《其他显微分析技术ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《其他显微分析技术ppt课件（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 7 章其他显微分析技术离子探针分析仪离子探针分析仪IMAIMA二次离子质谱仪二次离子质谱仪SIMSSIMS俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪(AES)(AES)X X射线光电子谱仪射线光电子谱仪XPSXPS扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STMSTM原子力显微镜原子力显微镜AFMAFM场离子显微镜场离子显微镜FIMFIM原子探针原子探针APAP7.1 7.1 离子探针显微分析离子探针显微分析离子探针仪是利用电子光学方法把惰性气体等初级离子加离子探针仪是利用电子光学方法把惰性气体等初级离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品外表，使之激发和速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品外表，使之激发和溅射二次离子
2、，经过加速并进展质谱分析。溅射二次离子，经过加速并进展质谱分析。不同元素的离子具有不同的荷质比不同元素的离子具有不同的荷质比e/me/m，据此可描出离子，据此可描出离子探针的质谱曲线，因此，离子探针可进展微区成分分析。探针的质谱曲线，因此，离子探针可进展微区成分分析。分析区域可降低到分析区域可降低到1-2um1-2um直径和直径和5nm5nm的深度，大大改善外的深度，大大改善外表了外表成分分析的功能。表了外表成分分析的功能。 离子探针是一种微区成分分析仪器。离子探针是一种微区成分分析仪器。分析原理：分析原理： 1. 仪器构造与分析原理初级离子的产生与聚焦初级离子的产生与聚焦初级离子与样品的相互
3、作用初级离子与样品的相互作用二次离子分类、记录二次离子分类、记录 离子源产生的离子经过扇形磁铁偏转后进入电磁透镜聚焦构成细小的初级离子束。 初级离子束轰击样品产生等离子体，并有样品的二次离子从样品外表逸出。 二次离子采用静电分析器和偏转磁场组成的双聚焦系统二次离子采用静电分析器和偏转磁场组成的双聚焦系统对离子分类、记录。对离子分类、记录。二次离子分类、记录二次离子分类、记录初级离子与样品的相互作用初级离子与样品的相互作用初级离子的产生与聚焦初级离子的产生与聚焦圆筒形电容器式静电分析器的的作用：由径向电场产生的向心力，使能量比较分散的离子聚焦。由径向电场产生的向心力，使能量比较分散的离子聚焦。
4、电场产生的向心力电场产生的向心力 离子轨迹半径离子轨迹半径扇形磁铁具有均匀磁场的作用把离子按荷质比把离子按荷质比e/me/m进展分类进展分类 在加速电压为在加速电压为U U下，离子的动能下，离子的动能 由磁场产生的偏转及磁场内离子轨迹半径由磁场产生的偏转及磁场内离子轨迹半径2. 离子探针质谱分析结果底片记录底片记录电子倍增器计数电子倍增器计数谱线强度代表相对含量谱线强度代表相对含量剖面分析。利用初级离子剖面分析。利用初级离子轰击溅射剥层，可获得元轰击溅射剥层，可获得元素浓度随深度的变化素浓度随深度的变化元素面分布分析。与电子元素面分布分析。与电子探针类似探针类似3. 离子探针质谱分析方法7.2
