现代物理实验之RBS.ppt

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1、王广甫 E-mail: guangfu_ 电话: 62208271,卢瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry （RBS）,现代物理实验之,参考书目,核分析技术 赵国庆等，1989年，原子能出版社 离子束分析 杨福家 1985版 原子核物理实验方法（下） 复旦等 1985版 粒子同固体物质相互作用（上）王广厚 1988 背散射朱唯干 1981版,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排,一、引言,1、离子与物体的相互作用 2、常见离子束分析方法 3、RBS分析及其特点 4、RBS的发展,

2、现代物理分析技术大都是通过外场（电磁场、力场等）或粒子与物质相互来对物质的元素组成和结构进行分析的。 例：电磁场：扫描隧道显微镜（STM） 核磁共振谱仪（NMR） 质谱分析技术（MS） 力场：原子力显微镜（AFM） 光子为工具：Raman光谱 红外光谱（IR） 穆斯堡尔谱 光电子能谱（XPS） X射线衍射（XRD） X射线荧光（XFA）,电子为工具：扫描电子显微镜（SEM） 透射电子显微镜（TEM） 低能电子电子衍射（LEED） 中子为工具：中子衍射 中子活化分析（NAA） . 离子为工具：？,1、离子与固体的相互作用,THE ATOMIC ELECTRONS and/or THE ATOMI

3、C NUCLEI,In its passage through matter, an ion may interact with,The interaction of an ion with an atomic electron is purely Coulomb (i.e. interaction governed by the Coulombs law).,An ionized/excited atom will eventually return to its ground state, accompanied by the emission of one or more x-rays/

4、photons.,An electron ejected from its atomic orbit is called a secondary electron. It may further ionize or excite another atom, resulting in the emission of more x-rays/photons. An secondary electron may also be decelerated by the coulomb field of a nucleus, losing part or all its energy in form of

5、 bremsstrahlung (braking radiation).,二次电子和轫致辐射,The interaction of an ion with an atomic nucleus can be,COULOMB ELASTIC SCATTERING COULOMB INELASTIC COLLISION COULOMB EXCITATION NUCLEAR INELASTIC SCATTERING NUCLEAR TRANSFORMATION,离子与原子核相互作用,离子与固体相互作用小结： 离子与核外电子作用： 电离，激发 离子与原子核相互作用， 库仑相互作用，核相互作用,离子束分析

6、作用机制图,次级离子质谱 Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS),俄歇电子谱 Auger Electron Spectrometry(AES),粒子诱发X射线荧光分析 Particle Induced X-ray Emission(PIXE),核反应分析 Nuclear Reaction Analysis(NRA),卢瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS),离子-原子作用范畴,离子-原子核作用范畴,弹性反冲分析 Elastic Recoil Detection(ERD),2、常见离子束分析方法,

7、离子与固体的相互作用及常见离子束分析方法 电离：产生俄歇电子俄歇电子能谱（AES） 产生特征X射线质子荧光分析(PIXE) 散射背散射分析(RBS)，质子弹性散射分析 （PESA） 沟道效应离子沟道（IC） 反冲弹性反冲分析（ERD） 核反应核反应分析(NRA) 透射扫描透射离子显微镜（STIM）,一、 引言,背散射分析就是在一束单能的质子、粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。因此背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering

8、 Spectrometry).,3、RBS分析及其特点,特点：,RBS分析及其特点,4、背散射分析的发展,1909年，盖革（H. Geiger）和马斯顿（E. Marsden）观察到了粒子散射实验现象,卢瑟福散射实验,Lord Ernest Rutherford,1911年，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）揭示了该现象，并确立了原子的核式结构模型 1957年，茹宾（Rubin）首次利用质子和氘束分析收集在滤膜上的烟尘粒子的成份 1967年，美国的测量员5号空间飞船发回月球表面土壤的背散射分析结果,元素深度分布,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、

