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1、1 第二章 材料近代研究方法的物理基础第二章 材料近代研究方法的物理基础 本章主要内容提要本章主要内容提要 第一节第一节 散射作用散射作用 一、弹性散射 二、非弹性散射 三、散射引起的后果及其应用 第二节 溅射作用第二节 溅射作用 一、溅射种类 二、溅射参量 第三节 吸收与衰减作用 第四节 粒子与材料相互作用及其在研究方法上的应用 第三节 吸收与衰减作用 第四节 粒子与材料相互作用及其在研究方法上的应用 一、粒子与材料相互作用产生二次信息总结 二、不同入射粒子产生的信息在材料研究中应用 2 Ernest Rutherford 著名物理学家 1871年出生于New Zealand 1908年获N
2、obel化学奖 Ernest Rutherford (1871-1937) “ for his investigations into the disintegration of the elements, and the chemistry of radioactive substances“ Director of Cambridge Universitys Cavendish Laboratory from 1919 3 1911年Rutherford和他的合作者，在Cambridge Universitys Cavendish Laboratory用粒子轰击金箔，观察到背散射现象，证明
3、了原子核的存在， 建立了原子的有核模型 证明了原子核的存在， 建立了原子的有核模型 揭开了人类认识微观世界的序幕，开创了人工方法加速带电粒子来揭示 物质微观世界的新纪元，成为研究微观世界的主要研究手段，也是材料 近代研究实验方法的基础 尽管近代材料研究方法和仪器繁多，层出不穷，但它们有着一些共性的 物理原理 共性的 物理原理：基于外场（光、热、电、磁、声、基于外场（光、热、电、磁、声、）与物质的相互作用）与物质的相互作用 ? 散射作用散射作用 ? 溅射作用溅射作用 ? 吸收与衰减作用吸收与衰减作用 ? 沟道与阻塞效应沟道与阻塞效应 4 第一节 散射作用第一节 散射作用 一、弹性散射（一、弹性散
4、射（Rutherford scattering） m M p 1911年提出，用He核(粒子)轰击Au核 基本假设基本假设：e4，E02p2/e41， 上式即为与单个价电子的非弹性散射的能量损失方程 )/1 ( 422 0 0 epE E EE j + = 15 前面只考虑入射电子与第j层一个内电子的散射作用。但是，因为Ej与p 有关，而p是个随机量，所以Ej也是随机量。当p在pp+dp波动时，Ej 应在EjEj+dEj间波动，说明能量损失是一个统计平均概念 引入一个平均能量损失，其大小与该电子被dn（d）截面散射到球带 里的几率有关（dn=2pdp），可记为： 式中的积分下限积分下限为p=0
5、（对头碰撞的情况）；积分上限积分上限为能产生非弹性 散射的最大瞄准距。对上式积分后可得： jE = max min 2 pdpEE j j j j I E E e E 0 0 4 ln = （Ij j层电子结合能 ） 16 当考虑一个入射电子与一个原子序数为原子序数为Z的靶原子全部内电子作用而产生 的散射作用，伴随的能量损失为（将所有内电子的平均能量损失 都近似为，精确的应为） jEZE = jE = Z j jE 1 考虑一个入射电子束垂直穿过单位靶截面垂直穿过单位靶截面，行进单位距离行进单位距离所遇到的全部原 子 全部原 子为N=N0/A（质量密度，N0阿弗加德罗常数，A原子量）。则行 进
6、dx距离产生的能量损失为： 因此有： 物理意义物理意义：入射电子进入单位靶截面行进单位距离引起的非弹性散射损失 NdxEZdE j = I E Z E e A N dx dE 0 0 4 0 ln =（I对靶原子中各种激发或电离态的平均 ） 17 非弹性散射强度非弹性散射强度是用非弹性散射截面(，j)表示，其物理意义物理意义：一个 入射粒子在单位时间被非弹性散射到单位空间立体角内，且能量损失为j 的几率。其表达式可由量子力学导出： ) 2 . 1 ln( 0 0 4 jj jj j I E IE bZe = Zj j内层电子数 bj决定于电子层的系数（K层为0.33，L层为0.25） Ijj层