5、 7.2 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪(AES)(AES)1 1电子与样品作用后激发出的俄歇电子特点电子与样品作用后激发出的俄歇电子特点: :1. 1. 分析原理分析原理1) 1)俄歇电子具有特征能量，适宜作成分分析俄歇电子具有特征能量，适宜作成分分析2) 2)俄俄歇歇电电子子的的激激发发体体积积很很小小，其其空空间间分分辨辨率率和和电电子子束束斑斑直直径大致相当，适宜作微区化学成分分析径大致相当，适宜作微区化学成分分析3) 3)俄俄歇歇电电子子的的平平均均自自在在程程很很短短，普普通通在在0.10.12nm2nm范范围围，只只能能浅浅表表层层( (约约几几个个原原子子层层厚厚度度) )内内的
6、的俄俄歇歇电电子子才才干干逸逸出出样样品外表被探测器接纳。适宜作外表化学成分分析品外表被探测器接纳。适宜作外表化学成分分析因此，俄歇电子的最大特点就是能进展外表化学成份分析。因此，俄歇电子的最大特点就是能进展外表化学成份分析。2 2俄歇跃迁及其几率俄歇跃迁及其几率俄歇电子产生的过程：俄歇电子产生的过程： A壳层电子电离，B壳层电子向A壳层空位跃迁，导致C壳层电子发射，即俄歇电子。思索到A电子的电离引起原子库仑电场的改组，使C壳层能级由EC(Z)变成 EC(Z+)，其特征能量为：EABC(Z) = EA(Z) - EB(Z) EC(Z+ ) - EW EW EW 样品品资料逸出功料逸出功 修正修
7、正值EKL2L2 = EK EL2 EL2 - EW 例如原子发射一个例如原子发射一个KL2L2KL2L2俄歇电子，其能量为俄歇电子，其能量为q引起俄歇电子发射的电子跃迁多种多样，有引起俄歇电子发射的电子跃迁多种多样，有K K系、系、L L系、系、MM系等。系等。q俄歇电子与特征俄歇电子与特征X X射线是两个相互关联和竞争的发射过程射线是两个相互关联和竞争的发射过程 ，其相对发射几率，即荧光产额，其相对发射几率，即荧光产额 K K 和俄歇电子产额和俄歇电子产额 K K 满足满足 K K系为例系为例 各种元素在不同跃迁过程中各种元素在不同跃迁过程中发射的俄歇电子的能量见图。发射的俄歇电子的能量见
8、图。俄歇电子产额俄歇电子产额 随原子序数的变化见以下图随原子序数的变化见以下图通常通常Z Z 14 14的元素，的元素，采用采用KLLKLL电子电子 14 Z 4214 Z 42的元素，的元素，采用采用LMMLMM电子电子Z Z 42 42的元素，采的元素，采用用MNNMNN，MNOMNO电子电子 Z15 Z15时，无论时，无论K K、L L、MM系，俄歇发射占优势，因此对系，俄歇发射占优势，因此对轻元素，用俄歇电子谱分析具有较高灵敏度。轻元素，用俄歇电子谱分析具有较高灵敏度。通常通常Z Z 14 14的元素，的元素，采用采用KLLKLL电子电子 14 Z 4214 Z 42的元素，的元素，采
9、用采用LMMLMM电子电子Z Z 42 42的元素，采的元素，采用用MNNMNN，MNOMNO电电子子 2. 2. 俄歇电子的能谱检测俄歇电子的能谱检测 俄歇电子的信噪比S/N极低，检测相当困难，需求特殊的能量分析器和数据处置方法。1 1阻挠场分析器阻挠场分析器RFARFA2 2圆筒反射镜分析器圆筒反射镜分析器CMACMA目前广泛采用来检测目前广泛采用来检测AugerAuger电子的是园筒镜面能量分析器电子的是园筒镜面能量分析器CMACMA灵敏度较灵敏度较RFARFA高高2-32-3个数量级。个数量级。 其其主主体体是是两两个个同同心心园园筒筒；样样品品和和内内筒筒同同时时接接地地；在在外外筒