9、RBS应用 五、总结 六、实验安排,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,三个基本物理概念,二、 RBS分析原理,当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(10ev量级),并低于与靶原子发生核反应的能量(一般100kev/amu E 1Mev/amu)时,离子在固体中沿直线运动,入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量,直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面.在这个背散射过程中包含四个基本物理概念.它们是: 两体弹性碰撞的运动学因子K 微分散射截面 固体的

10、阻止截面 能量歧离 这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素.,1、 运动学因子和质量分辨率,1）运动学因子 运动学因子的定义： K=E1/E0， 其中E0是入射粒子能量（动能），E1是散射粒子能量（动能）。,库仑散射是弹性散射 动能和动量守恒：,详细的推导参见王广厚-粒子同固体物质相互作用P102）,可得：,由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（）一定时，E1与M成单值函数关系。所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M。这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。,M,M大，K大，E1大（相同E0）,注意

11、：RBS适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。,E1,2）质量分辨率,如E是RBS探测器系统的能量分辨率，也就是可分辨的背散射离子最小的能量差别。那么RBS的质量分辨率M为：,RBS质量分辨率: M是对样品中靶核质量差别的分辨能力。当一靶核质量数与另一靶核质量数M的差别小于M时RBS无法将这两种元素分辨开。,RBS质量分辨率和以下因素有关： 探测器所在处的散射角 探测器能量分辨率E 入射离子种类m 入射离子能量E0 靶核质量数M,下面探讨这些因素对RBS质量分辨率的影响,探测器能量分辨率的影响,探测器能量分辨率越高，RBS质量分辨率越好。,增大，同样M下，K增大，M减小，质量分辨

12、率提高。,K,对质量分辨率的影响,因此，卢瑟福背散射分析在实验安排上要使尽可能接近180度。因为越接近180度，RBS质量分辨率越高。,入射离子种类对质量分辨率的影响,因接近180度，令=-， 为一小量，且Mm，则对K因子公式求M的偏导数并化减得：,m增大，M 减小，RBS质量分辩提高。,注意： RBS常用的金硅面垒探测器的能量分辨率随m增大变差，所以RBS一般选m为17。重离子做RBS时，可采用磁谱仪或飞行时间谱仪。,入射离子能量对RBS质量分辨率的影响,入射离子能量E0越高，RBS质量分辨率越好。但E0太高会产生非卢瑟福散射甚至核反应。一般：p 300KeV， 13MeV,M减小，M 减小

13、，RBS质量分辩提高。所以RBS对重元素质量分辨率差。,注意： 上面公式的条件是mM。,M对RBS质量分辨率的影响,RBS对重元素质量分辨率较差,3）提高背散射质量分辨率的方法有： 提高入射离子能量，但入射离子能量过高会使入射离子和靶原子发生核反应。故不宜过高。 通过提高离子探测系统的能量分辨率，可采用静电分析器或飞行时间技术。 实验安排上要使尽可能接近180度。 利用大质量的入射离子。但金硅面垒探测器对重离子能量分辨率较差，所以 M1一般选47。 另外： RBS适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。,常规RBS的质量分辨率,He,H,对轻元素和中重元素分析，采用2MeV的4He

14、离子有较高的质量分辨率，对很轻元素如D、T、He和Li等用质子束较好。,运动学因子小结： K=E1/E0 E1=KE0 是RBS定性分析理论基础 质量分辨率,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,2、 散射截面,设Q为打到单元素薄靶上的离子总数，d为位于散射角上的探测器的微分立体角，dQ为此微分立体角中探测器接受到的背散射离子数，N为靶原子体积密度（atoms/cm3），t为薄靶的厚度(Nt为靶的面密度atoms/cm2)。定义微分散射截面为：,Nt,Z1 m

