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1、固体的表面与界面期末考试作业姓名 1： 徐京 学号 1：200907120055 姓名 2： 关洪波 学号 2：200907120050 论文题目： 出现电势谱（APS） Appearance Potential Spectroscopy 出 现 电 势 谱摘 要 ： 粒 子 束 与 表 面 作 用 后 ， 将 产 生 丰 富 的 信 息 ， 如 电 子 、 光 子 和 离 子 的 发射 ， 它 们 都 可 以 作 为 表 面 分 析 的 依 据 。 电 子 束 的 能 量 可 以 由 加 速 电 压 精 确 控制 ， 其 聚 焦 方 法 简 单 ， 固 体 材 料 对 电 子 束 的 非 弹
2、 性 散 射 很 大 ， 而 且 其 能 有效 地 被 各 种 仪 器 所 检 测 和 计 算 ， 电 子 束 分 析 设 备 比 离 子 束 简 单 ， 所 以 电 子 束已 经 成 为 最 常 规 方 法 之 一 1。 出 现 电 势 谱 就 是 电 子 束 分 析 技 术 的 一 种 重 要 方法 。关 键 词 ： 电 子 束 信 息 表 面 分 析 出 现 电 势 谱Appearance Potential SpectroscopyAbstract：Due to the interaction between particle beam and the surface of mater
3、ial , a wealth of information will be produced. such as electron, photon and ion, their emission can be used as the basis of surface analysis. Electron beam energy can be precisely controlled by the accelerating voltage, its focus method is simple,and solid material has a strong effect on the electr
4、on beam,whats more, the inelastic scattering between them can be effectively detected and calculated by the various instruments, electron beam analysis equipment is more simple than the ion beam equipment.Therefore, the electron beam has become one of the most conventional method . Appearance potent
5、ial spectroscopy is an important method.of Electron beam analysis techniques.Key words:electron beam information surface analysis APS 1.引 言表 面 科 学 是 上 世 纪 70 年 代 才 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 学 科 ， 主 要 包 括 表 面 物 理 、 表 面化 学 和 表 面 技 术 三 方 面 。 其 是 一 门 综 合 性 的 学 科 ， 涵 盖 学 科 知 识 面 广 ， 是 当 代 材 料 学 重要 部 分 。 近 年 来 ，
6、表 面 科 学 得 以 能 够 迅 猛 发 展 ， 原 因 之 一 就 是 上 世 纪 50 年 代 实 现 了超 高 真 ， 并 在 此 基 础 上 60 年 代 以 来 发 展 了 各 种 能 谱 技 术 。 表 面 与 界 面 物 理 作 为 表 面科 学 的 核 心 方 向 ， 广 泛 地 与 晶 体 学 、 冶 金 金 属 学 、 电 化 学 、 半 导 体 技 术 和 石 油 化 工 技 术以 及 低 温 技 术 紧 密 结 合 起 来 。然 而 ， 作 为 表 面 科 学 的 研 究 手 段 ， 表 面 技 术 是 发 展 表 面 科 学 的 前 提 保 证 ， 表 面 分析 技
7、 术 的 发 展 才 使 表 面 科 学 成 为 可 能 。 所 以 ， 表 面 技 术 的 探 究 和 发 现 是 具 有 十 分 重 要 意义 的 。 目 前 ， 人 们 在 研 究 表 面 与 界 面 时 最 常 用 的 手 段 有 电 子 束 技 术 和 电 子 能 谱 ， 离 子束 技 术 以 及 其 他 表 面 分 析 技 术 。 在 电 子 束 技 术 方 面 ， 有 很 多 方 法 常 常 被 采 用 在 表 面 科学 各 个 领 域 ， 其 中 重 要 研 究 方 法 有 低 能 电 子 衍 射 （ LEED） 、 高 能 电 子 衍 射 （ HEED） 、X 射 线 光 电
8、 子 能 谱 （ XPS） 和 紫 外 线 光 电 子 能 谱 （ UPS） 等 ； 离 子 束 技 术 方 面 常 见 的 方法 有 离 子 散 射 谱 （ ISS） 、 二 次 离 子 质 谱 （ SIMS） 、 离 子 中 和 谱 （ INS） ， 还 有 场 离 子显 微 镜 （ FIM） 等 等 2。 上 述 各 种 方 法 各 自 具 有 不 同 的 分 析 功 能 和 特 点 ， 在 实 际 科 研 中根 据 具 体 的 实 验 要 求 和 条 件 而 采 用 不 同 的 方 法 。 本 文 中 将 讲 到 的 “出 现 电 势 谱 ”就是 电 子 束 技 术 和 电 子 能 谱