10、筒上上施施一一可可调调负负偏偏压压，内内筒筒开开有有园园环环状状的的电电子子入入口口和和出出口口。进进入入两两个个园园筒筒夹夹层层中中的的电电子子因因外外筒筒上上的的负负压压而而使使其其方方向向逐逐渐渐偏偏转转，最后经出口进入探测器。最后经出口进入探测器。圆筒反射镜分析器圆筒反射镜分析器CMACMA俄歇谱仪的构造和任务原理俄歇谱仪的构造和任务原理假假设延延续改改动外外筒筒上上的的负电压，就就可可以以使使不不同同能能量量的的俄俄歇歇电子子依依次次检测出出来来。从从而而可可记录到到AugerAuger电子子计数数NENE能量能量E Eevev分布曲分布曲线。在在园园筒筒镜面面能能量量分分析析器器中
11、中还带有有一一个个离离子子溅射射安安装装，用用来来进展外表清理和剥展外表清理和剥层。谱线分析谱线分析 Auger Auger电子的峰子的峰值的能量范的能量范围501500 ev501500 ev间，它和，它和SESE，BEBE等存在范等存在范围不重叠。不重叠。 俄歇电子的记录方式有如下图几种。俄歇电子的记录方式有如下图几种。因因AugerAuger峰高度峰高度较小，当信号小，当信号较弱弱时，在，在NEENEE曲曲线上上AugerAuger峰不明峰不明显，假假设对NEENEE曲曲线进展微分展微分处置，就可得到置，就可得到dNE/dE-EdNE/dE-E曲曲线，此此时，原来，原来较低的俄歇低的俄歇
12、电子峰子峰转化化为一一对双重峰，使双重峰，使AugerAuger峰位和峰位和计数明晰可辨。数明晰可辨。 双重峰极小值处的能量代表双重峰极小值处的能量代表AugerAuger电子特征能量电子特征能量 极大值和极小值差代表极大值和极小值差代表AugerAuger电子计数电子计数 从俄歇峰的能量可进展元素定性分析，根据峰高度可进从俄歇峰的能量可进展元素定性分析，根据峰高度可进展半定量和定量分析。展半定量和定量分析。 3. 3. 应应 用用 1 1金属和合金的晶介脆断金属和合金的晶介脆断 2 2压力加工和热处置后的外表偏析压力加工和热处置后的外表偏析 7.3 7.3 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜STM
13、STM与原子力显微镜与原子力显微镜AFMAFM7.3.1 STM 7.3.1 STM Scanning Tunneling MicroscopeScanning Tunneling MicroscopeSTMSTM是是Gerd BinnigGerd Binnig于于19831983年发明的一种新型外表测试分年发明的一种新型外表测试分析仪器。析仪器。可在大气、真空、液体环境下，在实空间内进展原位动可在大气、真空、液体环境下，在实空间内进展原位动态样品外表的原子组态，也可直接察看样品外表发生的态样品外表的原子组态，也可直接察看样品外表发生的物理或化学反响的动态过程或及反响中原子的迁移过程。物理或化
14、学反响的动态过程或及反响中原子的迁移过程。具有极优良的分辨率。横向分辨率达具有极优良的分辨率。横向分辨率达0.1nm0.1nm，纵向分辨率，纵向分辨率高达高达0.01nm0.01nm。构造简单，对试样尺寸没有任何限制，分析过程不破坏构造简单，对试样尺寸没有任何限制，分析过程不破坏样品的外表构造，用于资料外表构造的直接察看。样品的外表构造，用于资料外表构造的直接察看。2. STM2. STM的任务原理的任务原理 STM STM的任务原理如下图。的任务原理如下图。 STM STM任务时，在样品和针尖间任务时，在样品和针尖间加一定电压，当样品与针尖间的间隔小于一定值时，由加一定电压，当样品与针尖间的
