卢瑟福背散射(RBS)在材料表征中的应用
卢瑟福背散射谱和红外干涉反射谱研究冷注入锗离子对单晶硅的损伤
第33卷 第6期Vol 133 No 16稀 有 金 属CH I N ESE JOURNAL OF RARE MET ALS2009年12月Dec 12009 收稿日期:2009-10-08;修订日期:2009-10-20 基金项目:国家自然科学基金项目(60706001)资助 作者简介:肖清华(1972-),男,江西吉安人,博士,高级工程师;研究方向:半导体材料3通讯联系人(E -mail:exiaoqh@ )卢瑟福背散射谱和红外干涉反射谱研究冷注入锗离子对单晶硅的损伤肖清华13,王敬欣2(1.北京有色金属研究总院有研半导体材料股份有限公司,北京100088;2.北京有色金属研究总院科技信息研究所,北京100088)摘要:主要研究锗离子在77K 温度下的冷注入对单晶硅片表面的预非晶化效果,并与室温注入情形予以对比。
卢瑟福背散射谱(RBS )和红外干涉反射谱被用于对非晶层的研究。
实验表明,冷注入要比室温注入的退沟道效应更为显著,反射率降低更为明显,意味着引入的损伤更为严重,更容易使硅单晶非晶化。
而且,冷注入产生的最大损伤峰比室温注入的位于更深的位置,相应的非晶层/硅单晶衬底界面有更深的推入。
结果还表明,同样的注入温度下,剂量越大,损伤越严重。
关键词:硅;锗;冷注入;损伤;卢瑟福背散射谱;红外干涉反射谱doi:10.3969/j .issn .0258-7076.2009.06.023中图分类号:O613.72 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2009)06-0879-05 锗离子注入结合固相外延是形成SiGe /Si 异质结构一种重要的方法[1～5]。
事实上,第一个n 型Si/SiGe MOSFET [6]就是通过使用高剂量Ge 离子注入实现的,以SiGe 材料为基极的npn 双极管器件也已通过这种方法实现。
这种方法不需要高纯的原料,设备真空度也不需要分子束外延、超高真空气相外延工艺中那么高,具有成本相对低的优点,并且容易与传统的硅技术相结合。
RBS实验报告(第九题感觉可以用来做第三题)
从图 2.1 中可以看出，随着靶的原子质量的增加，dK/dMr 逐渐减小。 这说明，利用 RBS 测定轻元素时，其质量分辨率高；测定重元素时，其质
量分辨率低。 因此可以通过以下方法提高质量分辨率：1、提高入射离子的能量；2、将探 测器固定在 180o 附近；3、使用质量较大的入射离子；4、提高探测器的能量分 辨率。 另外， 靶原子的质量越大， 散射离子的能量越大， 被散射的离子数也较多， 产额也越高。
2 M r sin θ 1− ⋅ cos θ M p
2 ∂s Z p ⋅ Z r ⋅ e 4 = × × 4 ∂Ω 4E 0 sin θ
2
M sin θ 1− r Mp
2.4 沟道效应
固体中的原子的排列决定材料的性质。在单晶中原子是按照一定的规律有 序的排列的。当一束高度准直的带电粒子束入射到单晶靶上，在入射角 ψ（束流 方向与靶原子列或者原子平面之间的夹角） 小于某一个临界角度 ψc 或者 ψ1/2 时， 由于受到晶格原子周期库仑势 U(r)的制约，入射离子只能在原子列（或者晶面） 之间振荡前进， 从而使得它们与晶格原子核之间的近距离碰撞事件的几率比非晶 靶要小的多（小 20～30 倍） 。这种效应成为晶体的沟道效应。 沟道效应产生的条件为： (1)入射束必须高度准直，单晶靶表面必须清洁； (2)离子在垂直沟道轴方向上的能量要不大于周期库仑势函数 U(r)。 在产生沟道效应时，可以测得入射离子近距离碰撞事件的产额随着入射角 度的分布，如图 3.2 示。整个的分布像个“坑”，所以通常称为“沟道坑”。在沟道 方向（ψ＝0） ，由于近距离碰撞事件的几率最小，因而得到角分布的极小值。在 ψ<ψc 的沟道条件下，所测得的近距离碰撞事件的出射离子的能谱高度也比随机 能谱的高度低的多。
2023年RBS实验报告
卢瑟福背散射（RBS）试验汇报何燃核科学与技术学院一、试验目旳1、掌握RBS分析原理，理解试验装置；2、初步掌握RBS旳分析措施。
