与二次离子质谱的异同
• 相同点：都使用一定种类和能量的离子束 入射到表面 • 入射离子能量范围：20ev~10kev(ISS),kev 级（SIMS） • 研究对象：经过与表面作用后反射回来的 原离子束，并且分析其能量（ISS） 被入射离子束电离了的、从表面层发射出 来的新离子，并分析其质量（SIMS）
• 5多次散射（二次散射）：入射离子发生多 次散射之后再出射 • 二次散射能量分布： • K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2X﹝cosθ2+（A2-sin2θ2）
1/2﹞2/(1+A)2
• 其中θ1和θ2为两次散射的散射角 • 总散射角θ= θ1 + θ2
离子表面散射能量变 化与散射角的关系图
各种表面分析方法的分析深度
• ISS只能分析第一层表 面原子 • 二次离子质谱SIMS分 析深度大约为10Å • 俄歇电子谱AES • 真空紫外光电谱UPS • 离子探针IMP • X射线光电子谱XPS
基本原理
单粒子弹性散射模型的基本假设
• 1入射离子为单色离子束 • 2被撞击的表面原子为初始状态为静止，忽 略热振动 • 3表面原子与入射离子间的作用为单粒子间 作用 • 4碰撞为弹性，满足能量守恒和动量守恒 E0=E1+E2 P0=P1+P2
• 横轴散射角，纵轴为E1/E0
• 双散射的曲线是闭合的，对于一定入射角入射的 离子，散射角 • 存在极小值 • （阴影效应）
阴影效应的解释
• 发生多次散射的离子与靶原子至少有一次碰撞， 这次碰撞后入射离子无法进入阴影区域 • 推测原因：1入射离子质量小于靶原子 2入射离子能量低 3被撞击靶原子在材料中受到其他原子 的固定作用（结合力） 这三个原因导致被撞击的靶原子被撞击后移动很小， 近似为静止。由于入射离子波动性不明显，这样 多次散射入射粒子无法绕到靶原子后方的阴影区
• K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2 K=E1/E0, A=m2/m1 • 其中E0、m1、θ1固定且已知，E1为实验测 得，根据上式可以计算得到m2，从而得到 表面原子的种类等信息
单粒子散射模型的局限性
• 1表面邻近原子作用（弱作用->准单粒子散 射） • 2表面原子热振动 • 离子散射作用时间：10-16s • 常温下表面原子振动周期：10-12s • 3非弹性散射 • 4表面离子中和，大大减小弹性散射束的强 度
能量分析灵敏度与表面散射的微分截面
• 能量分析灵敏度ΔE1/ΔM2 ，表示单位质量 差的原子的散射峰的峰位分离度，分离度 大便于分析 • 表面散射微分截面： 表征探测器接受从表面散射回来的离子的能 力
两者如何协调
• Δห้องสมุดไป่ตู้1/ΔM2=
• 常用入射离子：He+、Ne+、Ar+ (K+、Na+) • A=m2/m1=2~5 • E0/m1 与 (z1/E0 )2
按照这种假设，阴影区的大小和靶原子的大 小和种类以及入射离子种类有关，方向与 离子入射角度有关
如果考虑靶原子的移动，则还与m1/m2、入 射离子能量，以及靶原子在材料表面结合 力的大小有关
• E1是散射角θ的双 值函数，靠近单粒 子散射的对应准单散 射峰，另一个较高的 应准双散射峰。导致 峰值模糊或出现双散射 峰，但是单散射仍然占主导地位 • 入射角较大或者较小时，两个值很接近，而当入 射角为45°时差距较大 • 应对措施：增大入射角、适当减小离子束的能量 和Z值（减小近邻原子影响，以及发生多次散射的 几率）
谢谢
学习动物精神
• 11、机智应变的猴子：工作的流程有时往往是一成不变的， 新人的优势在于不了解既有的做法，而能创造出新的创意 与点子。一味 地接受工作的交付， 只能学到工作方法 的皮毛，能思考应 变的人，才会学到 方法的精髓。
学习动物精神
• 12、善解人意的海豚：常常问自己：我是 主管该怎么办才能有助于更好的处理事情 的方法。在工作上善解人意， 会减轻主管、共 事者的负担，也 让你更具人缘。
• 60年代初 ，荷兰物理学家基斯特马克 （J.Kistermaker）发现离子诱导辐射现象 • 1973年开始离子束表面散射的研究 • 与二次离子质谱一起成为表面分析的有效工具
应用
• • • • 1清洁表面结构分析 2表面组态分析 3材料纯度分析 4用于监视对半导体材料的元素扩散、注入或催化 表面的污染 • 5用离子束分析薄膜的污染和组成，薄膜结构以及 薄膜界面的研究，特别是用于薄膜太阳电池的研 究 • 6用于研究催化剂或其他表面 • 7研究表面的结构、吸附与电性能（如电子发射） 之间的关系
• 从能量守恒和动量守恒出发进行分析 E0=E1+E2， P0=P1+P2 • 代入具体量： • m1v02=m1v1v2cosθ1+m2v2v0cosθ2 • p12=p02+p22-2p0p2cosθ2 将θ2消掉，令K=E1/E0, A=m2/m1 ,处理后的结果： K=﹝cosθ1+（A2-sin2θ1）1/2﹞2/(1+A)2 得到能量比K、质量比A和散射角θ1之间的关系
低能离子散射分析技术
李建军 2011.11.16
主要内容
• 发展背景 • 应用 • 分析原理以及入射离子选取
低能离子束散射谱ISS
• 定义：用一定能量和种类（原子种类和带电量） 的低能离子束撞击表面，分析经过与表面作用后 反射回来的原离子束，分析其能量的变化，这种 能量的变化包含了表面的一部分信息