7、电子结合能 18 与内电子作用后所造成的入射粒子能量损失是与入射粒子能量损失是与Z相关的，即具有成分 特征 相关的，即具有成分 特征 损失的能量除发热外，还可产生各种可资利用的二次信息，并建立材料 研究方法。如： 二次电子发射二次电子发射：X光电子能谱（XPS）；紫外光电子谱（UPS）；扫描 电镜（SEM）；二次电子发射（SEE）等 俄歇电子发射俄歇电子发射：俄歇电子谱（AES） 能量损失谱能量损失谱：电子能量损失谱（EELS）；低能电子显微镜（LEEM） 电子探针电子探针：电子探针X射线显微分析（EPMA）；能量色散X射线谱 （EDS） 透射透射：透射电镜（TEM） 19 ? 入射电子与核外
8、电子（电子云，价电子）的集体散射作用及能量损失 等离子体震荡 入射电子与核外电子（电子云，价电子）的集体散射作用及能量损失 等离子体震荡 特点：特点： 核外价电子与核的结合能小，激发能也较小，伴随的能量损失小，散 射截面大 是众多电子同时参与的过程 不同元素（物质）其电子组态、价电子结合能大小均不同，所以激励 震荡所需的能量值也不同，因此信息是特征信息是特征的，可以建立特征的能量损 失谱、能量分析电镜等研究方法。因透射部分单色性差，TEM成像不清 晰，需减薄到1000，造成实验制样等许多困难。能量分析电镜可进 行成分衬度成像 20 散射机制散射机制： 许多金属和离子晶体都可看作是由原子核与核外
9、电子构成的等离子体等离子体。这时， 入射电子不是孤立地与某一个价电子作用，而是同时与众多价电子组成的电 子云集体作用。当电子穿过等离子体时，引起局部电中性破坏，使包围入射 电子周围的价电子向外移动，以减弱入射电子处的负电位。反之，当负电位 过低时，又引起电子向入射电子处移动 依此，反复形成震荡，并伴有能量损失E，并有： 因为E很小，散射截面很大，因此频率p很小而震荡波长很大（103）； 可建立电子能量损失谱（EELS）；能量分析电镜（EAEM） p EEh=（p震荡频率 ） 21 ? 入射电子与原子核的非弹性散射及其能量损失 韧致散射 入射电子与原子核的非弹性散射及其能量损失 韧致散射 特点特
10、点： 入射电子与靶原子核之间的非弹性散射，该散射是基于经典电动力学 原理，即：当一个高速运动物体高速运动物体行进时，获得一个加速度（d/dt），就 会作为一个电磁波的辐射源电磁波的辐射源，并以电磁波形式辐射（或吸收）部分能量。 因此当入射电子被原子核吸引（核制动），就伴有一个负的加速度-d/dt， 则它将伴有电磁损失，并逐渐损失其动能，最终被“制动”，如同自行车刹 车，故称韧致散射韧致散射 其伴随的信息是非特征的连续谱，故不能建立分析研究方法，而导致 干扰信息，是应加以抑制的。但是韧致辐射可以作为白色白色X光源光源 22 能量损失方程能量损失方程 由于散射是非弹性的，故伴有能量损失，其能量损失
11、方程可用经典电动力 学求出： 3/1 20 2 183 ln 137 4 Z r EZ dx dE c = 靶原子密度 rc经典电子半径，rc=e2/mc2 m电子质量 E0入射粒子动能 23 电子能量损失与韧致损失随入射束能量的变化趋势是相反的电子能量损失与韧致损失随入射束能量的变化趋势是相反的 电子能量损失 入射粒子能量（E0） 总 能 量 损 失 韧致损失 dx dE 24 ? 入射电子与靶材晶格的非弹性散射及其能量损失入射电子与靶材晶格的非弹性散射及其能量损失 这种作用的结果是引起晶格振动，即激发声子，使试样发热，导致噪声 和干扰，也应防止 能量损失方程能量损失方程 = i e i i
12、 T B k i i EE 1 / h h 可被激发的所有声子能量的总和可被激发的所有声子能量的总和 25 ? 弹性散射弹性散射 电子背散射现象电子背散射现象（大角度或几次小角度弹性散射叠加） 背散射扫描电子图象 、二元成分分析 、Rutherford背散射谱（RBS） 电子衍射效应电子衍射效应（高能、低能电子衍射，SEM，TEM，HREM） 通道效应通道效应（背散射电子通道图） X光衍射效应光衍射效应（XRD） 中子衍射中子衍射 三、散射引起的后果及其应用三、散射引起的后果及其应用 26 ? 非弹性散射非弹性散射 韧致辐射韧致辐射（白色X光源） 特征特征X光发射光发射（波谱与能谱，电子探针X