15、E0,探测器,Z2 M,1）散射截面定义,平均散射截面：,因为探测器所张的立体角是有限的，故取平均散射截面： （其定义式如下）,探测器接收到的背散射离子数为:,2）RBS定量分析原理 对于一个具体的背散射实验，由于探测器所张立体角是可以测量的，如果知道散射截面。就可以通过测量探测器接受到的离子数A和入射离子总数Q由上式计算出靶原子的面密度Nt。这便是背散射定量分析的基本原理。,3）卢瑟福散射截面,卢瑟福散射条件：,卢瑟福散射截面公式：,4）RBS分析灵敏度,由于散射粒子计数A正比于散射截面，故截面越大，计数越多，分辨越好,减小，E0,RBS对重元素探测灵敏度高,提高RBS分析灵敏度的方法： 微

16、分散射截面正比于Z12。因此用较重入射离子可提高探测灵敏度。 微分散射截面正比于Z22。所以重元素的探测灵敏度高于分析轻元素。因此，背散射较适用于轻基体上的重元素分析，不适合重基体上的轻元素分析。 微分散射截面反比于E2。所以背散射分析灵敏度随入射离子能量降低而提高。 当mM时，将上式按m/M展开，略去高次项， 可以得到微分散射截面近似反比于 。因此当 散射角减小时，散射截面增大很快。因此当质量分辨率不成问题时，可利用此性质适当减小来提高灵敏度。 利用共振散射或非卢瑟福散射,RBS探测灵敏度的估计： 对2MeV的4He离子在探测轻基体（ZM）表面上重元素（Zi）污染时的探测灵敏度约为：,C表面

17、Au污染，灵敏度可达1012atoms/cm2,对厚样品中的重杂质元素分析：,大约为100ppm,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,3 能量损失因子深度分辨率,1）能量损失 在离子在某固体中做直线运动的过程中，离子主要通过与靶原子的电子相互作用而损失能量。定义离子在单位径迹长度上损失的能量,为比能量损失或叫作能量损失（率）。也叫作这种固体的阻止本领.,在入射路径上： 在出射路径上：,2）能量损失因子,定义能量损失后，可确定不同深度散射出的离子同表面散射出的离

18、子能量之差。从而建立RBS能谱宽度和靶厚度之间的关系,这样在同一角度，探测到的被靶表面靶原子散射的离子能量和被深度x处靶原子散射的离子能量之差为：,当入射和出射路径上的能量损失用一个常量（如平均能量损失率）来代替时得到了E同深度x的关系为：,定义：,为能量损失因子，则：,这样，由能量损失因子就可以把背散射能谱中的能量坐标换算成深度坐标，并根据不同深度处能谱高度就可以得到元素的深度分布。 这是RBS的元素深度分布原理。,3）阻止截面及其可加性,用能量损失来计算能量损失因子的缺点是:它随靶的元素组成及密度而变化，因此对于具体的靶很难查到能量损失率数值。为此引入阻止截面或叫做阻止本领的概念。,单原子

19、靶材料的原子密度为N，一定能量E的入射离子在此材料的能量损失为。 则定义：,为此种靶原子对能量E的入射离子的阻止截面,引入阻止截面的优点: 阻止截面和靶原子种类、入射离子种类及能量有关，而同靶的密度无关.可以由图表查到. 阻止截面具有可加性 对分子式为AmBn的化合物，其阻止本领为:,4）能量损失因子的近似计算,上面在能量损失因子的介绍过程中，我们将入射和出射路径上阻止截面作为常数来看待。,而对于给定的靶材料和入射离子种类，阻止截面是离子能量E的函数。离子在样品中运动时，能量在减小，用怎样一个常数来替代阻止截面呢？,表面能量近似 入射路径：,出射路径：,能量损失因子：,表面能量近似实际上是取x

20、趋于零时的能量损失来近似,特点：简单 适用于薄靶 小于10000埃，近似误差大概在5%左右,能量近似示意图,平均能量近似,平均能量近似,平均能量近似 平均能量近似，是分别采用入射和出射路径上离子的平均能量来近似入射和出射路径上离子的能量。即：,入射路径：,出射路径：,这种方法精度较高，但由于E是未知的，所以用起来较复杂，一般用迭代方法来计算。,对称能量近似,出射路径上：,这种方法的精度介于上述两种方法之间。因知道E0 、E和E1各量，计算也相对简单。,入射路径上：,5）求散射前能量E的方法,能量损失比方法,假定是出射路径能量损失和入射路径能量损失之比，并同深度有关,表面能量近似下：,这种方法对