15、间隔小于一定值时，由于量子隧道效应，样品与针尖间产生隧道电流。于量子隧道效应，样品与针尖间产生隧道电流。A-A-具有原子尺度的针尖；具有原子尺度的针尖；B-B-被分析样品；被分析样品； STM任务时，在样品和针尖间加一定电压，当样品与针尖间的间隔小于一定值时，由于量子隧道效应，样品与针尖间产生隧道电流。在低温低压下，隧道电流在低温低压下，隧道电流I I可近似表达为可近似表达为式中，式中，I-I-隧道电流；隧道电流；d-d-样品与针尖间的间距；样品与针尖间的间距；k-k-为为常常数数，在在真真空空隧隧道道条条件件下下，与与有有效效部部分分功功函函数数 有关，可近似表示为有关，可近似表示为STMS
16、TM任务时，样品与针尖间隧道电流的准确表达为：任务时，样品与针尖间隧道电流的准确表达为：M - 隧道矩阵元；隧道矩阵元；f(E) - 费米函数；费米函数；U - 跨越能垒的电压；跨越能垒的电压；E - 形状形状的能量；的能量；、 - 针尖和样品外表的一切形状；针尖和样品外表的一切形状； 式中式中M M可表示为可表示为 式中，式中， 为波函数为波函数 由此可见，隧道电流并不是样品外表起伏的简单函数，而由此可见，隧道电流并不是样品外表起伏的简单函数，而是表示样品和针尖电子波函数的重叠程度。是表示样品和针尖电子波函数的重叠程度。 隧道电流隧道电流I I与针尖和样品之间间隔与针尖和样品之间间隔d d以
17、及平均功函数以及平均功函数 之间之间的关系为的关系为式中，式中，Vb-Vb-针尖与样品之间所加的偏压；针尖与样品之间所加的偏压； - -针尖与样品的平均功函数；针尖与样品的平均功函数； A- A-常数，在真空条件，常数，在真空条件， A = 1 A = 1。 由上式计算得，当间隔d减小0.1nm时，隧道电流I将添加一个数量级，即隧道电流对样品外表的微观起伏特别敏感。 STMSTM的任务方式的任务方式 根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同，根据扫描过程中针尖与样品间相对运动的不同，STMSTM的的任务方式可分为：恒电流方式和恒高度方式。任务方式可分为：恒电流方式和恒高度方式。1)1)恒电流方
18、式恒电流方式经过电子反响系统，使针尖随样品外表高低变化而作经过电子反响系统，使针尖随样品外表高低变化而作升降运动，保证针尖与样品间的间隔坚持不变，升降运动，保证针尖与样品间的间隔坚持不变，此时，针尖在样品外表扫描时的运动轨迹直接反映了此时，针尖在样品外表扫描时的运动轨迹直接反映了样品外表态密度的分布。样品外表态密度的分布。而在一定条件下，样品的外表态密度与样品外表的高而在一定条件下，样品的外表态密度与样品外表的高低起伏程度有关。低起伏程度有关。适用于察看外表起伏较大的样品。适用于察看外表起伏较大的样品。2)2)恒高度方式恒高度方式 针尖在样品外表某一程度面扫描，随着样品外表高低起针尖在样品外表
19、某一程度面扫描，随着样品外表高低起伏，隧道电流不断变化。经过记录隧道电流的变化，得到样伏，隧道电流不断变化。经过记录隧道电流的变化，得到样品外表的形貌图，此即恒高度方式。品外表的形貌图，此即恒高度方式。 恒电流方式是目前恒电流方式是目前STMSTM设计中常用的任务方式。设计中常用的任务方式。适用于察看外表起伏较小的样品。适用于察看外表起伏较小的样品。STMSTM的主要技的主要技术问题：针尖相尖相对于于样品运品运动升降、平移的精升降、平移的精细控制控制压电陶瓷控制，即在陶瓷控制，即在压电陶瓷上施加一陶瓷上施加一电压，使，使压电陶陶瓷部件瓷部件变形，并形，并驱动针尖运尖运动。7.3.2 AFM7.
