材料学中常用分析方法第四讲-RBS-有关金属材料分析手段课件.ppt

1、RBS效应效应 20世纪初，Marsden 发现，大多数的-粒子可以穿透 Au 薄膜，而少数粒子则向着各个方向被散射。在此基础上，Rutherford 提出了原子的核模型：-粒子被散射的过程就象大量的小球发生了弹性碰撞。MeV能量的高能离子的碰撞，有下述 2 种情况：1.离子与一个更重的原子发生弹性碰撞2.（如 4He+12C），两者都发生反弹。2.离子与一个更轻的原子发生弹性碰撞 （如 4He+1H），前者继续前行，而后者发 生反弹。前者是 RBS 的基础，而后者是 ERS 的基础。RBS谱仪 RBS谱仪有3个主要部分：离子源、加速器、探测器 常用的加速器为二级式的加速器:它可先将He-离子

2、加速至750 keV，再将其转变为He+2并加速750kV至2.25MeV。He-离子源为产生He-离子需使用二级离子源。第一级常规离子源产生He+离子。第二级使He+通过碱性金属（如Rb）的蒸气使He+转变为He-。后者被20kV的偏压引出离子源。离子源第一级离子源第二级电子剥离装置（electron stripper）750 keV 的He-离子掠过其他粒子时，会有丢掉电子的几率。使He-离子束穿过1-10 mTorr 的 N2气室（或固体薄膜），可产生He+2 离子。He+2 离子束的形成He+2 被加速后，由磁谱仪将其与He-,He,He+粒子分离,由磁透镜将其聚焦，形成100nA 的

3、离子束。样品室包括可旋转样品台、探测器、离子束入口、真空系统（离子束斑大小 1mm)探测器 在 Si 二极管中，高能离子激发电子-孔穴对。平均 3.7 eV 产生一个电子-孔穴对，1MeV 能量将产生约 2700 对载流子。在外置电场作用下，二极管内即产生与离子能量成正比的感生电流脉冲。1.离子散射过程前后的能量关系2.离子被物质散射的几率3.离子在穿透物质的过程中，自身能量 的耗散 质量 M1，动能 E 的高能（MeV）离子，在与质量 M2 的粒子发生弹性碰撞后，其动能比例关系：p K 称为运动学因子。固定 E，M1，测量E（即测量K），即可确定 M2。p 90(背散射)时，需 M2 M1，

4、即RBS不能检测轻元素H,D由于碰撞过程中对轻元素的能量、动量转移大，RBS 对不同轻元素的质量分辨本领比重元素的高。例如，He+的 RBS 很容易分辨 C与N、P与Si。但难于分辨 W和Ta,Fe和Ni 等重元素对。例如，对一定能量的 4He 入射离子，可求出 CF 薄膜中各元素的运动学因子 K 及散射离子能量 若 M 增加，K值持续增加时，M的分辨率才会高。（1）使用小的M1，可探测所有M2，但重元素M2分辨能力差（2）使用大的M1，适用于分析重的元素 多选用 4He+2，M2 180 时，K 的变化大，即元素的分辨本领高 常取 =170，以提高质量分辨本领 M 2.离子被物质散射的几率

5、RBS 的第二个问题：入射的一个粒子，被另一个粒子散射向某一方向的几率。它与原子核的有效截面 大小有关。散射几率应与散射截面、散射原子数 N 成正比 在空间角d内出现散射粒子的几率为：Q/Q0=Ns d =(Nv t)d(M,E,)粒子的散射截面(cm2)Q0 入射粒子数,Q 散射粒子数Ns 参与散射靶粒子的面密度(原子/cm2)t 样品厚度Nv 靶粒子的体密度。若已知(M1,M2,E,)、t，则测量Q/Q0，即可求出Nv。是 M1,M2,E,的函数。离子被物质散射的几率Q/Q0 样品中原子的体密度与厚度之中，只能求出一个！p例如：当 RBS 测得 Ti 薄膜的原子面密度为 5.66*1027