21、于表面近似适用的薄样品很精确，对较厚的样品也适用，因为能量损失比比阻止本领变化慢。,数值方法,将样品划分为许多厚度为x的小薄层，在每一薄层内，能量损失率可看作常数，则有： 入射路径上,6）RBS深度分辨率,如果RBS探测系统能量分辨率为E,不同深度x1和x2背散射到探测器的离子的能量差为E1.则只有在E1 E时,探测系统才能区分这两个不同的散射深度.把E对应深度差别x定义为RBS的深度分辨率.,m增大探测器能量分辨率变差,不同材料不同深度的深度分辨率,入射离子能量低，dE/dx大，S大，深度分辨率高。（各别例外） 重离子入射时，dE/dx大，S大，但因重离子E大,深度分辨率改善不明显。 掠角入

22、射，即增大1 和2 ，S大，深度分辨率高。 靶核越重， dE/dx大，S大。所以，较重的靶元素比轻元素深度分辨率高(但与靶密度有关)。 改善E，用致冷的面垒探测器,提高深度分辨率的方法:,掠角入射,RBS深度分辨率,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,4、RBS能谱,背散射能谱是进行RBS定量分析的依据.其横坐标为背散射离子能量,纵坐标为对应能量的背散射离子产额。不同成分和厚度的样品,RBS能谱不同.,1)薄样品,EE0为薄样品,可忽略离子能量变化对散射截面和

23、能量损失的影响.,单元素,较薄(EE)的薄样品,1,2,A,A=,Q,A,Q,1,A,较厚(E0EE)单元素薄样品的理想RBS谱,前沿高度,x为对应能量为E1的表面薄层 E1为多道分析器的道宽,E=Sx,化合物薄膜,化合物AmBn(ZAZB) 的理想RBS能谱,能谱宽度(表面近似):,化合物的阻止截面因子,阻止介质,产生散射的靶原子,从A元素散射的阻止截面因子,从B元素散射的阻止截面因子,2)厚样品能谱,单元素厚样品,E1-E1,x对应的产额:,入射路径上取,出射 路径上,E1-E1,如E1为多道道宽,可得单元素厚样品能谱中能量为E1的某一道的计数为：,E1-E1,将,代入,化合物厚样品AmB

24、n(ZAZB),xA,xB,二、RBS分析原理 1、运动学因子和质量分辨率 2、散射截面和探测灵敏度 3、能量损失因子和深度分辨率 4、RBS能谱 5、能量歧离和探测器能量分辨率 对RBS能谱的影响,5、能量歧离和探测器能量分辨率对RBS能谱的影响,能量歧离 单能离子束穿透某一厚度的靶后，会产生一定的能量分散度。这就称为能量歧离。 造成能量歧离原因： 电子能量损失歧离:离子与靶原子的电子大量碰撞是一种随机过程，存在统计涨落。 核能量损失歧离。 多次小角度散射（各离子不同） 几何歧离，探测器立体角和束斑非无限小。 表面和界面粗糙,电子能量损失歧离,玻尔理论：离子穿过固体样品时,同大量电子碰撞后产

25、生的能量分散为高斯分布,入射离子原子序数,靶原子原子序数,穿过靶的深度1018atoms/cm2,能散分布方差KeV2,高斯分布的半高全宽FWHM=2.355Bohr,E0-E,FWHM,能量歧离可加性：,对于化合物AmBn有:,核能量损失歧离,对多种因素造成的能量歧离：,能量歧离随穿过样品深度的变化,能量歧离的存在造成RBS能谱的前后沿变化，同时会造成深度分辨率下降和靶内原子质量分辨率的下降。,2）能量歧离和探测器能量分辨率对能谱的影响,表面主要是探测系统分辨率的影响。深度增大,能量歧离增大,2.6MeV，He，=160 C靶,多次散射的影响,小角度多次散射,随入射深度增大,多次散射几率增加

