分析仪器简介(埃文思公司)教材课件.ppt

1、SICCEAG-China成立在2005年8月，从2008年7月，EAG-China在上海增加了SIMS服务，目前拥有3台SIMS，1台Auger。将于2012年安装第4台SIMS以及XPS和SEM。2013年初将安装第一台GD-MS设备。EAG提供材料物理和化学性质的分析,得到材料的化学成分、微量元素（掺杂或杂质）的浓度和分布以及材料的结构。分析技术包括：SIMS、GDMS、ICP-MS、Auger、XPS、TEM、SEM、FTIR、TOF、Raman、XRD、XRR、XRF。EAG在多种电池材料的分析方面都有丰富的经验。针对太阳能级硅材料的分析，SIMS和GDMS是最有效的两种手段。SIC

2、C 分析方法名称简 称 主要用途透射电子显微镜TEM形貌及结构扫描电子显微镜SEM形貌扫描透射电子显微镜STEM形貌场电子显微镜FEM结构场离子显微镜FIM结构场离子显微镜-原子探针AP-FIM结构扫描隧道显微镜STM形貌扫描力显微镜SFM形貌声显微镜AM形貌低能电子衍射 LEED结构反射式高能电子衍射 RHEED结构扩展x射线吸收谱精细结构SEXAFS结构常用表面（层）形貌及结构分析仪器及用途常用表面（层）形貌及结构分析仪器及用途SICC 分析方法名称简 称 主 要 用 途电子探针谱仪EPMA分析表层成分；研究各种元素在表层的分布；X射线荧光光谱仪XRF 分析表层成分；研究各种元素在表层的分

3、布俄歇电子能谱AES分析表面成分；研究各种元素在表面的分布X射线光电子能谱XPS分析表面成分；研究表面吸附和表面电子结构离子散射谱ISS分析表面成分；尤其适合研究表面偏析和吸附次级离子质谱SIMS分析表面成分；可研究化合物组分及分子结构红外吸收谱IR分析表面成分；研究表面原子振动拉曼散射谱RAMAN分析表面成分；研究表面原子振动紫外光电子谱UPS分析表面成分；更适合于研究价电子状态角分解光电子谱ARPES分析表面成分；研究表面吸附原子的电子结构辉光放电质谱法GDMS分析表层成分；深度分析定性定量功能；常用表面（层）成分分析谱仪及用途常用表面（层）成分分析谱仪及用途SICCEAG各类材料分析技术

4、汇总SICC现就EAG公司的讲解与介绍着重说明几种分析仪器SICCGD-MS(Glow Discharge Mass Spectrometry)辉光放电质谱法GD-MS原理：将具有平整表面的被测样品作为辉光放电的阴极，样品在直流或射频或脉冲辉光放电装置中产生阴极溅射，被溅射的样品原子离开样品表面扩散到等离子体中，通过各元素质荷比和响应信号的强弱，对被分析元素进行定性和定量分析的一种分析方法。GD-MS构成：离子源、质量分析器、检测系统SICCGD-MS原理示意图SICC上图为一个简单的辉光放电装置。放电池中通入压力约 101000pa的惰性气体（氩气），阴极和阳极之间施加一个电场。当达到足够高

5、的电压时，惰性气体被击穿电离。电离产生的大量电子和正离子在电场作用下分别向相反方向加速，大量电子与气体原子的碰撞过程辐射出特征的辉光在放电池中形成“负辉区”。正离子则撞击阴极（样品）表面通过动能传递使阴极发生溅射。阴极溅射的产物为阴极材料的原子、原子团，也会产生二次离子和二次电子。阴极的溅射过程正是样品原子的产生途径，也是样品可进行深度分析的理论基础。在辉光放电形成的众多区域中，有两个对样品分析重要的区域，分别是“负辉区”和“阴极暗区”。阴极暗区为一靠近阴极表面的薄层区域，有较高的正离子密度，整个辉光放电的电压降几乎全部加在这个区域。负辉区一般占有辉光放电的大部分容积，几乎是一个无场的区域，电

