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波谱仪
• 由布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经一 定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将 有不同的衍射角。 • 连续改变，在与X射线入射方向呈2 的位置上测到 不同波长的特征X射线信号。 • 由莫塞莱定律可确定被测物质所含元素 。
特征X射线的波长决定于初态和 终态的能量差. 波谱仪：利用单晶对X射线的衍 射来测量激发X射线的波长，作 为所含元素的依据。
• 处于表面的原子的 周围（晶场）环境 和结合能与大块固 体内部原子有很大 的不同：表面原子 周围缺少相邻的原 子，有许多悬空 键，具有不饱和性 质，易与其它原子 相结合，故具有很 大的化学活性。
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1.2表面分析技术
• 表面形貌分析技术 • 表面成分分析技术 • 表面结构分析技术
• 基本原理：利用入射电磁波或物质波与物质作用， 产生携带样品信息的各种出射电磁波或物质波，探 测这些出射的信号，进行分析处理，即可获得固体 的形貌、结构、成分、价键信息。
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光电子的能量
• 用X射线照射固体时，由于光电效应，原子的某一能 级的电子被击出物体之外，此电子称为光电子。 • 如果X射线光子的能量为hν，电子在该能级上的结合 能为Eb，射出固体后的动能为Ek，则它们之间的关系 为： hν=Eb+Ek+s +A • 式中s为功函数，它表示固体中的束缚电子除克服各 别原子核对它的吸引外，还必须克服整个晶体对它的 吸引才能逸出样品表面，即电子逸出表面所做的功。 上式可另表示为： Eb＝hν-Ek-s-A • 可见，当入射X射线能量一定后，若测出功函数和电 子的动能，即可求出电子的结合能。由于只有表面处 的光电子才能从固体中逸出，因而测得的电子结合能 必然反应了表面化学成份的情况。这正是光电子能谱 29 仪的基本测试原理。
• 特点：
• 对样品表面形貌敏感 • 空间分辨率高 • 信号收集效率高
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背散射电子(BE)
• 在弹性和非弹性散射过程中，有些入射电子累计 散射角超过90°，这些电子将重新从样品表面逸 出，称为背散射电子。即被固体样品中的原子核 反弹回来的一部分入射电子。 • 背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。 • 在电子显微分析仪器中利用背散射电子信号通常 是指那些能量较高的电子，其中主要是能量等于 或接近E0的电子。 • 特点： • 对样品物质的原于序数敏感 • 分辨率及信号收集率较低 8
扫描电镜的工作原理及构造
• SEM是利用聚焦电子束在样品上 扫描时激发的某种物理信号来调 制一个同步扫描的显象管在相应 位置的亮度而成象的一个电子光 学仪器（显微镜）。 • 由于高能电子束与样品物质的相 互作用，产生各种电子信息：二 次电子，反射电子，吸收电子等。 这些信息被收集后经过放大送到 成像系统，用于调制像点的亮 度，信号越强，像点越亮。 • 光栅扫描，逐点成像
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二次电子
• 当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉 电子而变成离子，这个脱离原子的电子称为二次电子。 • 二次电子的能量较低，不超过50eV。二次电子只能从样品 表面层5-nm深度范围内被入射电子束激发出来。 • 当样品表面不平时，入射束相对于样品表面的入射角发生变 化，使二次电子的强度相应改变，如果用检测器收集样品上 方的二次电子并使其形成反映样品上各照射点信息强度的图 像，则可将样品表面形貌特征反映出来，形成所谓“形貌衬 度”图像。
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电子探针分析模式
• 以点、线、面的方式测定样品的成份和平均含量。 • 定点分析 • 测定样品在某一线长度上的元素分布分析模式。 电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素 质量分数的定性或半定量分析。（线扫描分析） • 测定元素在样品指定区域内的面分布分析模式。 电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素 的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮 度，获得该元素质量分数分布的扫描图像．（面 扫描分析）
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第三章 扫描电子显微分析
电子束与固体样品作用时产生的信号
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• 二次电子：外层价电子激发(SEM) • 背散射电子：被反弹回来的一部分入射 电子 (SEM) • 吸收电子(SEM) • 透射电子（TEM） • 俄歇电子：内层电子激发(AES，表面层 成分分析) • 特征X射线：内层电子激发(EPMA，成分 分析)
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第五章 X射线光谱分析
• • • • 成分和价键分析概论 X射线的产生 X射线与物质的相互作用 X射线光谱分析
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5.1 成分和价键分析概论
• 基本原理：核外电子的能级分布反应了原子的特征信息。 利用不同的入射波激发核外电子，使之发生层间跃迁，在 此过程中产生元素的特征信息。 • 根据出射信号的不同，成分分析手段分为两类：X光谱和电 子能谱，出射信号分别是X射线和电子。 • • • • X光谱： 表面＋内部信息 空间分辨率不高 无法探测元素的化学环境
• 电子能谱： • 表面元素分析 • 表面元素价态分析
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基本原理
