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1、其他的显微分析方法材料测试分析技术离子探针显微分析IMMA 离子探针显微分析（IMMA，Ion Microprobe Mass Analysis）是一种利用 质谱仪对从固体样品表面激发的二次离 子进行元素分析的装置。离子探针显微分析离子探针显微分析是利用离子源产生的一次离 子加速形成能量为110KeV的离子束，然后 将其打向样品表面产生的正、负二次离子引入 质谱仪，经放大后记录下荷质比（me）及其 强度并根据荷质比和强度进行元素的定性和定 量分析。 使用离子探针显微分析可进行如下分析：同 位素分析；轻元素高灵敏度分析；极薄表 面（约101000）的分析；在给定适当条 件后，可作包括纵向的三维分
2、析。使用离子探针作薄膜组分的定性或定量 分析时，为消除样品表面污染和吸附的 影响，应加大一次离子束进行刻蚀，然 后再缩小离子束斑直径进行分析。在作 纵向分析时，应考虑纵向分辨率、浓度 测定、灵敏度和三维观察等各因素，必 须严格控制测量条件。离子探针显微分析仪探测离子扫描像的 能力较高，所以当某些元素分布采用 EPMA的特征X射线像所得衬度不好或难 以探测时，采用离子探针显微分析法可 获得满意的结果。 低能电子衍射LEED晶体中的原子对能量在0500 eV范围内的电子有很大的散射截面，入射电子在经受弹性或非弹性散射之前是不能进入 晶体很深的。因此，背散射电子中绝大 部分是被表面或近表面的原子散射
3、回来 的，这就使低能电子衍射成为研究表面 结构的一个理想的手段。晶体表面的原子排列气相沉积表面膜的生长氧化膜的形成气体吸附和催化俄歇电子能谱分析 AES俄歇电子能谱分析（AES，Auger Electron Spectroscopy）是利用入射电子 束使原子内层能级电离，产生无辐射俄 歇跃迁，俄歇电子逃逸到真空中，用电 子能谱仪在真空中对其进行探测的一种 分析方法。在薄膜材料化学成份的分析方面，俄歇电子能 谱是应用最为广泛的分析方法，它能对表面5 20范围内的化学成份进行灵敏的分析，分 析速度快，能分析从LiU的所有元素，不仅 能定量分析，而且能提供化学结合状态的情况 。进行薄膜材料的纵向成份
4、分析时，可用氩或 其它惰性气体的离子对试样待分析部分进行溅 射刻蚀，同时进行俄歇电子能谱分析，从而得 到薄膜材料沿纵向的元素成份分布。场离子显微镜(FIM)把金属样品做成针尖状，然后加正电压，在针 尖周围充以低压惰性气体，气体的电子可通过 隧道效应进入样品费密能级以上的空态，带正 电的离子被针尖场所斥，打在荧光屏上并显示 出一定的图样，这个图样可提供有关表面分子 电离、化学反应、分解以及蒸发的信息。在场 离子显微镜的荧光屏上开一小孔，并将它与飞 行时间质谱仪相结合，则构成原子探测束。由于表面可被看为破坏了点阵周期性的缺陷， 因此表面的原子具有和体内原子不同的振动模 式。当表面有分子的覆盖层，通
5、过研究这些覆 盖层的振动模式可以测定吸附分子的结构，确 定分子在表面的吸附位置。 通过观察某些振动模式的激发，可以得到吸附 分子相对于衬底的取向，研究频率随覆盖度的 变化，可以了解覆盖层的横向相互作用。可以 用红外反射谱、高分辨电子能量损失谱和非弹 性电子隧道谱来研究表面的振动。扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（STM）的基本原理是 利用量子理论中的隧道效应 。将原子线 度的极细探针和被研究物质的表面作为 两个电极，当样品与针尖的距离非常接 近时（通常小于1nm），在外加电场的作 用下，电子会穿过两个电极之间的势垒 流向另一电极 。这种现象即是隧道效应 。 隧道电流强度对针尖与样品表面