6、 atoms/cm2，假设其体密度为 5.66*1022 atoms/cm2(理论体密度),则其厚度为 100nm，其准确度取决于密度的假设。p反之，当厚度可以测量，则体密度可被准确计算。在空间角d 内出现散射粒子的几率为：Q/Q0=Ns d =(Nv t)d 原子体密度 Nv 或样品厚度 t 的测定 离子的散射截面可由经典库仑场模型求出：因此，(Z1Z2/E)2 =重原子的探测极限低（0.01%)，更灵敏；轻原子的探测极限高（1%)，灵敏度低一些元素的散射截面 当入射2MeV的He离子时，重元素的截面可比轻元素的大100倍OO重元素的散射截面大，信号强。KC 的质量很小，其上的重元素（散射截

7、面大），很易被识别。每一元素有一个能量峰，由其能量和记数率，可知元素种类及其含量。可分清Cu的同位素（63，65），但不能分清Ag的同位素(107,109)。若C膜上，Au杂质的检测极限为:1012原子/cm2，相当于1/1000原子层 一种极灵敏的方法与其他方法不同，RBS时，同一元素对应了不同的峰位不同厚度的薄膜，其结果不一，这引出第三个问题：离子在穿透物质的过程中，自身能量耗散的问题。大量离子并未在表面被散射，而是进入样品一定深度后才发生散射。3.RBS中粒子能量的修正离子在射入、射出样品时，都有能量的损失E 离子穿过物质时，将激发靶原子的电子，自身能量则不断耗散。它可被视为一个连续的过

8、程，即在通过厚度t的物质后，离子能量的耗散量为:E=Nv t 称为阻止截面(eVcm2)，Nv为靶原子体密度。对二元材料AmBn，具有加和性（Bragg 定律）=mA+nB 因而被测离子的能量 E=KE-S tS为一与物质阻止截面（成分）有关的系数。对同一元素，表面、内部处散射离子的能量不同除考虑耗散对离子能量的影响外，还需考虑对散射几率的影响由于=(1/E)2，即能量耗散后，散射几率增加，曲线会上翘因此，同样是二元材料，形成的RBS谱图可能不同。两个金属硅化物薄膜/Si样品的RBS分析 Si衬底上两种成分、厚度的TaSi薄膜的RBS，其中一个薄（230 nm），一个厚（590 nm）；一个S

9、i含量高，另一个Si含量低。一种非破坏性的界面分析方法！离子束与物质的相互作用使其单色性逐渐丧失，使RBS曲线不再尖锐变化。离子注入，可为AES,XPS,SIMS分析制备标样(尤其是后者)即，RBS具有特点：一种 绝对的成分测量法适用于分析复杂成分，特别是轻元素样品中的重元素。其厚度范围为10微米。Si衬底上，(a)O2 和(b)O2+Ar 离子轰击条件下制备的Fe2O3薄膜的RBS谱观察到薄膜内有Ar惰性气体拟合后发现，In2O3(Sn0.2)薄膜的In的分布曲线出现向PET方向扩展的倾向,说明该元素发生了显著的扩散RBS效应并不依赖于样品是晶体或非晶体结构但对于晶体，离子有易于进入有序晶体

10、内部的倾向在入射方向合适，表面结构完整时，离子可经多次小角度散射，进入晶体内部，而背散射几率将会大为降低单晶表面几层原子散射过后，内部的散射几率降低为正常值的8%。由此，可分析单晶完整性的深度分布和杂质。由此可推断不同原子的替位规律等分布特征Ni 离子注入导致SiC非晶化的研究SiC(0001)注入 1.0 MeV Ni 离子:(a)原始样品;(b)注入1.8*1014/cm2样品;(c)注入5.4*1014/cm2样品;(d)非取向样品5.4*1014/cm2大剂量的离子注入导致SiC的非晶化小剂量时，没有Ni的信号1.6 MeV，4He+退火导致再结晶的研究SiC晶格部分回复，而 Ni 原

11、子分布于表面与500nm间SiC(0001)注入剂量 1.8*1017 cm/2的 1.0 MeV Ni不同退火处理后，SiC中Ni的分布1500 C退火后,Ni 扩散至表面的定量测定nSi 的RBS出现通道效应，利用其显示薄膜内微量的O、Arn1%的Ar进入薄膜2.2 MeV 4He2+OOO不同占位的杂质原子（替代、面心间隙、体心间隙），RBS不同，且随方位而变，由此可推测晶格的完整性、杂质的位置二、ERS方法探测前向反冲的轻元素粒子，10m厚度的聚脂薄膜起阻挡截面较大的He离子的作用，但引起约300eV左右的轻离子能量损失RBS和ERD的实验装置（离子束斑大小约1mm)RBS与ERD的不