二、试验原理当入射离子能量远不小于靶中原子旳结合能(~10ev量级),并低于与靶原子发生核反应旳能量(一般100kev/amu ≤E ≤1Mev/amu)时,离子在固体中沿直线运动,入射离子重要通过与电子互相作用而损失能量,直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面.在这个背散射过程中包括四个基本物理概念.它们是:a)两体弹性碰撞旳运动学因子Kb)微分散射截面σc)固体旳制止截面εd)能量歧离这四个基本概念是背散射分析旳理论基础和应用旳出发点也是限制其应用旳最终原因.RBS旳分析原理详细来说如下：1、运动学因子和质量辨别率1）运动学因子旳定义：K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量（动能），E1是散射粒子能量（动能）。
由于库伦散射是弹性散射，动量和能量守恒可以得到由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m），能量（E0）和探测角度（θ）一定期，E1与M成单值函数关系。
图1 入射粒子与靶原之间旳弹性碰撞示意图因此，通过测量一定角度散射离子旳能量就可以确定靶原子旳质量数M。
这就是背散射定性分析靶元素种类旳基本原理。
2）质量辨别率旳定义如δE是RBS探测器系统旳能量辨别率，也就是可辨别旳背散射离子最小旳能量差异。
那么RBS旳质量辨别率δM为：δM是对样品中靶核质量差异旳辨别能力。
当一靶核质量数与另一靶核质量数M旳差异不不小于δM时RBS无法将这两种元素辨别开。
3）提高背散射质量辨别率旳措施有：a)提高入射离子能量，但入射离子能量过高会使入射离子和靶原子发生核反应。
故不适宜过高。
b)通过提高离子探测系统旳能量辨别率，可采用静电分析器或飞行时间技术。
c)试验安排上要使θ尽量靠近180度。
d)运用大质量旳入射离子。
但金硅面垒探测器对重离子能量辨别率较差，因此M1一般选4~7。
卢瑟福背散
卢瑟福背散【摘要】卢瑟福背散射分析（RBS ）是一种对离子束进行分析的方法，其主要优点是能对材料表层的成分作纵向分析，并且无需材料的标准样品就能作定量分析。
本报告主要介绍了RBS 的分析原理、实验装置，并且对实验谱图和数据作了简单分析，重点是对实验谱图进行了能量刻度的标定以及计算薄膜的厚度。
【关键词】RBS 分析原理【引言】背散射分析就是在一束单能的质子、粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（库伦弹性散射、散射角大于90度）离子产额随能量的分布（能谱）确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。
因此背散射分析通常被称为卢瑟福背散射谱学RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).【实验原理】当比靶核轻的入射离子能量amu MeV E amu keV /1/100≤≤范围，靶原子核外电子对入射离子的屏蔽作用不大，且离子和靶原子核的短程相互作用（核力）影响也可以忽略时，离子在固体中沿直线运动，离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。
这个过程就称为离子的背散射过程。
描述离子背散射过程的三个基本物理概念主要有两体弹性碰撞的运动学因子、微分散射截面、固体的阻止截面。
一． 运动学因子和质量分辨率：运动学因子的定义：01E E K =其中0E 是入射粒子能量（动能），1E 是散射粒子能量（动能）。
根据动量与能量守恒定律，可以推导得到：212111⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-==M mM m cos θM m sin θE E Ｋ (1-1)由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（0E ）和探测角度（θ）一定时，1E 与M 成单值函数关系。