20、3.2 AFM STM STM不能丈量绝缘体外表的形貌。不能丈量绝缘体外表的形貌。19861986年，年， Gerd Binnig Gerd Binnig提出提出AFMAFM的概念。不但可以丈量绝缘体外表形貌，还可丈量的概念。不但可以丈量绝缘体外表形貌，还可丈量外表原子间的力，丈量外表的弹性、塑性、硬度、粘着力、外表原子间的力，丈量外表的弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等。摩擦力等。1. 1. 原原 理理AFMAFM的原理是类似于指针轮廓仪，但采用的原理是类似于指针轮廓仪，但采用STMSTM技术。技术。 如下图是样品外表的势能如下图是样品外表的势能U U和外表力和外表力F F随外表间隔的变化。
21、随外表间隔的变化。 假设能丈量针尖与样品外表之间的原子间力，即可知道它们之间间隔的关系，从而测定样品的外表形貌。 以下图是Binnig于86年提出的AFM的构造原理图。有两个针尖与两套压电晶体控制机构。微杠杆的力微杠杆的力S S为弹性系数；为弹性系数； z z为位移为位移首先，使样品首先，使样品A离针尖离针尖B很远，杠杆不受力很远，杠杆不受力使使STM针尖针尖C接近杠杆接近杠杆D，直到察看到隧道电流，直到察看到隧道电流ISTM，并使等于某一设定值，并使等于某一设定值I0当样品当样品A接近针尖接近针尖B时，时，B感到感到A的吸引力，向左倾，的吸引力，向左倾，STM电流将减小，电流将减小，STM的
22、反响系统使的反响系统使STM针尖向左针尖向左挪动挪动 z，以坚持，以坚持STM电流不变电流不变 z由由STM的的Pz所加的电压的变化来确定所加的电压的变化来确定样品样品A和针尖和针尖B之间的相对间隔可由之间的相对间隔可由AFM的的Pz控制控制z向向位移的压电陶瓷所加电压和位移的压电陶瓷所加电压和STM的的Pz所加的电压确定；所加的电压确定；外表力的大小和方向由外表力的大小和方向由STM的的Pz所加的电压的变化来确所加的电压的变化来确定。定。 因此，就可以求出针尖B的顶端原子感遭到样品外表力随间隔变化的曲线。2. 2. 利用利用AFMAFM针尖与尖与样品作用力与品作用力与针尖尖进入入样品深度的关
23、系可品深度的关系可以以测定定样品的品的弹性、塑性、硬度性性、塑性、硬度性质，即，即AFMAFM作作为纳米量米量级“压痕器痕器nanoindentornanoindentor3. 3.AFMAFM丈量样品形貌或三维轮廓图的方法丈量样品形貌或三维轮廓图的方法7.4 X射线光电子能谱仪XPS XPS亦称亦称为化学分析用化学分析用电子能子能谱Electron Spectroscopy for Chemical Analysis ESCA7.4.1 7.4.1 分析原理分析原理 建立在建立在EinsteinEinstein光电子发射定律光电效应根底之上，光电子发射定律光电效应根底之上，经过经过X X射线
24、光子激发样品原子内壳层电子，产生光电子发射，射线光子激发样品原子内壳层电子，产生光电子发射，或称为或称为X X射线光电子能量范围射线光电子能量范围100-10KEV100-10KEV，测定其能量，测定其能量可知电子的结合能，即可确定元素种类及其形状。可知电子的结合能，即可确定元素种类及其形状。1)1)对孤立原子，光电子动能对孤立原子，光电子动能EkEkEk = h - Ebh h入射光子能量；入射光子能量；Eb Eb 电子的结合能电子的结合能+hEkEb2)2)固体样品发射的光电子动能固体样品发射的光电子动能EkEkEk/ = h - Eb - s s s 外表逸出功功函数外表逸出功功函数3)
25、3)实践仪器中，因分析器与样品相连，进入分析器的光电实践仪器中，因分析器与样品相连，进入分析器的光电子动能子动能EkEkEk/ = h - Eb - A A A 谱仪功函数谱仪功函数光电子能谱图及特征光电子能谱图及特征光电子产额强度光电子产额强度- -光电子动能或电子结合能的分布图。光电子动能或电子结合能的分布图。主峰或特征峰：表征样品电子结主峰或特征峰：表征样品电子结合能的一系列光电子谱峰合能的一系列光电子谱峰伴峰：能谱图中的非光电子峰伴峰：能谱图中的非光电子峰原子所处化学环境不同，内壳层电子结合能会发生变化，导原子所处化学环境不同，内壳层电子结合能会发生变化，导致谱峰位移，因此可以测定价态。致谱峰位移，因此可以测定价态。化学位移：化学位移：伴峰与谱峰分裂伴峰与谱峰分裂7.4.2 7.4.2 光电子谱仪光电子谱仪