13、射线显微分析EPMA；能量 色散X射线谱EDS） 二次电子发射二次电子发射 光电子能谱（UPS、XPS）、扫描电镜二次电子像 、扫描图象 Auger电子及电子及Auger电子能谱电子能谱 吸收电子吸收电子 吸收电流像、X射线探伤 特征能量损失特征能量损失（能量分析电镜，特征能量损失谱） 等离子体振荡等离子体振荡（利用振荡频率作定性分析） 27 阴极发光阴极发光（用阴极荧光揭示半导体材料中微量杂质原子，显示半导体 材料中微观结构缺陷、条带结构等，制造荧光屏） 辐射损伤辐射损伤（辐照剂量测定，用核子乳胶记录基本粒子的径迹，辐照损 伤程度的颜色显示） 靶的热效应靶的热效应（电子束熔炼，电子束加工）
14、28 入射粒子与固体相互作用过程，本质上是一个双体碰撞问题，伴有库仑 场作用和动能交换 ? 能量交换或转移的结果，将使靶发射各种粒子能量交换或转移的结果，将使靶发射各种粒子 非弹性散射非弹性散射：发射的粒子是电子（二次电子发射） 溅射溅射：发射的是较重粒子或原子团 ? 库仑场作用和动能交换作用的大小，取决于粒子的荷库仑场作用和动能交换作用的大小，取决于粒子的荷/质比质比 对质量小，荷/质比较大的入射粒子（如电子等），库仑作用是主要的 （表现为散射） 对质量较大，荷/质比较小的入射粒子（如离子、中子等），则主要是碰 撞过程，它既有散射，也有溅射过程 第二节 溅射作用第二节 溅射作用 29 依据溅
15、射的微观机制，可以分为物理溅射物理溅射和化学溅射化学溅射两类 ? 物理溅射（物理溅射（Physical sputtering） 指入射粒子把能量传递给靶原子，并使之克服表面原子结合能而溅出 （或逸出）的过程。显然，该过程主要涉及动能交换。物理溅射可以分 为不同类型 单次碰撞单次碰撞 指无级联的碰撞，入射粒子一次把表面原子撞出，产生溅出粒子。一般 发生在当入射粒子能量略为超过阈能或质量很小时，只能通过单次碰撞 将动能传递给靶原子，而使靶原子获得向后运动的动量，并足以克服表 面势垒而离开表面 一、溅射分类一、溅射分类 30 多次碰撞多次碰撞 指有级联过程，入射粒子及被撞击的靶原子具有足够动能继续撞
16、击第二、 第三、个原子，从而产生多次溅射，而入射粒子最后湮灭在靶晶格中， 成为注入原子。多次碰撞溅出的粒子产额高，按其一次级联的原子数， 又 可 分 为 线 性 级 联线 性 级 联 （ Linear cascade） 和 能 峰 机 制能 峰 机 制 （ Energy spike mechanism）两种 线性级联线性级联：被撞的靶原子（初级反冲原子）获得的动量足够高，它还可 撞出其它靶原子，产生次级反冲原子依次类推继续下去，直到转移 的动能已不足以引起原子离位为止 能峰机制能峰机制：碰撞级联内部反冲原子的密度极高，以至于在级联体积内有 比线性级联多得多的靶原子在同一瞬间处于运动状态 31
17、? 化学溅射（化学溅射（Chemical sputtering） 指入射粒子与靶原子碰撞和能量交换的同时，发生化学反应发生化学反应，生成新的不 稳定化合物，从而切断某些化学键使原子或原子团出射（成为二次粒子） 的化学过程 物理溅射多在中、高能量（keVMeV）粒子轰击条件下发生，能量低至电 子伏特量级的粒子所引起的物理溅射极弱 化学溅射可延续到更低的能量范围，在电子伏特量级仍有显著的溅射效应 32 与散射过程相似，表征溅射的有偏转、能量损失、截面、阈值等，主要 参量有溅出条件（阈值）、方位（偏转）和强度（截面或产额） ? 阈值能量（阈值能量（Threshold energy） 阈值能量阈值能量
18、粒子被溅出所需的最小能量 当入射粒子种类、能量给定后，阈值大小决定于阈值大小决定于： 靶材材质靶材材质（即原子序数、成分、化学键键性与键强、结构、结合能） 表面状态表面状态（棱、顶、台级等处原子能级不同） 界面界面（晶界、粒界处于不同能级，晶面角大小产生能级畸变 二、溅射参量二、溅射参量 33 ? 溅射产额（溅射产额（Sputtering yield） 溅射产额溅射产额Y平均每个入射粒子所溅射出的粒子数目，与溅射截面意 义相同 Y有以下关系： )( 2 21 210 MM MME KY + = E0入射粒子动能 入射粒子平均穿透距离，1/r2 r 碰撞截面有效半径 靶密度 K比例常数 M1、M
