《电介质材料》PPT课件

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1、报告人：涂雅婷报告人：涂雅婷导导 师师: : 邱晓燕邱晓燕 副教授副教授 电介质材料电介质材料Dielectric material内 容. 电介质介绍（重点）电介质介绍（重点）. 薄膜的制备工艺（重点）薄膜的制备工艺（重点）. 常规薄膜性能表征方法（难点）常规薄膜性能表征方法（难点）第一章第一章 简简 介介 电介质材料是指电阻率大于电介质材料是指电阻率大于 的材料，是相对于金属材料和半导体材料的材料，是相对于金属材料和半导体材料而区分的。而区分的。 金属材料金属材料 ：共有化电子：共有化电子半导体材料：载流子半导体材料：载流子电介质材料：电介质材料：束缚电荷束缚电荷一、电介质材料的分类及应用

2、一、电介质材料的分类及应用uu绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不绝缘材料：电阻率很高，能承受很强的电场，不易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。易被击穿。主要是高分子电介质和无碱玻璃。uu电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种电容器材料：主要是陶瓷材料，包括两种，一种是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是是具有严格温度系数的高频稳定

3、型陶瓷，一种是是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是是具有严格温度系数的高频稳定型陶瓷，一种是介电系数特别大的铁电陶瓷。介电系数特别大的铁电陶瓷。介电系数特别大的铁电陶瓷。介电系数特别大的铁电陶瓷。uu压电材料：是具有能使机械能和电能相互转换的压电材料：是具有能使机械能和电能相互转换的压电材料：是具有能使机械能和电能相互转换的压电材料：是具有能使机械能和电能相互转换的材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶材料。在实际应用中，主要的压电材料是压电陶瓷，广泛用于情感元件、电声器件等方面。瓷，广泛用于情感元件

4、、电声器件等方面。瓷，广泛用于情感元件、电声器件等方面。瓷，广泛用于情感元件、电声器件等方面。电介质材料的分类电介质材料的分类A绝缘材料绝缘材料电容器材料电容器材料B压电材料压电材料C热释电材料热释电材料D铁电材料铁电材料分类示意图分类示意图压电材料压电材料液晶液晶电介质电介质结构材料结构材料电介质电介质功能材料功能材料介电材料介电材料电介质材料电介质材料电电介介质质材材料料的的应应用用介电材料的应用介电材料的应用1 1、温度补偿电容器、温度补偿电容器 主要用于高频振荡电路中作为补偿电容主要用于高频振荡电路中作为补偿电容介质，在性能上要求介质，在性能上要求具有稳定的电容温度具有稳定的电容温度系

5、数和低的介质损耗。系数和低的介质损耗。（2 2）高介电常数电容器（新型电容器陶瓷材料）高介电常数电容器（新型电容器陶瓷材料）分为：高温烧结型（分为：高温烧结型（1300 1300 以上）、中温烧结型以上）、中温烧结型（100010001250 1250 ）、低温烧结型（低于）、低温烧结型（低于900 900 ）2 2、热稳定型电容器陶瓷材料、热稳定型电容器陶瓷材料（1 1）高频热稳定电容器陶瓷）高频热稳定电容器陶瓷其主要特点是其主要特点是介电常数的温度系数的绝对值很小，介电常数的温度系数的绝对值很小，有的甚至接近于零。有的甚至接近于零。（3 3）微波介电陶瓷）微波介电陶瓷 微波介电陶瓷主要用于

6、用作谐振器、滤波微波介电陶瓷主要用于用作谐振器、滤波器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。器、介质天线、介质导波回路等微波元器件。可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。可用于移动通讯、卫星通讯和军用雷达等方面。微波频段微波频段( )( ) 评价微波介电陶瓷的主要技术参数是评价微波介电陶瓷的主要技术参数是介电常介电常数数 ，品质因数，品质因数Q Q和频率温度系数和频率温度系数TCFTCF。频率温度系数频率温度系数TCF:TCF:为介电常数为介电常数 的温度系数；的温度系数； 为热膨胀系数。为热膨胀系数。 用于微波频段的介质一般要满足如下用于微波频段的介质一般要满足如下4 4个个要求：要求：

