背散射研究生课用
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角度的散射（背散射），会引起在峰值位置与表面一侧有 较多的离子堆积；重离子散射得更深。
卢瑟福背散射谱的分析
RBS是利用带电粒子与靶核间的大角度库 仑散射的能谱和产额确定样品中元素的质 量数、含量及深度分布。该分析中涉及最 主要的三个基本物理量，即：
运动学因子—质量分析 背散射微分散射截面—含量分析 能量损失—深度分析
1967年，美国宇航飞机首次用背散射完成了月亮表面的 元素分析。
Rutherford Backscattering Spectrometry （RBS）
什么是卢瑟福背散射
当一束高能离子入射到靶片上，由于库仑排斥作用，
与靶核发生弹性碰撞。发生碰撞后，散射离子与靶原子的 速度、能量分别变为1，E1和2、E2，为散射离子的散 射角。第二章讨论过，在其他条件都固定不变时， 与碰 撞参数P有关， P大，小， 反之P小，大。
在背散射分析中，一般探测的散射离子的散射角均大 于90度，大约在160-170度最佳。
•这种散射可能发生在表面，也可 能发生在表面以下的一定深度范围 内。背散射离子在碰撞的大量离子 中占的比例很小，然而它却是背散 射分析技术的基础。
卢瑟福背散射分析的原理
•物理基础：中心力场中的经典散射理论，即入射离子于靶原子核之间 的大角度库仑散射。 •当入射能量和散射方向固定时，背散射离子的能量取决于靶原子的质 量及碰撞靶原子在靶表面下的深度。
P Z1Z2e2 ctg
v12
2
P Z1Z2e2 v12
P
Z1Z2e2 v12
<90º ﹥90º 背散射
入射离子中总有一部分足够靠近靶核（P足够小）， 与靶核发生大角度的弹性散射，使散射粒子几乎沿着入射 反方向从样品表面返回，这种现象叫做背散射现象，这样 的离子称为背散射离子。
• RBS是使用最为普遍的一种“非破坏性”分析方法。
离子束分析概述
粒子与离子的概念差异
在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称
离子束分析的概念
总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质 中元素组成及结构的一门学科
具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha离子及其 它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射 和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射 线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科
第四章ຫໍສະໝຸດ Baidu
离子束分析固态材料的组分和结构 ———背散射技术与沟道分析
荷能粒子与固体表面的相互作用包括一系列的各种不同的基本过程。
用粒子束作为微探针轰击固态靶材料表面后，如果从真空端用不同的 探测器进行探测，可以观察到：
入射粒子
靶
被散射出来的入射粒子 表面溅射原子、原子团 离化的表面原子或原子团（分子）二次离子SIMS 电子 光（X射线） PIKE（质子入射，质子荧光分析）
为了对其概念有一深入的理解，大家来看离子束作用机制图
离子束分析作用机制图
次级离子质谱
离 子
--
Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)
俄歇电子谱
原 子
Auger Electron Spectrometry(AES)
作
粒子诱发X射线荧光分析
用 范
Particle Induced X-ray Emission(PIXE) 畴
缺点
设备复杂、成本较高
背散射研究的发展史
1909年，盖革（H. Geiger）和马斯顿（E. Marsden）使 用离子背散射进行了物质分析
1911年，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）解释了该现 象，并确立了原子的核式结构模型
1957年，茹宾（Rubin）首次利用质子和氘束分析收集在 滤膜上的烟尘粒子的成份
假如一个离子与表面相互作用的总截面小于10nm2，当入射离子 束流密度低于1μA/cm2时，不同离子对表面的作用不会重叠或互 相干扰。因此，这种情况下，对于离子束与表面的作用总可以用 单个离子与表面的作用来处理，这对于表面分析技术有时非常重 要。
离子束分析方法的优缺点
优点
灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广 和取样量少等优点，因此特别适用于痕量元素的分 析
弹性反冲分析
离 子
--
Elastic Recoil Detection(ERD)
核反应分析
原 子
Nuclear Reaction Analysis(NRA)
核
作
卢瑟福背散射分析
用
范
Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS) 畴
粗略地估计，一个离子与固体表面相互作用引起的各种过程的总 驰豫时间一般低于10-12秒；
纵向分布
• 硼比硅原子质量轻得 多，硼离子注入就会 有较多的大角度散射。 被反向散射的硼离子 数量也会增多，因而 分布在峰值位置与表 面一侧的离子数量大 于峰值位置的另一侧， 不服从严格的高斯分 布。
• 砷等重离子和硼轻离 子的分布正好相反。
注入离子的真实分布
锑
• 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 • 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大
通过对散射离子能量的测量，可以确定靶原子的质量。 发生碰撞时，靶的原子浓度及散射截面决定了散射离子的多少。通过 对散射产额的测量，可以定量的确定靶原子的含量。 离子碰撞前、后穿透靶物质的深度决定了离子能量损失的大小，通过 对离子能谱的测量，可以确定靶原子的深度分布。
背散射的离子由探测器接收，得到背散射离子的能谱图。因此，测得 散射离子的能谱就可以获得上述信息，从而可以对靶中所含元素作定 性和定量分析。
每种发射出来的粒子都可以说携带了一定的表面成分或结构的信息， 探测和分析这些不同粒子的信号（能谱、质谱或光谱），就形成了不 同的离子束表面分析技术。
通过分析这些特征信号得到固态材料的组分和结构信息。