19、2入射粒子、靶原子质量 34 影响溅射产额或溅射截面的因素影响溅射产额或溅射截面的因素 入射粒子特性入射粒子特性 种类种类：靶材选定后，入射粒子特性不同，Y也不同。一般，随入射粒 子原子序数增大而增大 能量能量：通常认为，在几KeV几十KeV范围，Y随入射粒子能量增加而 增大。能量超过一定值后，Y不再增加，原因是入射深度过大，粒子不 易逸出 入射角入射角：d=Rcos（d垂直入射距离，R 实际行程），入射角愈大，溅射愈趋于 表面，粒子更易逸出（小于逸出深度时）， Y愈大（在45O，Y1/cos）。但角过 大，则与入射粒子相互作用的靶原子数量减 少。因此有一最适宜值，约60O70O d 90-
20、R 35 靶材特性靶材特性 靶材性质靶材性质：组成、结构、键性、键强等。一般地，随Z增加，Y减小， 但有周期性（因还涉及靶原子质量、原子半径） 表面状态表面状态：粗糙度增大，Y减小 ? 能量损失方程能量损失方程 对溅射过程可看作是入射粒子能量传递给靶原子，并逐渐减速，伴随能 量损失。该过程“可看作为”韧致散射过程，即靶对入射粒子产生阻止 两种阻止两种阻止： 核阻止核阻止属弹性阻止，入射粒子的能量通过碰撞转换为二次粒子的 信息，可用双体碰撞模型处理 36 电子阻止电子阻止属非弹性阻止，入射粒子把能量交换给靶原子中的核外 电子，并导致靶原子激发、电离，溅射出离子和电子 将上述两种阻止作用近似地看作
21、相互独立的，则整个溅射过程的能量损 失为： 总阻止本领 )()(EeEN SS dx dE += 靶密度；x入射粒子在靶中的行 走距离；SN(E)靶材原子核阻止本领； Se(E)靶材核外电子阻止本领 dx dE S N EN )( )( = dx dE S e Ee )( )( = dx dE S = 37 ? 溅射（溅出）效应溅射（溅出）效应 入射粒子与靶材粒子、晶格相互作用，溅出二次粒子中，90%为中性粒 子，10%为正、负离子 当入射束能量给定时，溅出的二次粒子的种类、出射速度、能量分布、 溅出方向与靶材成分、结构、结合能、出射角等有关 当入射束能量给定时，溅出的二次粒子的种类、出射速度
22、、能量分布、 溅出方向与靶材成分、结构、结合能、出射角等有关，因此可以建立多 种材料研究方法： 二次离子质谱（SIMS） 溅射中性粒子质谱（SNMS） 离子诱导（激发）脱附谱（ISD） 电子诱导（激发）脱附谱（ESD） 38 任何一种外场探束进入固体后，其入射 束能量可分为三个分量，背反射分量背反射分量IR、 吸收分量吸收分量IA和透射分量透射分量IT，即有： 第三节 吸收与衰减作用第三节 吸收与衰减作用 TAR IIII+= 0 I0IT IR IA 背散射（或反射）背散射（或反射）：主要以一次入射粒子束被大角度弹性散射为主 吸收作用吸收作用：包括非弹性散射的能量损失和真吸收损失 此能量损失
23、往往与物质微结构状态相关联，如原子、分子、基团、电子 激发等，并具有特征性（或量子化） 39 一次探束能量的连续衰减往往与物质的密度及原子序数（即电子组态或 核外电子数目）有关 一次探束能量的连续衰减往往与物质的密度及原子序数（即电子组态或 核外电子数目）有关 考虑一个入射束进入靶材后，在前进方向的宏观衰减宏观衰减时，其衰减量往往 是包括IR+IA的总和。因此宏观衰减（吸收）规律服从普适的指数规律指数规律： I0入射束初始强度；I在靶中行进x距离后的束强度；靶材的吸收 系数 吸收 系数或衰减系数衰减系数；入射自由行程 衰减系数衰减系数（也叫完全吸收系数完全吸收系数）：入射束在试样中经单位长度行
24、程后的 强度衰减 expexp 00 x IxII= 40 衰减系数衰减系数：真吸收系数真吸收系数和散射系数散射系数 的大小本质上决定于入射粒子在靶中行进时遇到原子数目的多少，所以 靶材的质量密度愈大，吸收系数也愈大靶材的质量密度愈大，吸收系数也愈大，即有 常用质量吸收系数质量吸收系数/和质量散射系数质量散射系数/表示，故有： 一般情况下有： 因此，通常用 += += 2 . 0 41 第四节 粒子与材料相互作用 及其在研究方法上的应用 第四节 粒子与材料相互作用 及其在研究方法上的应用 42 一、粒子与材料 相互作用产生二 次信息总结 一、粒子与材料 相互作用产生二 次信息总结 43 ? 入