7、 （1 1）高介电常数）高介电常数 （2 2）低介质损耗（高）低介质损耗（高Q Q） （3 3）温度膨胀系数小）温度膨胀系数小 （4 4）低频率温度系数）低频率温度系数TCFTCF微波陶瓷材料的研究进展：微波陶瓷材料的研究进展：1 1）新材料系统相图的研究，晶体结构和微波介电性）新材料系统相图的研究，晶体结构和微波介电性 能的关系的研究，化合物形成的机理及动力学研究能的关系的研究，化合物形成的机理及动力学研究2 2）材料掺杂改性技术的研究）材料掺杂改性技术的研究3 3）材料制备工艺技术的研究）材料制备工艺技术的研究4 4）低烧材料的开发研究）低烧材料的开发研究5 5）工程化生产技术研究）工程化

8、生产技术研究6 6）器件结构的设计、性能的优化及测试技术的研究）器件结构的设计、性能的优化及测试技术的研究7 7）器件多层片式化的技术）器件多层片式化的技术二、电介质的一般特性二、电介质的一般特性 电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以电介质是在电场中没有稳定传导电流通过而以感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。感应的方式对外场做出相应的扰动物质的统称。 电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电介质的特征是以正、负电荷重心不重合的电极电极化化方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起方式传递、存储或记录电的作用和影响，但其中起主要作用的是主要作用的是束缚电荷束缚电荷。1、静电场中电介质

9、的极化静电场中电介质的极化 在电介质材料的分子中，正、负电荷彼此强烈地束缚在电介质材料的分子中，正、负电荷彼此强烈地束缚着。在弱电场的作用下，虽正电荷沿电场方向移动，负电着。在弱电场的作用下，虽正电荷沿电场方向移动，负电荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成荷逆电场方向移动，但它们并不能挣脱彼此的束缚而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移。在电介质内部形成电流，只能产生微观尺度的相对位移。在电介质内部形成电偶极矩，而在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电偶极矩，而在与外电场垂直的电介质表面上出现了感应电荷。电荷。 极板面积：极板面积：极板间距：极板间距：接上电源，板间接上电源，板

10、间电压为电压为 ，极板，极板上的电荷为上的电荷为 插入电介质材料插入电介质材料后，极板上的电后，极板上的电荷量增至荷量增至 ：介质的相对介电常数。在静电场条件下，它是个无量：介质的相对介电常数。在静电场条件下，它是个无量纲的正数，恒大于纲的正数，恒大于1 1。 反映了电介质材料在电场中极化的反映了电介质材料在电场中极化的特性。特性。束缚电荷的面密度即为极化强度束缚电荷的面密度即为极化强度P P其中其中 为自由电荷面密度，为自由电荷面密度，有有: :其中其中 为真空介电常数（在为真空介电常数（在SISI单位制中，单位制中， ）为电场强度。为电场强度。由上两式可得：由上两式可得：由此可见，极化强度

11、由此可见，极化强度 与外加电场强度与外加电场强度 有关，与电介有关，与电介质材料本身的性能质材料本身的性能 也有关。也有关。（1 1）电子极化）电子极化 由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成由于一切电介质材料均由分子、原子或离子组成的。而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加的。而它们又都是由原子核及核外电子云组成。当外加电场时，电子云相对于原子核发生位移，因为产生感应电场时，电子云相对于原子核发生位移，因为产生感应电矩。最简单的模型是图（电矩。最简单的模型是图（a)a)所示的氢原子的电子极化。所示的氢原子的电子极化。无外电场时，正、负电荷重心重合；当施加电场后，电无外电场时，正、负

12、电荷重心重合；当施加电场后，电子云与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外子云与核产生相对位移。电子极化的频率响应极快，外加电场后经加电场后经 即能产生极化。即能产生极化。（2 2）离子极化）离子极化 由异号离子组成的晶体，如由异号离子组成的晶体，如NaclNacl，在外电场，在外电场作用下，正、负离子均发生位移，见图（作用下，正、负离子均发生位移，见图（b b），以），以一维排列的正、负离子原来间隔均等，加了外电场一维排列的正、负离子原来间隔均等，加了外电场后，正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极后，正、负离子的相对距离发生变化，产生了偶极矩。离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约

