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1、第二节 离子束与材料的相互作用 由于离子的质量和半径与材料中原子的 质量和半径相当，入射离子与原子(核)的 碰撞几率很大，动量和能量的转移也很 大。 一 散射能量为数千电子伏的一次离子，与材料 中原子的相互作用时间低于1ps。常用入 射离子束流密度远小于 103A/cm21010/cm2ps，而材料表面原 子的密度约为31014/cm2，因此可以认 为离子对原子的作用不重叠。 所谓不重叠不重叠指可以将碰撞看成在两个孤 立粒子间发生。 离子束散射必然伴随有电子的非弹性碰 撞，因此两次碰撞间有能量损失，离子 的能量损失取决于碰撞过程和碰撞之间 所经历的路程。1 弹性散射两个粒子1和2，质量和 原子
2、序数为M1、Z1和 M2、Z2，离子1以速度v0和能量E0=M1v02/2向 静止的原子2运动并发生弹性碰撞，显然，俩 粒子的总能量和总动量守恒。设离子出现在 散射方向2的几率为p，根据卢瑟福散射公式 pZ12Z22e4/16E02sin4 (3-8)M1,Z1,E0M2,Z2k2E02 上式表明粒子弹性散射的两大特点： 散射几率正比于Z1和Z2的平方，因此，当入射离子由H+变为He+时，散射几 率增加4倍； 散射几率正比于1/sin4，强烈依赖于 散射角2， 2=90o的散射几率为 2=180o的4倍。散射后离子的能量为：E1=k2E0 (3-9) 其中：k2=(M22-M12sin22)1
3、/2+M1cos222/(M1+M2)2(3-10)当2=90o时，k2=|M2-M1|/(M1+M2)。碰撞以 后离子的能量损失与靶原子的质量有关，与 轻元素靶原子碰撞的能量损失比与重元素靶 原子碰撞的能量损失大。 2 非弹性碰撞离子在固体中传播时被电子非弹性碰撞产生 的能量损失率称为固体对离子的阻止功率， 它与离子的种类、能量及样品的成分有关。 单位为eV/(1015原子/cm2)。即离子在固体中 传播时，每通过包含1015原子/cm2的层厚所 损失的电子电子伏能量。 入射离子的能量损失曲线与入射电子的能量 损失曲线类似(图3-2)二 溅射与二次离子 1 离子溅射：入射离子轰击固体时，会直
4、 接 或间接迫使固体表面许多原子运动，此过 程 称为级联碰撞级联碰撞。当表面原子获得足够能量 和 动量而背离表面运动时，就引发表面粒子 (原子、离子、基团)发射，称为溅射溅射。 离子溅射可用来剥蚀样品，配合俄歇电子 能 谱分析可确定样品成分随深度的变化情况 ， 即材料的纵深剖析纵深剖析。描述剥蚀快慢的物理量叫作溅射产额溅射产额(Y) 。 其定义为溅射出的粒子数(Ns)与入射离子 数(N0)的比值:Y= Ns/ N0 (3-11) 纵深剖析的关键是要保证精确地分层剥蚀 ，因此要求入射离子强度J：离子 /(cm2s)在溅射区内均匀一致。单位时间内的剥蚀深度称为剥蚀速率剥蚀速率v vZ Z。 设样品
5、的原子浓度为N(原子/cm3)，则有 ： N0=JS； Ns=NvZS。vZ= Ns/NS= NsJ/N0N=YJ/N (3- 12) 对于给定的样品(N已知)和确定的条件(J 一 定)，测出vZ便能确定Y； 溅射产额的理论估计可自己看看，不要 求掌握。2 二次离子 溅射出去的粒子可以以原子、离子和基团的 形式存在。不同形式的粒子间的比率与入射 离子的性质有关，也受样品本身性质和表面 状态影响。 溅射出去的离子或离子态基团称为二次离子二次离子 。 收集分析二次离子得到二次离子质谱，可用 于同位素分析、微区分析、纵深剖析、界面 分析和三维实时成像等。第四章 材料现代分析方法概述 第一节 一般原理
6、 通过对表征材料理化性质的各种参数极其 变 化量(称为测量信号)的收集、处理来了解和 掌握材料的成分、结构(包括结构缺陷)及微 观形貌等内容。 采用不同测量信号便形成不同的分析方法 。 基于电磁辐射及运动粒子束与物质的相 互作用的各种性质建立起来的各种分析 方法已成为材料现代分析方法的主要组 成部分，大体分为：光谱分析、电子能 谱分析、衍射分析和电子显微分析等四 大类。 基于其他物理性质或电化学性质与材料 的特征关系建立起来的色谱分析、质谱 分析、电化学分析及热分析等方法也是 材料现代分析的重要方法。 所有分析方法的分析、检测过程都可以 大体分为信号发生、信号检测、信号处 理和信号读出四个步骤