• 入射电磁波或物质波与样品原子作用，导致原 子的总能量升高处于激发状态。 • 激发态不稳定，原子较外层电子将跃迁入内层 填补空位，使总能量降低趋于稳定。 • 跃迁的始态和终态的能量差∆E为原子的特征 能量，由元素种类决定，并受原子所处环境的 影响。 • 可以根据一系列的∆E确定样品中的原子种类 和价键结构。
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第六章 X射线光电子能谱分析
光电过程机理
光线与物质的相互作用
• 反射（能量不损失） • 吸收（能量转化为热能） • 光电离（转化为电子） M+hV－－》M+ ＋ e 一般为单电子过程 只要光子能量足够，可以激发出所有轨道电子。
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• 光电子的产生 — 光电效应 –在高真空系统中，采用单色光源去照射固体 样品，使样品中的电子受到激发而发射出来 • 光电子发射过程 –光电子的产生（入射光子与物质作用，光致 电离产生光子） –光电子的运输（光电子自产生处运输到物质 表面） –光电子的逸出（克服表面势垒而发射到物质 外的真空中去）
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第四章 扫描探针显微分析
• 扫描隧道显微镜STM • 原子力显微镜AFM
主要用途是测量原子级的表面形貌。
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扫描探针显微镜SPM
SPM是指在STM基础上发展起来的一大类显微镜， 通过探测极小探针与表面之间的物理作用量如光、 电、磁、力等的大小而获得表面信息。
• SPM是用来探测表面性质的仪器。 • 代表是扫描隧道显微镜和原子力显微镜。 • SPM具有原子级表面形状分辨率，并可检测多种纳米 级表面特性如力学特性、电性、磁性、热性等等。 • 优点为仪器体积小，样品无需特殊处理，可在任何 环境下进行测量；缺点为缺乏成份分析功能。
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能谱仪
• 利用X光量子的能量不同进行元素分析。 • 对于某一种元素的X光量子有特定的能量，利用 半导体探测器和多道脉冲高度分析器，将X光量 子按能量展谱。
标准样品 : Sn Sn 1-Jun-1999 12:00 AM Pb PbF2 1-Jun-1999 12:00 AM 元素 Sn Pb 总量 重量百分比 原子百分比 *** 62.88 74.73 37.12 25.27 100.00
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5.2 X射线的产生
• X射线由高速电子与靶碰撞，与该物质中的原子相 互作用发生能量转移所产生。 • 产生条件：快速电子、空间运动、靶子 • 内层电子逸出，外层电子跃迁 • 能量差释放产生特征X射线 • Moseley定律决定特征X射线的波长： (1/λ)1/2=K(Z-σ) • 电子与原子核作用，能量损失产生连续X射线
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5.3 X射线光谱分析
• 当用X射线、高速电子和其它高能粒子轰击样品 时，试样中各元素的原子若受到激发，将处于 高能量状态，当它们向低能量状态转变时，产 生特征X射线。 • 分析特征X射线的波长（或特征能量）和强度， 可确定组成样品的元素种类及其含量。 • 电子探针采用聚集电子束激发样品，用来测定 特征波长的谱仪叫做波谱仪；用来测定X射线特 征能量的谱仪叫能谱仪。 • 能方便地分析从4Be到92U之间的所有元素。
利用了原子间的力 关键技术：微悬臂及其位移检测
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AFM的工作
• 将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微 小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子 与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-8～10-6N）， 通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对 应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样 品的表面方向起伏运动； • 利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于 扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。
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STM的结构与工作过程
压电管控制电压 带电极的压电管（根据隧道 电流的的大小随时调整针尖 和样品的距离，以保持隧道 电流的恒定）
距离控制和扫 描单元
隧道电流放大 器
隧道电压（用以产 生隧道效应）
13 数据处理及显示
STM的重要器件
• 压电陶瓷: 当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电 陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所 加的电压的大小呈线形关系。 • 通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。 • 把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形 状。通过控制X，Y方向伸缩达到驱动探针在样品表面扫描的 目的；通过控制 Z 方向压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样 品之间距离的目的。 • 扫描用探针: STM探针的最尖端非常尖锐的，通常只有一两 个原子。隧道电流强度对针尖与样品表面之间距S非常敏 感，S减小 0.1nm，隧道电流I将增加一个量级。利用电子反 馈线路控制隧道电流恒定，用压电陶瓷材料控制针尖在样品 表面的扫描，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运动的轨迹用计算机记录下来，就得 14 到了样品表面态密度的分布或原子排列的图象。
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AFM设计思想