13、矩。离子极化的频率响应速度比电子极化略慢，约为为 。（3）偶极极化）偶极极化 有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，有些电介质分子是由极性较强的离子键构成的，称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩，称极性电介质。每个分子本身就具有一定的电偶极矩，如图（如图（c）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章，）所示，原来这些电偶极矩的排列杂乱无章，宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的宏观看来不是极性。当存在外电场时，电介质内固有的电偶极矩转向外电场方向，偶极极化也叫做转向极化。电偶极矩转向外电场方向，偶极极化也叫做转向极化。它的响应速度较慢，一般在它的响应速度较慢，一般在 左右。

14、左右。（4）空间电荷极化）空间电荷极化 在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯在实际的电介质材料中，由于制造工艺和材料的纯度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或度影响，不可避免地有局部的介质不均匀，如存在夹层或大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流大量的晶体缺陷。在外电场的作用下，介质中的少量载流子会发生漂移，它们可能被势阱捕获，也可能在介质不均子会发生漂移，它们可能被势阱捕获，也可能在介质不均匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种匀的夹层处界面上堆积起来而形成空间电荷的积累。这种介质中由于空间电荷的移动形成的电荷分布即是空间电荷介质中由于空间电荷的移

15、动形成的电荷分布即是空间电荷极化。它的频率响应最慢极化。它的频率响应最慢 。电子极化电子极化离子极化离子极化位移极化位移极化偶极极化偶极极化弛豫极化弛豫极化空间电荷极化空间电荷极化 如图（如图（a）所示，在真空电容器）所示，在真空电容器 二端加上交流电压二端加上交流电压 产生的电流为产生的电流为 ，其相位图见（，其相位图见（b）。若在电容）。若在电容器中充以电介质（图（器中充以电介质（图（c）。可作起等效电路（图（）。可作起等效电路（图（d），），其中其中 为纯电容，为纯电容， 为等效电导，相位图见（为等效电导，相位图见（e）。这时总电流）。这时总电流为：为：滞后滞后 一个角度一个角度 ：2、

16、在交变电场中的电介质、在交变电场中的电介质根据式根据式可得可得： 其中其中 定义为复数相对介电常数，简称复介电常数：定义为复数相对介电常数，简称复介电常数： 称为介质损耗角称为介质损耗角。一般的电工介质材料一般的电工介质材料 约为约为 ，用于，用于光纤通信等的石英光纤玻璃，光纤通信等的石英光纤玻璃， 可小至可小至 。 的实部的实部 即为静电场下介质的相对介电常数即为静电场下介质的相对介电常数 ，它反映介质的储存电荷的能力；它反映介质的储存电荷的能力； 的虚部的虚部 表示电表示电介介质电导引起的电场能量的损耗，它的物理意义是单位质电导引起的电场能量的损耗，它的物理意义是单位体积介质中当单位场强变

17、化一周时所消耗的能量，这体积介质中当单位场强变化一周时所消耗的能量，这些能量通常转化成热能而耗散掉。些能量通常转化成热能而耗散掉。 把把 随外电场频率随外电场频率 变化的过程称变化的过程称为为介电色散介电色散。在一定的频率范围内，测量介在一定的频率范围内，测量介电常数随频率变化的特性曲线称为电常数随频率变化的特性曲线称为介电谱介电谱。在交变电场作用下，电介质中的原子、分子、在交变电场作用下，电介质中的原子、分子、偶极矩都会吸收电场的能量，使它们自己处偶极矩都会吸收电场的能量，使它们自己处于较高的能量状态或转化成热能，这些统称于较高的能量状态或转化成热能，这些统称为为介电吸收（介电损耗）介电吸收