所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。
这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
卢瑟福背散射分析 Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS)
2.2 卢瑟福背散射分析的原理
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。该分析中有三个基 本点，即：
运动学因子—质量分析 背散射微分截面—含量分析 能损因子—深度分析
2.3最佳实验条件的选取
• 由背散射的原理可导出最佳的实验条件：
– 质量分辨 – 含量分辨 – 深度分辨
2
2.2.1 运动学因子—质量分析
• 令δ=π-θ， δ为一小量，且M2>>M1，则对K因子公式 求M2的偏导数并化减得：
M1 (4 2 ) E0 E1 k E0 2 M 2 M 2 M2
由上式得出要提高质量分辨率：
1.增大入射离子能量
2.利用大质量的入射离子
2.1 背散射研究的发展史
1909年，盖革（H. Geiger） 和马斯顿（E. Marsden）观 察到了α粒子散射实验现象 1911年，卢瑟福（Lord Ernest Rutherford）揭示了该 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 1967年，美国的测量员5号空 间飞船发回月球表面土壤的 背散射分析结果
2 1/ 2
d L 1 4 d 0
2
Z1 Z 2 e 2 E sin 2 L
2
2
2
2.2.2 背散射微分截面—含量分析
• 因为探测器所张的立体角是有限的，故取平均散 射截面： （其定义式如下）
1
– ΔE与x的关系是可化简为：
dE k 1 dE x x E x dx E0 cos1 dx kE0 cos 2
RBS
原子无规则 排列
•沟道分析的应用 • 确定晶轴 • 研究晶格损伤 • 确定杂质原子的晶格位置
RBS分析中主要有四个基本概念： 1. 运动学因子：这是一个与两体弹性碰撞后散射离 子所带能量相关的物理量，由被分析元素的质量 决定。 2. 微分散射截面：素的原子序数和入射离子的种类及能量有关。 3. 能量损失：由于入射离子与物质的相互作用，离 子进入靶中出射都要损失能量，这种能量损失与 被分析元素所在深度及基体的性质有关。 4. 能量歧离：由于入射离子与靶原子的相互作用的 统计性，造成背散射离子的能量歧离，它对被分 析元素的质量分辨本领和深度分辨本领有影响。
卢瑟福背散射(RBS)分析
•基本原理
离子背散射分析主要在能量 在几MeV以下的小型加速器上 进行的，来自加速器的带电离子 与靶原子发生弹性碰撞，用探测 器记录被散射的离子的能谱，通 过对能谱的分析可以得到靶中元 素的质量、浓度和深度分布。
★入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散 射称为卢瑟福背散射（RBS）
•运动学因子
•微分散射截面
•能量损失
•背散射能谱分析
•卢瑟福背散射的应用
•背散射分析实验设计
弹性反冲探测（ERD）方法 ---轻元素分析
•ERD分析中的基本公式
•ERD分析的应用
•非卢瑟福散射
•沟道背散射分析
间隙原子
完美晶体，原子 有序排列
卢瑟福背散射谱法
卢瑟福背散射谱法
卢瑟福背散射谱法
英文名称：Rutherford back scattering spectroscopy 定义：以兆电子伏特级的高能氢元素离子通过针形电极(探针)以掠射方式射入试样，大部分离子由于试样原子核的库仑作用产生卢瑟福散射，改变了运动方向而形成背散射。
测量背散射离子的能量、数量，分析试样所含有元素、含量和晶格的方法。
卢瑟福背散射光谱(RBS)是一种离子散射技术,用于薄膜成份分析。
RBS在量化而不需要参考标准方面是独一无二的。
在RBS测量中，高能量(MeV)He+离子指向样品，这样给定角度下背向散射He离子产生的能量及分布情况被记录下来。
因为每种元素的背向散射截面已知，就有可能从RBS谱内获得定量深度剖析(薄膜要小于1毫米厚).