6、之间距非常敏 感，如果距离 S 减小0.1nm，隧道电流 I 将增加 一个数量级，因此，利用电子反馈线路控制隧 道电流的恒定，并用压电陶瓷材料控制针尖在 样品表面的扫描，则探针在垂直于样品方向上 高低的变化就反映出了样品表面的起伏。将针 尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接在荧光屏 或记录纸上显示出来，就得到了样品表面态密 度的分布或原子排列的图象。 图1 扫描模式示意图（a）恒电流模式；（b）恒高度模式S 为针尖与样品间距，I、Vb 为隧道电流和偏置电压 ，Vz为控制针尖在 z 方向高度的反馈电压。 样品表面原子种类不同，或样品表面吸附有原 子、分子时，由于不同种类的原子或分子团等 具有不同的电
7、子态密度和功函数，此时扫描隧 道显微镜(STM)给出的等电子态密度轮廓不再 对应于样品表面原子的起伏，而是表面原子起 伏与不同原子和各自态密度组合后的综合效果 。扫描隧道显微镜(STM)不能区分这两个因素 ，但用扫描隧道谱（STS）方法却能区分。利 用表面功函数、偏置电压与隧道电流之间的关 系，可以得到表面电子态和化学特性的有关信 息。分辨率工作环境样品环境 温度对样品破 坏程度检测深度STM原子级 （垂直0.01nm ） （横向0.1nm）实环境、 大气、溶液 、真空室温 或低温无12原子层TEM点分辨 （0.30.5nm） 晶格分辨 （0.10.2nm）高真空室温小接近扫描电镜，但实际上为
8、样 品厚度所限，一般小于100nmSEM610nm高真空室温小10mm（10倍时） 1m（10000倍时）FIM原子级超高真空30-80K有原子厚度原子力显微镜(AFM)原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学 的Quate 于一九八五年所发明的，其目的 是为了使非导体也可以采用扫描探针显微 镜（SPM）进行观测。 原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最 大的差别在于并非利用电子隧道效应，而是利用原子 之间的范德华力（Van Der Waals Force）作用来呈现 样品的表面特性。假设两个原子中，一个是在
9、悬臂（ cantilever）的探针尖端，另一个是在样本的表面，它 们之间的作用力会随距离的改变而变化，当原子与原 子很接近时，彼此电子云斥力的作用大于原子核与电 子云之间的吸引力作用，所以整个合力表现为斥力的 作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥 力的作用小于彼此原子核与电子云之间的吸引力作用 ，故整个合力表现为引力的作用。若以能量的角度来 看，这种原子与原子之间的距离与彼此之间能量的大 小也可从Lennard Jones 的公式中到另一种印证。 在原子力显微镜的系统中，是利用微小探针与 待测物之间交互作用力，来呈现待测物的表面 之物理特性。所以在原子力显微镜中也利用斥 力与吸引力
10、的方式发展出两种操作模式：（1）利用原子斥力的变化而产生表面轮廓为接 触式原子力显微镜（contact AFM ），探针与 试片的距离约数个。 （2）利用原子吸引力的变化而产生表面轮廓为 非接触式原子力显微镜（non-contact AFM ） ，探针与试片的距离约数十个 到数百个。 X射线光电子能谱分析XPS X射线光电子能谱分析（XPS，X-ray Photoelectron Spectroscopy）是利用X射线 源产生很强的X射线轰击样品，从样品中激发 出电子，并将其引入能量分析器，探测经过能 量分析的电子，作出X射线对能量的分布图 X射线光电子能谱。它可以用于区分非金属 原子的化学状态和金属的氧化状态，所以又叫 做“化学分析光电子能谱法（ESCA，Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。利用XPS可以进行除氢以外全部元素的定 性、定量和化学状态分析，其探测深度 依赖于电子平均自由程，对于金属及其 氧化物，探测深度为525。XPS的绝对 灵敏度很高，是一种超微量分析技术， 分析时所需样品很少，一般10的8次方 克左右即可，因此XPS是薄膜材料最有效 的分析手段之一。