18、（介电损耗）。 第二章第二章 薄膜的制备工艺薄膜的制备工艺一类属于一类属于物理气相沉积法物理气相沉积法(PVD)(PVD) 一类属于一类属于化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)(CVD) 还有还有 物理化学综合法物理化学综合法1 1、物理气相沉积法、物理气相沉积法(PVD)(PVD)(1)(1)、溅射法、溅射法(sputtering)离子束溅射离子束溅射( (射频射频) )磁控溅射磁控溅射 优点优点：可以较低的成本制备工业应用的大面可以较低的成本制备工业应用的大面 积的薄膜积的薄膜缺点缺点：在溅射过程中如果各组元的挥发性差在溅射过程中如果各组元的挥发性差 别很大，膜的成分和靶的成分会有较别很

19、大，膜的成分和靶的成分会有较 大的偏差。大的偏差。(2)、热蒸发法热蒸发法(3)、脉冲激光沉积法脉冲激光沉积法(PLD)(4)、激光分子束外延激光分子束外延(LMBE)优点优点：膜的成分和靶的成分很接近：膜的成分和靶的成分很接近缺点缺点：膜表面上常有细微液滴凝固形成的颗粒膜表面上常有细微液滴凝固形成的颗粒 状突起而使表面质量不甚理想，也不易状突起而使表面质量不甚理想，也不易 于制备大面积的薄膜。于制备大面积的薄膜。多用于制备外延单晶膜和外延多层膜多用于制备外延单晶膜和外延多层膜2 2、化学气相沉积法、化学气相沉积法(PVD)(PVD)在材料进行化学反应合成的同时成膜在材料进行化学反应合成的同时

20、成膜(1) (1) 金属有机物化学气相沉积金属有机物化学气相沉积(MOCVD)(MOCVD) (2) (2) 原子层化学气相沉积原子层化学气相沉积(ALCVD)(ALCVD) 3 3、物理化学综合法物理化学综合法(1) (1) 溶胶凝胶法溶胶凝胶法(sol-gel)(sol-gel) (2) (2) 干干( (湿湿) )氧化法氧化法 第三章第三章第三章第三章 常规的薄膜性能表征方法常规的薄膜性能表征方法常规的薄膜性能表征方法常规的薄膜性能表征方法 3.1 薄膜厚度测量技术薄膜厚度测量技术 3.2 薄膜成分的表征方法薄膜成分的表征方法 3.3 薄膜组织、形貌观察分析薄膜组织、形貌观察分析3.1

21、薄膜厚度测量技术薄膜厚度测量技术薄膜的厚度是一个重要的参数薄膜的厚度是一个重要的参数厚度有两种概念：厚度有两种概念： 几何厚度、光学厚度几何厚度、光学厚度几何厚度几何厚度指膜层的物理厚度指膜层的物理厚度光学厚度光学厚度指膜的物理厚度和折射率的乘积指膜的物理厚度和折射率的乘积1 1、探针法、探针法 金刚石探针沿膜表面移动，金刚石探针沿膜表面移动，而探针在垂直方向上的位移通而探针在垂直方向上的位移通过电信号可以被放大过电信号可以被放大 倍倍并被记录下来。从膜的边缘可并被记录下来。从膜的边缘可以直接通过探针针尖所检测的以直接通过探针针尖所检测的阶梯高度确定膜的厚度。阶梯高度确定膜的厚度。触针触针基片

22、基片薄膜薄膜优点：优点：简单，测量直观简单，测量直观；缺点：（缺点：（1 1）容易划伤较软容易划伤较软的薄膜并引起测量误差；的薄膜并引起测量误差； （2 2）对于）对于表面粗糙表面粗糙的薄膜，并测量误差较大。的薄膜，并测量误差较大。 如果薄膜的面积如果薄膜的面积A A、密度、密度和质量和质量m m可以被精确可以被精确测定的话，由公式测定的话，由公式就可以计算出薄膜的厚度就可以计算出薄膜的厚度d d。缺点：它的精度依赖于薄膜的密度缺点：它的精度依赖于薄膜的密度以及面以及面积积A A的测量精度。的测量精度。2 2、称重法、称重法3 3、光的干涉法、光的干涉法波长为波长为的单色光入射到这两光的单色光