12、同只在于探测对象和角度，倾动样品即可变RBS为ERD 与RBS时类似，被碰撞的轻离子在弹性碰撞后，其反冲动能为（M1M2）：E/E=K(M2/M1，)=1-K(RBS)=4M1M2cos2/(M1+M2)2固定E，M1，测量E，即可确定M2。（一般入射离子为4He+，被分析原子为1H、2D、3T的浓度、深度。但也可用其他离子入射，测量其他轻元素(He、Li、B、C等)的表面分布）1.离子散射过程前后的能量关系 与RBS时相同 Q/Q0=Ns d =（Nv t）d (Z1Z2/E)2 与RBS时相似，M1离子会因穿过靶物质而损失能量：E1=1 Ns t 碰撞后，M2离子也因穿过靶物质而损失能量：

13、E2=2 Ns t即有 E KE-S t其中S 为与散射截面（成分）有关的系数。由此，可确定不同薄膜样品中D,H各自的含量以及薄膜的厚度20nm含D聚氯乙烯/500nm聚氯乙烯薄膜的ERD145C退火后，表面的D峰宽化，表明D向薄膜内部扩散离子能量低（keV）时，离子不能象RBS时那样进入样品，分析的只是表面的成分。要求超高真空环境。ISS的能量低，不用加速器离子的检测不用Si二极管，而用静电分析器 与RBS时相同，入射离子在与靶粒子发生弹性碰撞后，其动能变化：E/E=K(M2/M1，)固定E，M1，测量E，则可确定M2。但与RBS时不同，ISS入射离子的能量较低(1keV)，入射离子只被样品

14、表面的原子散射回来。ISS 没有成分深度分布的分析能力。低能时，在空间角d内出现散射离子的几率为 Q/Q0=Ns Ps d 为离子的散射截面(cm2)，Q0为入射离子数，Ns为参与散射的样品原子面密度，Ps为离子逃离靶表面的几率。Ps0.01-0.001，即离子在靶表面被电子中和的几率很高（比较：SIMS时的离化率 i+很低）。由于离子逃离靶的几率依赖于表面状态，因此，ISS并非是成分的定量分析方法。离子的散射截面随Z2增大，但偏离高能时的 (Z1Z2/E)2 1.5keV 4He+=90Z(a)He+/Au (b)Ar+/Au离子的散射截面随E增大而减小，但偏离高能时的 (Z1Z2/E)2

15、EPb作用与Auger谱相当,但只对表面一层原子敏感，且不定量初时，入射的离子将表面的（轻元素）污染物清除。其后出现重元素信号。特别适合于分析轻物质表面的重元素1.只涉及表面散射，不再有厚度、深度分析能力2.能量对应元素，数量对应浓度，但不再是定量分析方法n RBS、ERS两者的原理、过程、实验布置及主要应用n 为什么RBS、ERS两种方法可以作为成分分析的绝对方法，而ISS则不能n两种方法涉及的运动学因子的含义n散射截面、阻止截面的含义nERS实验中的聚脂薄膜的作用。它对被探测离子的能量有何影响阅读文献A.Saleh,Thin Solid Films 355/356(2019)363，并讨论

16、下列问题1此文的主要目的是要发展一套行之有效的成分测试技术。为此目的，作者结合了RBS、HFS、SIMS三种方法的哪些长处，避免了它们的哪些短处？2文中提及，若不是采用了在单晶硅上制备SiOxNy薄膜的方法，则此文中的RBS分析是不能实现的。为什么？3HFS技术的别名？在HFS实验中，样品、离子束、探测器三者的几何布局如何？在实验中使用了8m厚度的Al薄膜，其目的是什么？4.文中谈到，RBS技术对原子序数大于33的杂质元素的探测极限为51014 atoms/cm2，HFS技术对H元素的探测极限为 1016 atoms/cm2。设薄膜的原子密度为1023 atoms/cm3,求薄膜厚度分别为30和300nm时，以百分比表达的杂质元素和H元素的探测极限。