6、子承担着传导电流的作用。因此溅射产生的二次离子一般会被拉回到电极表面形成沉积而很难通过阴极暗区，而中性的原子则会通过扩散进入负辉区被激发或离子化，当然也可能在频繁的碰撞过程中返回，这是辉光放电的一个明显的特点。辉光放电源具有能产生固体样品中具有代表性组成的原子，同时具有产生这些原子的激发态和离子态的能力。因此辉光放电既可作为光源也可作为离子源被应用到固态样品的含量和深度分析中。SICCGD-MS定量方法离子束比定量和相对灵敏度因子（RSF）IBRIxIm/CxIxRSFx mCmImSICCGD-MS分析特性*全元素搜索分析*可同时检测元素周期表中绝大部分元素*检测限从sub-ppm到ppb*

7、可直接分析各种形态的固体样品*避免了制样污染（相比于湿法制样）*几乎不依赖于标样*较少的取样量（相比于ICP-MS）*可分析杂质分布SICCGDMS与其它仪器分析方法比较SICCGD-MS的优缺点优点全元素分析，一次扫描几乎可以覆盖元素周期表 所有元素元素搜索分析，检测成本低很好的探测极限不足H，C，O，N元素的探测极限较差不使用标样的定量技术，定量误差较大SICCSIMS(secondary ion mass spectroscopy)二次离子质谱仪二次离子质谱仪SIMS原理:在SIMS分析中，样品由氧（O2+）或者铯(Cs+)源的聚焦一次离子束溅射。在溅射过程中形成的二次离子被加速使其脱离

8、样品表面。二次离子由静止分析器进行能量分离和由电磁质量分析器基于质荷比进行质量分离。便可知道表面的成份 SICCSIMS(二次离子质谱系统二次离子质谱系统)结构示意图结构示意图离子源离子源质量分析器质量分析器检测器检测器二次离子深度分析二次离子深度分析二次离子质谱二次离子质谱二次离子分布图像二次离子分布图像SICCSIMS(二次离子质谱二次离子质谱)系统基本特性系统基本特性可以在超高真空条件下得到表层信息；可以在超高真空条件下得到表层信息；可检测包括可检测包括H在内的全部元素；在内的全部元素；可检测正、负离子；可检测正、负离子；可检测同位素；可检测同位素；可检测化合物，并能给出原子团、分子性离

9、可检测化合物，并能给出原子团、分子性离子、碎片离子等多方面信息；子、碎片离子等多方面信息；可进行面分析和深度剖面分析；可进行面分析和深度剖面分析；对很多元素和成分具有对很多元素和成分具有ppm甚至甚至ppb量级的量级的高灵敏度；高灵敏度；SICCSIMS(二次离子质谱二次离子质谱)分析技术分析技术表面元素定性分析表面元素定性分析表面元素定量分析技术表面元素定量分析技术元素深度剖面分析元素深度剖面分析微区分析微区分析软电离分析软电离分析SICC动态动态SIMS深度剖面分析深度剖面分析分析特点分析特点：不断剥离下进行不断剥离下进行SIMS分析分析获得获得各种成分的深度分布信息；各种成分的深度分布信

10、息；深度分辨率：深度分辨率：实测的深度剖面分布与样品中实测的深度剖面分布与样品中真实浓度分布的关系真实浓度分布的关系入射离子与靶的相互作入射离子与靶的相互作用、二次离子的平均逸出深度、入射离子的原用、二次离子的平均逸出深度、入射离子的原子混合效应、入射离子的类型，入射角，晶格子混合效应、入射离子的类型，入射角，晶格效应都对深度分辨有一定影响。效应都对深度分辨有一定影响。SICC动态动态SIMSSIMS面分布分析面分布分析SIM/IMS材料表面面分布技术：空间分辨率可达亚微米量级材料表面面分布技术：空间分辨率可达亚微米量级SICC静态静态SIMSSIMS软电离分析技术软电离分析技术有机物分析有机

11、物分析:适合不挥发、热稳定较差的适合不挥发、热稳定较差的SICCSIMS优点与不足*优点：可直接取样能测得每种杂质的化学态与电子态的全部浓度，不需要化学方法除杂质对所有元素有极好的探测极限，包括C，H，O，N*不足：特定元素分析，每次只能分析一到三个元素。多种元素分析成本较高SICCXPS（X射线光电子能谱仪）射线光电子能谱仪）相、织构、应力、薄相、织构、应力、薄膜等分析。膜等分析。SICCXPS：一种无损检测手段。主要用于获取薄膜材料（单层膜、多层膜、调制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。当外壳层获得一个电子时，由于束缚变弱，各壳层均不同程度松弛，导致测量的内壳层结合能变小；