23、入射到这两光学面时，只有当两表面间的距离学面时，只有当两表面间的距离d d等于等于n/2n/2的位置时，其透射光的位置时，其透射光最强，出现亮条纹；在满足最强，出现亮条纹；在满足d d等等于（于（n+1/2)n+1/2)/2/2位置处，其透位置处，其透射光最弱，出现暗条纹。相邻两射光最弱，出现暗条纹。相邻两亮（或暗）条纹的间距为亮（或暗）条纹的间距为L L，在，在薄膜台阶处由于间距发生突变，薄膜台阶处由于间距发生突变，条纹产生了位移条纹产生了位移L L，从而可测，从而可测得薄膜的形状膜厚得薄膜的形状膜厚 为：为：4 4、断面直接观察法、断面直接观察法 断面直接观察法是借助光学显微镜、扫描断面直

24、接观察法是借助光学显微镜、扫描 电子显微镜和透射电子显微镜的测微标尺电子显微镜和透射电子显微镜的测微标尺 在一定放大倍数下，直接测量镀膜的剖面在一定放大倍数下，直接测量镀膜的剖面 的形状膜厚的方法，故的形状膜厚的方法，故具有测量准确度高，具有测量准确度高， 依据充分，判断直观等优点依据充分，判断直观等优点。光学显微镜光学显微镜 ：0.5m0.5m以上以上扫描电子显微镜：扫描电子显微镜：0.05m0.05m以上以上透射电子显微镜：透射电子显微镜：0.5nm0.5nm至几微米至几微米由于分辨率的限制，对薄膜厚度的测量要求不同。由于分辨率的限制，对薄膜厚度的测量要求不同。扫描电子显微镜扫描电子显微镜

25、(SEM)的截面观测的截面观测需要制作可供需要制作可供SEM观察的观察的截面样品截面样品5 5、椭偏仪法、椭偏仪法准直光源准直光源起偏镜起偏镜波片波片被测样品被测样品检偏镜检偏镜光检测器光检测器固定方位角固定方位角C C，调整方位角，调整方位角P P、A A，使可检测的光强度为，使可检测的光强度为0 0。根据椭偏仪测得的根据椭偏仪测得的P P、A A这两个参数，用计算机拟合求出薄这两个参数，用计算机拟合求出薄膜的厚度和折射率。膜的厚度和折射率。原理：原理：基于石英晶基于石英晶体片的固有振动频体片的固有振动频率随其质量的变化率随其质量的变化而变化的物理现象。而变化的物理现象。6、石英振荡器法、石

26、英振荡器法 在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积到基片的在薄膜沉积的过程中，沉积物质不断地沉积到基片的一个端面上，监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以一个端面上，监测振荡频率随着沉积过程的变化，就可以知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。知道相应物质的沉积质量或薄膜的沉积厚度。由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度由石英片固有频率的变化可以测量出沉积物的厚度：沉积物的厚度：沉积物的厚度：沉积物的密度：沉积物的密度：石英片的密度石英片的密度：石英片固有振动频率石英片固有振动频率：石英片的厚度石英片的厚度3.2 薄膜组分的表征方法薄膜组分的表征方法 分析内容包括测定分析内容包括测定表面

27、的元素组成表面的元素组成，表表 面元素的化学态面元素的化学态及及元素沿表面横向分布元素沿表面横向分布 和和纵向深度分布纵向深度分布等。等。其中的多数方法都是基于原子在受到其中的多数方法都是基于原子在受到激激 发发以后以后内层电子排布会发生变化内层电子排布会发生变化并发生并发生 相应的相应的能量转换能量转换过程的原理过程的原理（a a）- -基态电子的内基态电子的内层电子排布层电子排布（b b）-K-K层电子空能层电子空能级的形成级的形成（c c）- -特征特征X X射线的射线的产生产生（d d）- -俄歇电子的产俄歇电子的产生生1 1、原子内电子激发及相应的能量过程、原子内电子激发及相应的能量