26、,多次散射对RBS谱低能部分影响明显,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排,三、RBS实验装置,1、一定能量离子束的的产生装置 -加速器 2、离子散射和探测的地方 -靶室 3、背散射离子的探测和能量分析装置 4、放射源RBS,1、加速器,粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置 F = qE = ma 阴极射线管（显像管）是加速器的雏形 加速器实际上是增能器。 W = qe Es ds 粒子能量的单位：电子伏（eV） 1 eV = 1.6021019 J,加速器的构成,高压倍加器,高压倍加器组成：升压变压器、高压电容、高反压整流器,高频

27、高压加速器,高频高压倍压加速器 又称“地那米”加速器(dynami-tron),范德格拉夫(静电)加速器,串列加速器,高压电极电压V一般由高频高压电源或静电高压电源提供，高压电极两端分别接一根真空加速管，高压电极内部有剥离器，用来将正离子转换为负离子，实现二次加速。,能量为Ei的负离子注入前加速管由地电位加速到高压电极，能量增加Vq，经剥离掉n+1个电子后变带n个电荷的正离子，由高压电极加速到地，能量增加nqV。离子最后能量为：,Ei + Vq + nqV = Ei + (1+n)qV,优点：较低电压获得较高能量；离子源和靶室均处于地电位,初始能量,前加速管获得能量,后加速管获得能量,离子源,

28、358型双等离子体离子源,358型双等离子体离子源,860A溅射离子源,高压电源,加速管和剥离器,钢筒与高气压绝缘,为了缩小加速器的尺寸，又防止高压击穿。利用高气压气体能提高击穿强度的特性，加速器放在一个充有6个大气压的SF6气体的钢筒内。,T型钢筒的垂直段是提供高压电极电荷的35kHz Cockroft型高频高压电源。,北京师范大学2X1.7MeV串列加速器,离子源,分析磁铁,高压电源,高压电极,高压罐,加速管,聚焦磁铁,开关磁铁,真空泵,PIXE,RBS,三、RBS实验装置,1、一定能量离子束的的产生装置 -加速器 2、离子散射和探测的地方 -靶室 3、背散射离子的探测和能量分析装置 4、

29、放射源RBS,2）靶室,CONVENTIONAL IBA EXPERIMENTAL SETUP:,三、RBS实验装置,1、一定能量离子束的的产生装置 -加速器 2、离子散射和探测的地方 -靶室 3、背散射离子的探测和能量分析装置 4、放射源RBS,3)RBS离子的探测和能量分析装置,RBS离子的探测和能量分析装置组成: 探测器 前置放大器 主放大器 偏压电源 多道计算机 束流积分仪,RBS电子学系统框图,探测器,金硅面垒探测器,-+,前置放大器,主放大器,V=Q/Cf,线性放大,多道分析器,探测器,前 置,主 放,多 道,Q,V2=AmV1,V1=Q/Cf,三、RBS实验装置,1、一定能量离子

30、束的的产生装置 -加速器 2、离子散射和探测的地方 -靶室 3、背散射离子的探测和能量分析装置 4、放射源RBS,“勇气”号 、“机遇”号火星车车载APXS谱仪（2004年）,4）放射源RBS,勇气和探索者火星车车载APXS示意图,APXS的和x射线能谱,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、总结 六、实验安排,四、RBS技术的应用,杂质总量分析 杂质的深度分布 化合物化学配比测定 表面层厚度的分析 应用于阻止本领和能量歧离的测量,1、杂质总量分析,RBS分析对轻元素基体表面或体内的重元素具有较高的分析灵敏度，因此特别适用于测定微量重元素杂质浓度。,C,