25、射粒子为光子入射粒子为光子 二次信息为光子 光子激发出光子二次信息为光子 光子激发出光子 COL色谱（X光、可见、紫外、红外、射线吸收谱） ELL椭圆偏振术（Ellipsometry） ESR电子自旋共振（Electron Spin Resonance） EXAFS扩展X射线吸收精细结构（Extended X-ray Absorption Fine Structure） IR红外光谱（Infrared Spectroscopy） LS光散射谱（Light Scattering） MS穆斯堡尔谱（Mssurbauer Spectroscopy） NMR核磁共振（Nuclear Magnetic
26、Resonance） SRS表面反射谱（Surface Reflection Spectroscopy） XRDX射线衍射（X-ray Diffraction） 二、不同入射粒子产生的信息在材料研究中应用二、不同入射粒子产生的信息在材料研究中应用 44 二次信息为电子 光子激发出电子二次信息为电子 光子激发出电子 AEAPS俄歇电子出现电势谱（Auger Electron Appearance Potential Spectroscopy） AEM俄歇电子显微镜（Auger Electron Microscopy） AES俄歇电子谱（Auger Electron Energy Spectros
27、copy） PEM光电子显微镜（Photo-Electron Microscopy） PES光电子谱（Photo-Electron Energy Spectroscopy） SEE二次电子发射（Secondary Electron Emission） SEXAFS表面扩展X射线吸收精细结构（Surface Extended X-ray Absorption Fine Structure） UPS紫外光电子谱（Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy） XEMX光电子显微镜（X-ray Electron Microscopy） XESX光诱导谱（X-ray S
28、timulated Spectroscopy） XPSX光电子谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy） 45 二次信息为中性粒子和离子 光子激发出中性粒子和离子二次信息为中性粒子和离子 光子激发出中性粒子和离子 LMP激光微探针（Laser Micro-Probe） PD光致脱附（Photo Desorption） 46 ? 入射粒子为电子入射粒子为电子 二次信息为光子 电子激发出光子二次信息为光子 电子激发出光子 APS表观电势谱（Appearance Potential Spectroscopy） BIS韧致辐射等色谱（Bremsstrahlung Isoch
29、romatic Spectroscopy） CL阴极发光（Cathode Luminescence） CIS特征等色谱（Characteristic Isochromatic Spectroscopy） EPMA电子探针显微分析（Electron Probe Micro-Analysis） SXAPS 软 X 射 线 出 现 电 势 谱 （ Soft X-ray Appearance Potential Spectroscopy） 二次信息为电子 电子激发出电子二次信息为电子 电子激发出电子 AEAPS俄歇电子出现电势谱（Auger Electron Appearance Potential
30、Spectroscopy） AEM俄歇电子显微镜（Auger Electron Microscopy） AES俄歇电子谱（Auger Electron Spectroscopy） 47 DAPS消隐电势谱（Disappearance potential Spectroscopy） EELS电子能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy） HEED高能电子衍射（High Energy Electron Diffraction） LEED低能电子衍射（Low Energy Electron Diffraction） MEED中能电子衍射（Medium Energ