28、过程 空的空的K K能级为一个外层电子比如能级为一个外层电子比如M M或或L L层的电子层的电子 所占据所占据, ,并在电子跃迁的同时放出一个并在电子跃迁的同时放出一个X X射线射线 光子，此光子的能量可以由过程中能量的平光子，此光子的能量可以由过程中能量的平 衡条件确定为：衡条件确定为：式中式中 和和 为跃迁前后电子能级的能量为跃迁前后电子能级的能量;为发射出的为发射出的X射线的波长；射线的波长；c和和h分别为真空分别为真空中的光速和普朗克常数。中的光速和普朗克常数。 空的空的K K能级也可能发生第二种情况：放出另一个外层能级也可能发生第二种情况：放出另一个外层 电子，如图（电子，如图（d

29、d）所示。这一能量转换过程被称之为）所示。这一能量转换过程被称之为 俄歇过程，相应放出的电子被称之为俄歇电子，它俄歇过程，相应放出的电子被称之为俄歇电子，它 的特征能量为：的特征能量为：其中其中 为放出的电子原来能级的能量。俄歇过程为放出的电子原来能级的能量。俄歇过程涉及了三个电子能级，测量激发过程中俄歇电子涉及了三个电子能级，测量激发过程中俄歇电子的能量和数量，就可以得知物质的组成，这就是的能量和数量，就可以得知物质的组成，这就是俄歇电子能谱分析的基础。俄歇电子能谱分析的基础。2 2、俄歇电子能谱、俄歇电子能谱AESAES 上节我们讨论了构成俄歇电子能谱的基础，如图上节我们讨论了构成俄歇电子

30、能谱的基础，如图 （d d）所示，是以电子束激发样品中元素的内层电）所示，是以电子束激发样品中元素的内层电 子，可以使得该元素发射出俄歇电子子，可以使得该元素发射出俄歇电子。 接受、分析这些电子的能量分布，达到分析接受、分析这些电子的能量分布，达到分析 样品成分目的的仪器被称为俄歇电子能谱仪。样品成分目的的仪器被称为俄歇电子能谱仪。(augerelectronspectroscopy) 它的优点是在靠近表面它的优点是在靠近表面0.40.42nm2nm范围范围内的化学分析灵敏度高，数据收集速度内的化学分析灵敏度高，数据收集速度快，能探测周期表上快，能探测周期表上HeHe以后的所有元素。以后的所有

31、元素。对于能量为对于能量为5050一一2kev2kev范围内的俄歇电子范围内的俄歇电子深度分辨率约为深度分辨率约为1nm1nm，横向分辨率则取，横向分辨率则取决于入射束斑大小。决于入射束斑大小。3 3、 X X射线光电子能谱射线光电子能谱XPSXPS(X-rayphotoelectronspectroscopy) 在在X X射线光电子能谱仪的情况下，被激发出来的电射线光电子能谱仪的情况下，被激发出来的电 子应该具备能量：子应该具备能量：式中，式中，为入射为入射X X射线的频率；射线的频率； 是被激发出来是被激发出来的电子原来的能级能量。在入射的电子原来的能级能量。在入射X X射线波长固定射线波

32、长固定的情况下，测量激发出来的光电子的能量的情况下，测量激发出来的光电子的能量E E，就，就可以获得样品中元素含量和其分布的情况可以获得样品中元素含量和其分布的情况。 常用的常用的X射线一般采用射线一般采用Mg或或Al的特征的特征K 射线：射线： Mg 的的K 射线的能量为射线的能量为1253.6eV，线宽，线宽为为0.7eV Al 的的K 射线的能量为射线的能量为1486.6eV，线宽，线宽为为0.85eV用于电子能谱的用于电子能谱的X X射线源其主要指标是强度射线源其主要指标是强度和线宽。和线宽。 XPSXPS与与AESAES、SIMSSIMS相比，它对样品的损伤是最轻微的，相比，它对样品

33、的损伤是最轻微的， 定量也是最好的。定量也是最好的。 由于由于X X射线不易聚焦，因而照射面积较大，不适于微射线不易聚焦，因而照射面积较大，不适于微 区分析。区分析。 XPSXPS能测定大于能测定大于HeHe的所有元素，其有效探测深度，对的所有元素，其有效探测深度，对 于金属和金属氧化物为于金属和金属氧化物为0.50.52.5nm;2.5nm;对有机物为对有机物为4 4 10nm 10nm。 XPS XPS的分析相对灵敏度不高，只能探测出样品中含量的分析相对灵敏度不高，只能探测出样品中含量 在在0.1%0.1%以上的组分。以上的组分。4 4、二次离子质谱、二次离子质谱SIMSSIMS 二次离子