31、B,mCmB,B,C,峰面积A,H0,B,杂质浓度,杂质峰面积,探测器立体角,入射离子数,杂质散射截面,入射离子能量,能谱面积法,入射角,1、杂质总量分析,C,B,mCmB,B,C,A,H0,B,基体能谱前沿高度,多道 分析器道宽,基体能谱比较法,基体核散射截面,基体元素阻止截面,优点：无需精确测量Q，1，,1、杂质总量分析,C,B,mCmB,样品体内杂质含量分析,对于近表面内分布很窄的杂质，仍可以采用上述2种方法。,对于样品体内均匀分布的杂质，可用杂质和基体前沿比较法。,C,B,mCmB,杂质前沿高度,杂质浓度,基体浓度,基体前沿高度,1、杂质总量分析,样品体内均匀杂质含量分析,阻止截面：,

32、因杂质含量低计算能量损失时，仅考虑基体元素,四、RBS技术的应用,杂质总量分析 杂质的深度分布 化合物化学配比测定 表面层厚度的分析 应用于阻止本领和能量歧离的测量,2、杂质深度分布分析,离子注入样品退火前深度分布,注量：由注入杂质峰面积和基体前沿高度比较得到。,投影射程：由杂质峰位置确定：,KASE0,EAS,2、杂质深度分布分析,离子注入样品退火前深度分布,杂质分布：注入离子的射程分布为高斯分布，射程歧离由注入杂质峰半高宽确定。,As峰半高宽,RBS探测系统能量分辨率,能量歧离,As分布引起的能散,FWHM为60KeV, ED由Si峰前沿得到，为22KeV;s可由Bohr理论得到，为7.5

33、KeV， ERp=55.3KeV,射程分布 半高宽:,射程分布标准偏差=Rp/2.355=50nm,2、杂质深度分布分析,离子注入样品退火后深度分布,通过将能量坐标换成深度坐标，产额换算成浓度可得到深度分布曲线。,四、RBS技术的应用,杂质总量分析 杂质的深度分布 化合物化学配比测定 表面层厚度的分析 应用于阻止本领和能量歧离的测量,3、化合物化学配比测定,1）前沿高度比较,用到m,n。可用迭代法求化学配比。三次迭代足够！,=1,阻止截面的计算中要,3、化合物化学配比测定,很少遇到上述的自支撑两元化合物薄膜。多数情况下是衬底材料上化合物薄膜的分析。 例如右图为Si衬底上氮化硅薄膜。 用迭代的高

34、度比较法得到。硅和氮的化学配比为o.74。即Si3N4,H0，N,H0，Si,例如：半导体材料SiGe合金的分析,Si,SiO2,SiGe合金,Ge,SiGe中Si,SiO2中Si,Si衬底,O,160度,Ge前沿高为：Si前沿高为： 迭代二次得到Si,Ge比为： 通过将能量坐标换成深度，产额比换算化学配比，可获得SiGe化学配比及其深度分布。,3.6MeV Li+束,2）多元素样品,右图为陶瓷玻璃（CG）RBS能谱。元素X和O的原子比为：,取：,可得各元素与氧元素原子比的一级近似。代入：,迭代,3）薄膜界面分析,Si,Fe,Ar, Xe and Au ions,FexSiy,Ion ener

35、gy 100-700 keV,Fluence 1x1015-2x1016 ions/cm2,Liquid nitrogen room temperature,离子束混合：用重离子轰击样品表面，可使薄膜与基体，或薄膜之间的界面上形成原子混合层。,离子束混合,Si,Fe,四、RBS技术的应用,杂质总量分析 杂质的深度分布 化合物化学配比测定 薄膜厚度的分析 应用于阻止本领和能量歧离的测量（略）,4、薄膜厚度的分析,1）薄膜的厚度很薄（几百埃以内），可将薄膜作为衬底表面的污染用污染总量的分析方法来处理。 2）能谱宽度度法膜厚分析,对不同情况可采用前面介绍的近似方法来求阻止截面，并得到薄膜厚度。,单元