12、当外壳层失掉一个电子时，由于束缚变强，各壳层均不同程度紧缩，导致测量的内壳层结合能变大；SICCXPS技术原理一束具有特定波长的X射线束照射样品表面，测量从样品表面发射的光电子：1、根据光电子的能量，确定样品表面存在的元素；2、根据光电子的数量，确定元素在表面的含量；3、X射线束在表面扫描，可以测得元素在表面的分布；4、采用离子枪溅射及变角技术，可以得到元素在深度方向的分布；5、根据不同化学环境下光电子峰位移动、峰型、峰间距变化，获得化学信息；SICC*X X射线源射线源*超高真空不锈钢超高真空不锈钢舱室及超高真空舱室及超高真空泵泵*电子收集透镜电子收集透镜*电子能量分析仪电子能量分析仪*合金

13、磁场屏蔽合金磁场屏蔽*电子探测系统电子探测系统*适度真空的样品适度真空的样品舱室舱室*样品支架样品支架*样品台样品台*样品台操控装置样品台操控装置SICCXPS谱仪的基本结构框图影响仪器特性的最主要部件和因素影响仪器特性的最主要部件和因素一、仪器灵敏度：激发源强度；能量分析器的入口狭缝有效面积、立体接收角；电子传输率、电子检测器类型；二、仪器分辨率：X射线源的自然线宽、能量分析器的线宽、受激样品原子的能级线宽；SICCXPS主要分析技术一、表面元素定性分析技术二、元素深度分布分析技术三、表面元素面分布分析技术四、表面元素化学价态分析技术SICCXPS定性分析谱线的类型各原子轨道的光电子峰部分轨

14、道的自旋裂分峰K2产生的卫星峰X射线激发的俄歇峰SICCXPS元素深度分布分析1、变角、变角XPS深度分析：深度分析：利用采样深度的变化获得元素浓度与深度的对应关系；非破坏性分析；适用于15nm表面层；2、Ar离子剥离深度分析离子剥离深度分析：交替方式-循环数依据薄膜厚度及深度分辨率而定；破坏性分析；SICCXPS应用薄膜材料：厚度201000埃，大小10微米以上体材料如Si等；表面的整体平整度等应用于缺陷、腐蚀、氧化、褪色等材料领域的研究SICCXPS技术的优点及不足优点：一种无损检测手段。主要用于获取薄膜材料（单层膜、多层膜、调制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。不足：薄膜

15、材料不能太厚，太粗糙。SICC激光器样品室双单色器检测器记录仪 计 算 机前置单色器第三单色器色散型喇曼光谱仪的结构示意图色散型喇曼光谱仪的结构示意图SICC喇曼光谱分析基础喇曼光谱分析基础喇曼光谱分析基础：喇曼光谱分析基础：光子与分子之间能量交换E反映了指定能级的变化；喇曼位移取决于分子振动能级的改变；喇曼光谱可以作为分子结构定性分析的理论依据；定性分析依据：定性分析依据：相对于激发光频率位移（特征值）的喇曼散射谱带的位置、强度和形状获得分子内部结构和运动信息鉴定化合物、官能团及结构分析；SICC喇曼光谱分析喇曼光谱分析喇曼光谱是一种散射光谱红外光谱是一种吸收光谱。喇曼光谱是一种散射光谱红外

16、光谱是一种吸收光谱。喇曼光谱在喇曼光谱在20世纪世纪30年代末，是研究分子结构的主要手段。但是，当时的年代末，是研究分子结构的主要手段。但是，当时的喇曼效应太弱。所以，随着红外光谱的发展，其地位随之下降。喇曼效应太弱。所以，随着红外光谱的发展，其地位随之下降。在在1960年激光问世以后，喇曼光谱出现了新局面。现已经成为有机、无机、年激光问世以后，喇曼光谱出现了新局面。现已经成为有机、无机、高分子、生物、环保等各个领域内的重要分析手段。水和玻璃的喇曼光谱高分子、生物、环保等各个领域内的重要分析手段。水和玻璃的喇曼光谱很微弱，因而使得喇曼光谱的应用大大拓宽了。很微弱，因而使得喇曼光谱的应用大大拓宽