34、质谱分析二次离子质谱分析(SIMS)(SIMS)是用离子源所产是用离子源所产生的一次离子加速并聚焦成细小的高能离子束生的一次离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击样品表面，使之激发和溅射二次离子，并轰击样品表面，使之激发和溅射二次离子，并将二次离子按质荷比分开并采用探测器将其记将二次离子按质荷比分开并采用探测器将其记录，便得到二次离子强度按质量录，便得到二次离子强度按质量( (质荷比质荷比) )分布分布的二次离子质谱。的二次离子质谱。(SecondaryIonMassspectroscopy) 二次离子质谱：二次离子数与质荷比间的函数二次离子质谱：二次离子数与质荷比间的函数成分成分深度图：二次离

35、子数与溅射时间的关系曲线深度图：二次离子数与溅射时间的关系曲线二次离子像二次离子像 ：二次离子数在表面的微观横向分布：二次离子数在表面的微观横向分布 由于由于SIMSSIMS的背景强度几乎为零，使之的背景强度几乎为零，使之检测灵敏度极高，与检测灵敏度极高，与AESAES相比其灵敏度相比其灵敏度要高要高10001000倍，可检测倍，可检测 数量级，适数量级，适用于微量微区分析以及有机化学分析。用于微量微区分析以及有机化学分析。但但SIMSSIMS分析对样品表面损伤严重，属于分析对样品表面损伤严重，属于消耗性分析。消耗性分析。5 5、电子探针微区分析电子探针微区分析EPMA (electronpr

36、obemicroanalysis) EPMAEPMA是用高速运动的电子直接轰击被是用高速运动的电子直接轰击被分析的样品表面，当高速电子轰击到分析的样品表面，当高速电子轰击到原子的内层，于是激发出各样品元素原子的内层，于是激发出各样品元素的特征的特征X X射线，经分光后根据特征射线，经分光后根据特征X X射射线的波长及其强度作定性和定量分析。线的波长及其强度作定性和定量分析。电子探针常电子探针常与与扫描电子显微镜结合起扫描电子显微镜结合起来，即在获得高分辨率图像的同时，来，即在获得高分辨率图像的同时，进行微区成分分析进行微区成分分析。 EPMA EPMA既可用来进行成分的定性分析既可用来进行成分

37、的定性分析( (包括定点分析、线扫描分析和面扫描包括定点分析、线扫描分析和面扫描分析分析) )，又可用来进行定量分析。，又可用来进行定量分析。EPMAEPMA可测定元素周期表中包括可测定元素周期表中包括BeBe以上所有元以上所有元素，其探测深度为素，其探测深度为1 110m10m，探测极限，探测极限为为0.10.1，横向分辨率为，横向分辨率为1m1m。俄歇电子能谱俄歇电子能谱AES AES ：电子入、电子出：电子入、电子出X X射线光电子能谱射线光电子能谱XPS XPS ：X X射线入、电子出射线入、电子出二次离子质谱二次离子质谱SIMS SIMS ：离子入、靶离子出：离子入、靶离子出电子探针微区分析电子探针微区分析EPMAEPMA：电子入、：电子入、X X射线出射线出光学显微镜光学显微镜扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)透射电子显微镜透射电子显微镜(TEM)原子力显微镜原子力显微镜(AFM):AFMAFM是通过记录针尖在样品表面移动时，是通过记录针尖在样品表面移动时，针尖端的原子与样品表面的原子之间针尖端的原子与样品表面的原子之间的相互作用的相互作用( (静电力、范德瓦尔斯力等静电力、范德瓦尔斯力等) )，得到表面形貌，得到表面形貌 3.3 3.3 薄膜组织、形貌观察分析薄膜组织、形貌观察分析