31、y Electron Diffraction） IS电离谱（Ionization Spectroscopy） SEE二次电子发射（Secondary Electron Emission） RHEED反射高能电子衍射（Reflective High Energy Electron Diffraction） SEM扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy） STEM扫透电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy） TEM透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy） 48 二次信
32、息为中性粒子 电子激发出中性粒子二次信息为中性粒子 电子激发出中性粒子 ESDN电子诱导中性粒子脱附（Electron Stimulated Desorption Neutral） SDMM扫描脱附分子显微镜（Scanning Desorption Molecule Microscopy） 二次信息为离子 电子激发出离子二次信息为离子 电子激发出离子 ESDI电子诱导离子脱附（Electron Stimulated Desorption Ion） 49 ? 入射粒子为中性粒子入射粒子为中性粒子 二次信息为光子二次信息为光子 NIRS中性粒子撞击辐射谱（Neutral Impact Radiat
33、ion Spectroscopy） 二次信息为电子二次信息为电子 SEE二次电子发射（Secondary Electron Emission） 二次信息为中性粒子二次信息为中性粒子 AIM等温吸附测量（Adsorption Isotherm Measurement） MBRS分子束反应散射（Molecular Beam Reaction Scattering） MBSS分子束表面散射（Molecular Beam Surface Scattering） 二次信息为声子二次信息为声子 HA吸附热（Heat of Adsorption） 50 ? 入射粒子为离子入射粒子为离子 二次信息为光子二次信
34、息为光子 GDOS辉光放电光谱（Glow Discharge Optical Spectroscopy） IIRS离子撞击辐射谱（Ion Impact Radiation Spectroscopy） NRS核反应谱（Nuclear Reaction Spectroscopy） 二次信息为电子二次信息为电子 IEAES离子激发俄歇电子谱（Ion Excited Auger Electron Spectroscopy） INS离子中和（中性化）谱（Ion Neutralization Spectroscopy） SEE二次电子发射（Secondary Electron Emission） 二次信息
35、为中性粒子二次信息为中性粒子 ISD离子诱导脱附（Ion Stimulated Desorption） SDMM 扫 描 脱 附 分 子 显 微 镜 （ Scanning DesorptionMolecular Microscopy） 51 二次信息为离子二次信息为离子 GDMS辉光放电质谱（Glow Discharge Mass Spectroscopy） IMMA离子微探针质量分析（Ion Microprobe Mass Analysis） ISD离子诱导脱附（Ion Stimulated Desorption） ISS离子散射谱（Ion Scattering Spectroscopy） NRS核反应谱（Nuclear Reaction Spectroscopy） RBS卢瑟福背散射谱（Rutherford Back Scattering） SIMS二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectroscopy） SIIMS二次离子镜像质谱（Secondary Ion Image Mass Spectroscopy） 52