17、了。左图给出了散射效应的示意图。当一束左图给出了散射效应的示意图。当一束频率为频率为 0的激光入射到材料上时，绝大的激光入射到材料上时，绝大部分光子可以透过或者吸收。大约有部分光子可以透过或者吸收。大约有0.1的光子与样品分子发生碰撞后向各个的光子与样品分子发生碰撞后向各个方向散射。碰撞的过程有二方向散射。碰撞的过程有二:（1）弹性散射瑞利散射；）弹性散射瑞利散射；（2）非弹性散射喇曼散射。）非弹性散射喇曼散射。Stokes散射（能量减小）散射（能量减小）Anti-Stokes散射（能量增大）。散射（能量增大）。E1E0VirtualhE/0hE/00喇曼散射后光子的波数发生变化，喇曼散射后光

18、子的波数发生变化，成为喇曼位移。成为喇曼位移。SICC喇曼光谱分析喇曼光谱分析处于基态的分子，被激发到高能级上，获得处于基态的分子，被激发到高能级上，获得Stock线；处于激发态上的分子，回到基态线；处于激发态上的分子，回到基态时，获得时，获得antiStock线。线。由于处于基态的分子的数目远远大于处于激由于处于基态的分子的数目远远大于处于激发态的分子数目，所以发态的分子数目，所以Stock线的强度线的强度antiStock线要强得多。线要强得多。我们知道，瑞利散射和喇曼散射都是低效率我们知道，瑞利散射和喇曼散射都是低效率过程。瑞利散射只有入射光强度的过程。瑞利散射只有入射光强度的103，而

19、，而喇曼散射则只有喇曼散射则只有106。所以，只有强度足够。所以，只有强度足够大的光才能激发出满意的喇曼光谱。大的光才能激发出满意的喇曼光谱。另外，红外光谱中，某种振动是否有活性取另外，红外光谱中，某种振动是否有活性取决于分子振动时偶极矩的变化，而喇曼的活决于分子振动时偶极矩的变化，而喇曼的活性则取决于分子振动时极化度是否变化。性则取决于分子振动时极化度是否变化。E1E0VirtualhE/0hE/00喇曼散射后光子的波数发生变喇曼散射后光子的波数发生变化，称为喇曼位移。对应于同化，称为喇曼位移。对应于同一个分子能级，一个分子能级，Stock和和antiStock位移应该是相等的。位移应该是相

20、等的。极化度是指，分子在电场的作用下，分子中电子云变形的难极化度是指，分子在电场的作用下，分子中电子云变形的难易程度。右式中易程度。右式中 i为分子在入射光电场为分子在入射光电场E下的诱导偶极矩。下的诱导偶极矩。iSICC喇曼光谱分析喇曼光谱分析利用化学气相沉积方法制备的纳米碳利用化学气相沉积方法制备的纳米碳强化的二氧化硅纳米线的喇曼光谱。强化的二氧化硅纳米线的喇曼光谱。二氧化硅本身的喇曼强度很弱。二氧化硅本身的喇曼强度很弱。SICC喇曼光谱的应用举例喇曼光谱的应用举例清华大学物理系范守善教授研究组利用同位素标定的方法研究了碳纳米管的生长机制。清华大学物理系范守善教授研究组利用同位素标定的方法

21、研究了碳纳米管的生长机制。SICC喇曼光谱的应用举例低能离子束沉积在硅基片上获得的类金刚石（低能离子束沉积在硅基片上获得的类金刚石（DLC）碳薄膜材料的表征。）碳薄膜材料的表征。利用不同类型的含碳离子制备的碳薄膜的利用不同类型的含碳离子制备的碳薄膜的结构之间的差异。不含氢的结构之间的差异。不含氢的SP3份额多。份额多。SICC喇曼光谱用于分析的优点喇曼光谱用于分析的优点拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分析过程中操作简便，测定时间短，灵敏避免了一些误差的产生，并且在分析过程

22、中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。度高等优点。喇曼光谱用于分析的不足喇曼光谱用于分析的不足(1)拉曼散射面积拉曼散射面积(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰(4)在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题在进行傅立叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性的问题(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的

23、结果产生一定的影响。了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。SICC AES (Auger Electron Spectroscopy)俄歇电子能谱是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术。AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子，用电子能谱分析仪测量得么这些俄歇电子的能谱，就是俄歇电子能谱。根据能谱中有有元素特征的谱峰，即可推测分析区域有什么元素，达到表面分析的目的 SICCAES Auger效应Auger过程过程 Energy sourceEjected core electronOuter electron fills core level holeTransfer