36、素薄膜,薄膜很薄时，峰的宽度受系统能量分辨率和能量歧离影响较大，宜用能谱面积，薄膜厚时，散射截面随深度的变化不可忽略，宜用能谱宽度。,多元素和多层膜,表面能量近似下：,可根据谱形采用不同的近似方法计算阻止截面,右图是在硅衬底上热氧化生长的SiO2薄膜的RBS能谱。表面能量近似下用Si和O峰宽度得到SiO2的厚度分别为1.16和1.12 (1018分子/cm2),前面介绍的能量损失比计算散射前能量E的方法以前常用于多层膜分析中，用来确定在不同界面处散射前的能量。但现在多用软件拟合直接得到各层膜厚。,Li束深度分辨率好,内容:,一、引言 二、RBS分析原理 三、RBS实验装置 四、RBS应用 五、

37、总结 六、实验安排,五、总结,RBS原理 运动学因子质量分辩，定性分析 散射截面灵敏度，定量分析 能量损失深度分辨率，深度分布分析 RBS装置 加速器离子束产生与传输 靶室 探测系统 RBS应用 杂质总量及其深度分布离子注入样品 薄膜厚度 化合物化学配比,谢谢！,RBS实验,1、实验步骤 1）了解实验设备和实验样品 2） 安装样品 3）靶室抽真空 4）探测器加偏压 5）对准样品1 6）采集样品1的背散射谱，并记录对应束流积分 7）对准样品2 7）采集样品2的背散射谱，并记录对应束流积分,2、RBS数据处理 1）RBS探测系统能量刻度 何谓能量刻度？ 把探测系统采集到的RBS能谱的横坐标由“道数

38、”换算成背散射离子的“能量”。 方法： 一般放大器线性很好，道数和能量是线性关系。找到2个能量已知的道数，写出能量和道数的线性方程即可。 你知道哪个道数的能量？,KwE0,ChanW(W峰前沿半高)，能量KwE0,同样，可以得到ChanGe及其对应能量KGeE0，和Al的前沿半高道数和能量。 这样就可以写出道数和能量之间的线性方程。 强调：样品表面元素！,2、RBS数据处理 2）RBS谱数据处理 由谱数据解析方法计算出W膜的厚度 利用SIMNRA软件解谱得到W膜厚度,E,对称能量近似,不同元素对锂离子的阻止截面（）,查表可得：,利用SIMNRA软件解谱得到W膜厚度,RBS实验室位置,科技园，核

39、学院南楼串列加速器实验室,科技园,七、轻元素分析非卢瑟福散射,共振散射分析 质子弹性散射分析（PESA） 弹性反冲分析（ERD）,1、共振散射分析,粒子共振散射,共振散射截面大，分析灵敏度大大提高，弥补了RBS对轻元素不灵敏的不足。,1、共振散射分析,质子共振散射,1740KeV,34700KeV,2、质子弹性散射分析（PESA）,对于质子弹性散射,样品中不同质量的原子散射出的质子能量，与入射质子能量的关系： PESA：2 3MeV质子轰击薄样品，通过在前角(通常3060度)探测弹性散射质子能谱来测量样品中的氢及其同位素含量。,气溶胶样品PESA分析,C、N、O.,H,3、弹性反冲分析（ERD

40、）,探测入射重离子与样品中轻元素原子核发生弹性碰撞时，前向反冲出来的轻元素杂质原子，可以确定轻元素的含量及深度分布。这种分析方法称为弹性反冲分析（Elastic Recoil -ERD） 1) 弹性反冲运动学因子,反冲粒子能量,入射离子能量,弹性反冲运动学因子,入射离子质量,反冲粒子质量,反冲角,入射离子越重，Kr随M变化越快，质量分辨率越高。 越小质量分辨率越高 前角区即有反冲粒子又有散射离子，要探测轻的反冲粒子，必须在探测器前加吸收膜，将重离子吸收掉。 常用入射离子有4He，12C，16O，36Cl，79Br等。 分析的反冲原子为1H，2D，3T，4He等。,3、弹性反冲分析（ERD）,2) 弹性反冲截面,3) 深度分析,透射几何,散射几何,ERD深度分辨率,ERD spectrum from a thin, 200 , deuterated polystyrene film,J. Russel, Mat. Sci. Eng. R 38 (2002) 107.,