常见的以离子束为探针的分析方法有： 卢瑟福背散射谱学（RBS） 离子感生X射线发射谱（PIXE） 二次离子质谱（SIMS）
运动学因子—质量分析
运动学因子 的定义：
K=E1/E0，
卢瑟福背散射谱的分析
RBS是利用带电粒子与靶核间的大角度库 仑散射的能谱和产额确定样品中元素的质 量数、含量及深度分布。该分析中涉及最 主要的三个基本物理量，即：
运动学因子—质量分析 背散射微分散射截面—含量分析 能量损失—深度分析
1967年，美国宇航飞机首次用背散射完成了月亮表面的 元素分析。
Rutherford Backscattering Spectrometry （RBS）
什么是卢瑟福背散射
当一束高能离子入射到靶片上，由于库仑排斥作用，
与靶核发生弹性碰撞。发生碰撞后，散射离子与靶原子的 速度、能量分别变为1，E1和2、E2，为散射离子的散 射角。第二章讨论过，在其他条件都固定不变时， 与碰 撞参数P有关， P大，小， 反之P小，大。
在背散射分析中，一般探测的散射离子的散射角均大 于90度，大约在160-170度最佳。
•这种散射可能发生在表面，也可 能发生在表面以下的一定深度范围 内。背散射离子在碰撞的大量离子 中占的比例很小，然而它却是背散 射分析技术的基础。
卢瑟福背散射分析的原理
•物理基础：中心力场中的经典散射理论，即入射离子于靶原子核之间 的大角度库仑散射。 •当入射能量和散射方向固定时，背散射离子的能量取决于靶原子的质 量及碰撞靶原子在靶表面下的深度。
P Z1Z2e2 ctg
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P Z1Z2e2 v12
P
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<90º ﹥90º 背散射
入射离子中总有一部分足够靠近靶核（P足够小）， 与靶核发生大角度的弹性散射，使散射粒子几乎沿着入射 反方向从样品表面返回，这种现象叫做背散射现象，这样 的离子称为背散射离子。
• RBS是使用最为普遍的一种“非破坏性”分析方法。
离子束分析概述
粒子与离子的概念差异
在微观领域，粒子是离子、电子、光子和亚核粒子等的总称
离子束分析的概念
总的来说：以离子束作为工具，通过它与物质相互作用来判断物质 中元素组成及结构的一门学科
具体来说：利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha离子及其 它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激发、发射 和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程中所产生的射 线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量的一门学科
第四章ຫໍສະໝຸດ Baidu
离子束分析固态材料的组分和结构 ———背散射技术与沟道分析
荷能粒子与固体表面的相互作用包括一系列的各种不同的基本过程。
用粒子束作为微探针轰击固态靶材料表面后，如果从真空端用不同的 探测器进行探测，可以观察到：
入射粒子
靶
被散射出来的入射粒子 表面溅射原子、原子团 离化的表面原子或原子团（分子）二次离子SIMS 电子 光（X射线） PIKE（质子入射，质子荧光分析）
为了对其概念有一深入的理解，大家来看离子束作用机制图
离子束分析作用机制图
次级离子质谱
离 子
--
Secondary Ion Mass Spectrometry(SIMS)
俄歇电子谱
原 子
Auger Electron Spectrometry(AES)
作
粒子诱发X射线荧光分析
用 范
Particle Induced X-ray Emission(PIXE) 畴
缺点
设备复杂、成本较高
背散射研究的发展史
1909年，盖革（H. Geiger）和马斯顿（E. Marsden）使 用离子背散射进行了物质分析
1911年，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）解释了该现 象，并确立了原子的核式结构模型
1957年，茹宾（Rubin）首次利用质子和氘束分析收集在 滤膜上的烟尘粒子的成份
假如一个离子与表面相互作用的总截面小于10nm2，当入射离子 束流密度低于1μA/cm2时，不同离子对表面的作用不会重叠或互 相干扰。因此，这种情况下，对于离子束与表面的作用总可以用 单个离子与表面的作用来处理，这对于表面分析技术有时非常重 要。
离子束分析方法的优缺点
优点
灵敏度高、分析时间短、不破坏样品、分析范围广 和取样量少等优点，因此特别适用于痕量元素的分 析
弹性反冲分析
离 子
--
Elastic Recoil Detection(ERD)
核反应分析
原 子
Nuclear Reaction Analysis(NRA)
核
作
卢瑟福背散射分析
用
范
Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS) 畴
粗略地估计，一个离子与固体表面相互作用引起的各种过程的总 驰豫时间一般低于10-12秒；
纵向分布
• 硼比硅原子质量轻得 多，硼离子注入就会 有较多的大角度散射。 被反向散射的硼离子 数量也会增多，因而 分布在峰值位置与表 面一侧的离子数量大 于峰值位置的另一侧， 不服从严格的高斯分 布。
• 砷等重离子和硼轻离 子的分布正好相反。
注入离子的真实分布
锑
• 真实分布非常复杂，不服从严格的高斯分布 • 当轻离子硼（B）注入到硅中，会有较多的硼离子受到大
通过对散射离子能量的测量，可以确定靶原子的质量。 发生碰撞时，靶的原子浓度及散射截面决定了散射离子的多少。通过 对散射产额的测量，可以定量的确定靶原子的含量。 离子碰撞前、后穿透靶物质的深度决定了离子能量损失的大小，通过 对离子能谱的测量，可以确定靶原子的深度分布。
背散射的离子由探测器接收，得到背散射离子的能谱图。因此，测得 散射离子的能谱就可以获得上述信息，从而可以对靶中所含元素作定 性和定量分析。
每种发射出来的粒子都可以说携带了一定的表面成分或结构的信息， 探测和分析这些不同粒子的信号（能谱、质谱或光谱），就形成了不 同的离子束表面分析技术。
通过分析这些特征信号得到固态材料的组分和结构信息。
常见的以离子束为探针的分析方法有： 卢瑟福背散射谱学（RBS） 离子感生X射线发射谱（PIXE） 二次离子质谱（SIMS）
运动学因子—质量分析
运动学因子 的定义：
K=E1/E0，