o、穿透深度 10~100 ?m ? 主要衍射信息來(lái)自基體 ? 薄膜不適用！ ? 入射 衍射束構(gòu)成平面垂直于樣品表面 ? 發(fā)生衍射的是與樣品表面平行的晶面！ GIXRD： X射線 采用小角度掠入射 (0~6o) ? X射線的主要穿透區(qū)域在薄膜內(nèi) ?入射 衍射束構(gòu)成平面 平行于 樣品表面 ? 發(fā)生衍射的是與樣品表面垂直的晶面！ 三、 GIXRD的效果： 參與衍射以薄膜原子為主 ? ?基體材料干擾 ? 獲得更多薄膜材料結(jié)構(gòu)信息 ！ 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結(jié)構(gòu) 掠入射 X射線衍射 (GIXRD) GIXRD的實(shí)現(xiàn)原理 16)(5 2 mEh??Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。 西安理工大學(xué) Xi39。an University of Technology 16 六、影像模式： 成像特點(diǎn)： 1）用物鏡光闌選取透射電子束 或 任一衍射電子束直接成像得到； 2）樣品不均勻性 ? 衍射束強(qiáng)度變化 ? 放大成像 ? 樣品結(jié)構(gòu)的透射像。 5 薄膜 表征 薄膜形貌 /結(jié)構(gòu) 透射電子顯微鏡 (TEM) 典型薄膜結(jié)構(gòu)的電子衍射花樣 ? ? 15)(5 2/1222?????????? ?hklehklRdLlkhad?Thin Film Materials Technologies 薄膜材料與技術(shù) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 2023169。 衍射模式可實(shí)現(xiàn)表征的薄膜結(jié)構(gòu)信息： 1）晶體點(diǎn)陣類(lèi)型和點(diǎn)陣常數(shù)； 2）晶體的相對(duì)位向 (織構(gòu)取向 )； 3）晶粒的尺寸； 4）孿晶、位錯(cuò)等晶體缺陷信息。 西安理工大學(xué) Xi39。an University of Technology 14 四、薄膜 TEM 樣品的制備： 為防止樣品晶體點(diǎn)陣背散射造成電子束不能穿透樣品 ? 樣品厚度很?。阂话? ?m ? 需要進(jìn)行減薄處理！ 減薄的基本步驟： ? 平面樣品：拋光 ? 離子減?。? ? 截面樣品：切片 ? 粘合拋光 ? 離子減??； 五、衍射