7、；相应的分析仪 器则由信号发生器(产生原始信号)、检测 器(将原始信号转换为可检测信号并检测) 、信号处理器(将被测信号放大、运算、 比较后传到读出装置)和读出装置(将处理 后的信号转变为可被人认知的形式显示 或记录下来)四部分组成。第二节 衍射分析方法概述 衍射分析方法以材料结构分析为基本目 的。电磁辐射或运动粒子束与材料相互 作用产生相干散射，相干散射波相长干 涉形成衍射波衍射波。衍射是材料衍射分析的 技术基础，衍射分析包括X射线衍射分 析、电子衍射分析和中子衍射分析等方 法。 一 X射线衍射分析(XRD): 在产品检验、原 材料的质量标准或生产过程的中间控制分析 中日渐普及。在耐火材料厂
8、定量测定耐火硅 砖里鳞石英、方石英和残余石英（它们的化 学式都是SiO2）的含量必须使用X射线衍射 仪。球状氢氧化镍是生产镍镉电池的原料， 它的一项重要的质量指标：氢氧化镍101衍 射峰的半高宽必须使用X射线衍射仪测定。 钛白粉的XRD分析是例行分析。钢铁材料中 残余奥氏体的测定标准方法是X射线衍射法 。道路或工程基础施工、地质勘探、石油找 油打井都需要对地质岩心进行X射线衍射分 析。对翡翠、田黄的鉴定中，X射线衍射仪 方法是权威的方法。 *材料的结构包括：元素组成、成分 (composition),构造、组织 (constitution),结构(structure), 状态 (state)；
9、狭义的“结构”，又分为微观、 介观与宏观结构(micro-，mesoscopic and macro- structure), 包括电子结构 、晶体结构，各种缺陷结构，结构应变 ，晶粒尺寸，结晶度，材料的织构等等 。表达这种种结构的参量都可能用X射 线衍射分析方法得到。 X射线照射晶体时，晶体中的电子受迫 振动产生电子相干散射电子相干散射，同一原子内的 各电子散射波相互干涉形成原子散射波原子散射波 ，各原子散射波相互干涉在某些方向一 致加强，形成晶体衍射波晶体衍射波( (线线) )。 衍射方向(用入射线与衍射线的夹角2表 示)和衍射强度是衍射波的两个基本参量 。产生衍射的晶面间距dHKL及入射
10、线波 长和衍射方向遵从布拉格方程布拉格方程： 2dHKLsin= (4-1)晶体衍射分类： 单晶样品： 1 劳埃法：复合X光照射不动的样品，用平板 底片记录衍射结果。设备称劳埃相机。 2 周转晶体法：单色X光照射转动的样品，用 圆柱形底片记录衍射结果。(应用较少) 多晶样品： 1 德拜法：单色X光照射圆柱形多晶样品，用 圆柱形底片记录衍射结果。设备称德拜相机。X射线劳厄相机和德拜相机晶体分析仪 ABCDLS22=180-2A:光栏；B:样品架；C:样品；S:铅块；D:样品至 底片距离；L:劳埃斑至中心斑距离。 劳埃相机示意图德拜相机一例(周转晶体法适用) 图 7 : 德拜相机结构示 意图 1-
11、圆筒相盒， 2-样品夹， 3-X射线入口（入射光 阑），4-荧光屏 单色x射线辐照在粉末 晶体样品上，产生的衍 射条纹由胶片记录，胶 片上记录的衍射条纹的 位置和强度可用于粉末 晶体结构分析。样品入射束前光栏后光栏荧光屏铅玻璃底片德拜相机示意图 2 衍射仪法：衍射仪由单色光源、测角 仪、检测器(记数管)、辐射测量电路(信 号处理器)及读出部分组成。它用单色光 照射多晶平板样品，检测器与样品保持 2:1角速度同步转动，扫描接收衍射线并 转换为电信号，通过信号处理后记录或 显示出强度-方位曲线(I-2曲线)。 衍射仪法已经取代德拜法成为衍射分析 的主要方法。X射线衍射仪一例 2HGDOMFCSC:记数管D:样品F:接受光栏G:大转盘H:样品台M:入射光栏O:测角仪中心S:线状光源X射线衍射仪(测角仪)结构示意图 四圆测角仪：是综合了衍射仪法和周转单晶 法的优点发展起来的单晶体结构分析仪器。 特点是样品可 在三维空 间转动， 是单晶体 结构分析 的最有效 方法。