9、 中 的 方 法 之 一 。2.出 现 电 势 谱 （ appearance potential spectroscopy）2.1 物 理 原 理表 面 分 析 用 芯 能 级 谱 的 一 个 大 类 。 简 称 APS。 以 一 定 能 量 的 电 子 束 入 射 到 固 体 表面 ， 入 射 电 子 使 原 子 的 内 层 电 子 激 发 而 出 现 空 位 ， 测 量 产 生 空 位 所 需 的 最 低 能 量 （ 对 应入 射 电 子 的 最 低 加 速 电 势 ） 。 空 位 的 产 生 可 通 过 填 补 这 个 空 位 所 涉 及 的 俄 歇 过 程 或 发 射软 X 射 线 过
10、 程 来 探 测 ， 前 者 称 俄 歇 出 现 电 势 谱 ， 后 者 称 软 X 射 线 出 现 电 势 谱 。 俄歇 电 子 或 软 X 光 子 的 能 量 与 原 子 的 壳 层 结 构 有 关 ， 并 因 元 素 而 异 ， 故 利 用 出 现 电 势 谱可 鉴 别 原 子 种 类 。 通过逐渐增强入射电子束的能量，测量试样被激发的射线或俄歇电子能量的变化以分析试样表面成分、元素电子束缚能、表面电子结构的电子能谱法。它 用 能 量 逐 渐 增 长 （ 50 1500 电 子 伏 ） 的 电 子 轰 击 固 体 表 面 ， 并测定次级粒子的产额。当入射电子的能量 E0 超过某一阈值（相
11、当于某一出现电势）时，就有可能激发固体原子，使某一芯能级 EB 上的电子跃迁到费密能级 E0 以上空带中的某一位置，而在该能级上留下空穴，如图 1 所示；然后在退激发（电子重新落入空穴）时将产生俄歇电子或相当于芯能级束缚能(EB-E 0)的标识 X 射线,如图 2 所示。因此测定次级粒子流强度 I 与入射电子能量 E0 之间的关系就可以得到一种相当于测定芯能级束缚能的谱，可用作元素分析以判明固体表面的成分。由于不同元素的各个芯能级束缚能相差很大，所以 APS 的谱线清晰易读，不会发生混淆；加以不需要能量分析器，仪器结构比较简单，所以是一种很有用的表面分析方法。 3 32.2 概 述可以按所测粒
12、子的种类分为“软 X 射线出现电势谱(SXAPS)”和“俄歇电子出现电势谱(AEAPS)”两种。前者灵敏度较低，一般需要毫安级的入射电子流，因而用于测定较深的芯能级（束缚能500eV）时，可能会在样品表面造成损伤。后者灵敏度较高，只需要 10 A左右的入射电子流，损伤可以忽略，但缺点是较低能量(300eV)的电子出射时会由于固体原子的衍射而产生附加信息，干扰正常谱的读出。所以合理的办法是在较低能量时用SXAPS 而在较高能量时用 AEAPS。从理论上说来，入射粒子也可以采用适当（相当于软 X 射线波段）的光子，这样可完全避免对样品表面的损伤 但鉴于单色性良好的 X 射线源(例如同步辐射)目前尚
13、不普遍，有人就使用能量渐变的电子轰击金属靶所产生的赝单色 X 射线源作为入射粒子，而测定俄歇电子的产额 这就是所谓“X 射线光电子出现电势谱(XPAPS)” 。但实验结果表明这种方法的灵敏度很低，不适于一般的表面分析。然而，如用某一元素的标识 X 射线来照射另一个表面含有这一元素的样品，则后者所对应的芯能级上的电子会产生共振跃迁，而在退激发时再产生俄歇电子。具体的作法是把同一固体材料分为两块：一块作为受电子轰击的 X 射线管阳极（靶） ，另一块作为被测样品。逐渐改变阳极电压至某一阈值（出现电势）而测定样品的出射电子产额，可得到“共振光电子出现电势谱(RPAPS) ”。由于共振跃迁具有选择性滤波
14、功能，因此 RPAPS 的灵敏度和分辨率都优于一般的出现电势谱,只是样品的制备要略为复杂一些。2.3 设 备在 出 现 电 势 谱 实 验 中 ， 采 用 的 实 验 仪 器 是 出现电势谱仪，它是测量出现电势谱的能谱仪（appearance potential spectrometer） 。在 分 析 时 ， 将 试 样 作 为 阴 极 靶 ， 改 变 阴 极 电 位 ， 当 轰 击 靶 的 电 子 达 到 一 定 值 时 ， 样品 上 出 现 带 有 特 征 的 X 射 线 荧 光 ， 把 阴 极 电 位 （ 电 子 束 的 势 能 ） 和 X 射 线 的 强 度 作 成图 谱 即 得 到
15、 APS。 为 了 消 去 背 底 噪 音 ， 通 常 采 用 电 势 调 制 技 术 ， 实 际 的 APS 谱 是 软 X射 线 强 度 的 二 阶 导 数 与 外 加 电 压 关 系 。 目 前 已 观 察 到 出 现 电 势 的 元 素 有 铍 、 镁 、 硼 、 氮 、铅 和 硫 等 三 十 多 种 。APS 可 以 确 定 靶 材 料 的 表 面 组 分 ， 测 定 束 缚 能 、 空 带 能 态 密 度 和 表 面 原 子 的 电 子 结构 等 。 APS 设 备 较 简 单 、 成 本 低 ， 这 是 与 离 子 束 表 面 分 析 法 相 比 的 优 点 。 目 前 它 已
16、成为 研 究 金 属 或 合 金 偏 析 、 氧 化 、 腐 蚀 、 催 化 等 物 理 化 学 过 程 的 有 力 工 具 之 一 4。2.4 谱 分 析由阴极发射的电子经加速与表面作用后，如果它的能量不足以把芯电子撞出来，但它把芯电子撞到倒带中距费米能为 2 的某一空态处。而自己也被束缚在距费米能 1 的空态处，则下式成立:qV+q=EB+2+1 其中，EB 是电子结合能，V 是阴极电势， 为阴极功函数；当芯电子和电子束电子都处在费米能级时，1=2=0,这时仍有 X 射线发射，对应的加速电压是 Va,则得到：qVa+q= EB或 qVa= EB-q式中 Va 是临界电压，当 VVa 时，就没有 X 射线发射出。故临界电压与电子结合能直接有关。已经发现，