24、 of excess energyAuger electron emittedSICCAES Auger效应Auger过程过程 (a)KL1L3 Auger 跃迁跃迁(b)K 1 辐射跃迁辐射跃迁 SICCAES Auger效应Auger过程过程 Core levelsEVIncident BeamEjected core level electronAuger electron emissionEVElectron fills core level holeSICC原理原理原子在被原子在被X射线或电子束激发时，其内层电子被击出，产生一个空射线或电子束激发时，其内层电子被击出，产生一个空位，此

25、时原子处于激发态，这种不稳定状态的原子在恢复其基态稳位，此时原子处于激发态，这种不稳定状态的原子在恢复其基态稳定状态时，可由两种互相竞争的过程实现：一种是由较高能级的一定状态时，可由两种互相竞争的过程实现：一种是由较高能级的一个电子落入空位填充，多余的能量以特征个电子落入空位填充，多余的能量以特征X射线辐射出；另一种是射线辐射出；另一种是内层空位被较高能级电子填入，多余能量又使同一层或更高层的另内层空位被较高能级电子填入，多余能量又使同一层或更高层的另一电子激发为自由电子，该自由电子便是俄歇电子。俄歇电子的能一电子激发为自由电子，该自由电子便是俄歇电子。俄歇电子的能量只与原子所处的能级，及原子

26、结构有关，而与入射激发源无关，量只与原子所处的能级，及原子结构有关，而与入射激发源无关，它是表征物质原子特性的一个特征量。周期表中各元素的各类俄歇它是表征物质原子特性的一个特征量。周期表中各元素的各类俄歇电子的能量都有确定的值，因此只要能测出样品中俄歇电子的能量，电子的能量都有确定的值，因此只要能测出样品中俄歇电子的能量，再与已知元素俄歇电子能量对照，便可确定样品表面的元素成分，再与已知元素俄歇电子能量对照，便可确定样品表面的元素成分，这种分析方法便是俄歇电子能谱分析这种分析方法便是俄歇电子能谱分析 SICCAES Auger效应在实用的在实用的Auger电子能谱仪中，初态空位电子能谱仪中，初

27、态空位的产生是通过具有一定能量的电子束轰击的产生是通过具有一定能量的电子束轰击样品表面而实现的。样品表面而实现的。用于表面分析的用于表面分析的Auger电子的能量一般在电子的能量一般在02000eV之间。之间。SICCAES AES装置电子枪电子枪 电子枪是用于激发Auger电子的装置。电子能量分析器电子能量分析器 电子能量分析器是分析电子能量的装置，是Auger电子谱仪的重要组成部分。真空系统真空系统 Auger电子谱仪都带有超高真空系统。数据的采集和记录数据的采集和记录 Auger电子谱仪的数据采集一般是以脉冲计数的形式，通过计算机采集不同能量下的Auger电子数离子枪和预处理室离子枪和预

28、处理室 离子枪是进行样品表面剖离的装置；样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。SICCAES AES分析方法扫描扫描Auger显微探针显微探针(SAM)Al-Si合金的合金的SEM,SAM及线扫描及线扫描 S A M 常 配常 配有线扫描功有线扫描功能，给出成能，给出成分沿某一方分沿某一方向上的变化向上的变化。SICCAES优点与不足优点与不足优点优点属于二次电子能谱法，多用于对固体，或凝聚态属于二次电子能谱法，多用于对固体，或凝聚态物质进行元素和价态的分析，图谱简单，物质进行元素和价态的分析，图谱简单，基体效基体效应较低，较易建立分析方法，标准曲线具有较宽应较低，较易建立分析方法，标准曲线具有较宽的线性范围，具有良好的精密度和重复性的线性范围，具有良好的精密度和重复性 不足不足仪器要求较高，需常用来和仪器要求较高，需常用来和X X射线光电子能谱射线光电子能谱,荧荧光光谱，互补联合使用，且灵敏度低于质谱法光光谱，互补联合使用，且灵敏度低于质谱法SICC很多东西不懂，PPT做的不是很条理，而且还有比较重要的ICP-MS、TEM、SEM、FTIR、TOF、XRD、XRR、XRF等没有做详细的了解跟介绍，通过这次做PPT,深刻认识到需要学习的还有很多。谢谢！谢谢！