1、RBS分析的理想用途
薄膜组成成份/厚度
区域浓度测定
薄膜密度测的（已知厚度）
2、RBS分析的相关产业
航天航空国防显示器半导体通信
3、RBS分析的优势
非破坏性成分分析无标准定量分析整个晶圆分析（150, 200, 300 mm）以及非常规大样品导体和绝缘体分析氢元素测量
4、RBS分析的局限性
大面积分析（~2 mm）
有用信息局限于top ~1 μm。
卢瑟福背散射分析
卢瑟福背散射分析（RBS）实验吴玉龙核科学与技术学院201121220011一、实验目的1.了解RBS分析原理，认识实验装置2.通过对选定的样品进行分析实验，初步掌握RBS分析方法，谱图分析及相关的应用二、实验装置RBS实验装置主要由四部分组成：1.加速器（一定能量离子束的的产生装置）2.靶室（离子散射和探测的地方）3.背散射离子的探测和能量分析装置4.放射源RBS三、实验原理背散射分析就是在一束单能的质子、(粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。
当入射离子能量远大于靶中原子的结合能(约10ev量级)，并低于与靶原子发生核反应的能量(一般100kev<E<1Mev)时，离子在固体中沿直线运动，入射离子主要通过与电子相互作用而损失能量，直到与原子核发生库仑碰撞被散射后又沿直线回到表面。
在这个背散射过程中包含四个基本物理概念。
它们是：两体弹性碰撞的运动学因子K、微分散射截面、固体的阻止截面、能量歧离，这四个基本概念是背散射分析的理论基础和应用的出发点也是限制其应用的最终因素。
1）运动学因子和质量分辨率运动学因子K=E1/E0，其中E0是入射粒子能量，E1是散射粒子能量。
由于库仑散射是弹性散射，则根据动量守恒和能量守恒可得，22011cos sin 121⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎠⎞⎜⎝⎛−==M m M m M m E E K θθ由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。
所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。
这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
质量分辨率ΔM 定义1011011()(−∆=∆•=∆•=∆dMdK E E E KE d dM E dE dM M RBS 的质量分辨率10)(−=dM dK E E M δδ，δE 是RBS 探测器系统的能量分辨率，也就是可分辨的背散射离子最小的能量差别。
rbs卢瑟福背散射光谱
rbs卢瑟福背散射光谱
RBS（Rutherford Backscattering Spectroscopy）是一种自然科
学中的研究技术，利用高能束流（例如离子束）与试样碰撞而产生的背散射来分析样品的物理和结构性质。
而RBS卢瑟福
背散射光谱则是一种利用RBS技术进行表面成分分析的方法。
RBS技术的原理是，在束流与样品碰撞过程中，离子束与样
品中原子核之间发生散射作用，散射角度与碰撞的原子核的质量和能量有关。
其中卢瑟福背散射是一种特殊的散射过程，背散射指的是入射粒子从样品背面发生散射，而不是穿透样品。
通过测量入射粒子的背散射角度和能量变化，可以得到样品中原子核的信息，如原子核的质量、浓度和分布等。
因此，RBS 卢瑟福背散射光谱可以用于研究样品的表面成分、薄膜厚度、晶体结构和晶格缺陷等信息。
RBS卢瑟福背散射光谱在材料科学、固态物理、核物理等领
域有广泛的应用，常用于研究材料薄膜、半导体器件、涂层材料等的成分分析和特性表征。
卢瑟福背散射分析
题目：元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析元素深度分布的卢瑟福背散射(RBS)分析摘要卢瑟福背散射（RBS）分析是一种应用非常广泛的离子束分析技术。
1. 前言卢瑟福背散射分析是固体表面层和薄膜的简便、定量、可靠、非破坏性分析方法,是诸多的离子束分析技术中应用最为广泛的一种微分析技术。
其理论基础是在Rutherford、Gerger和Marsden发现了新原子模型（1909-1913）以后的一些年份里逐渐形成的。
在早期的应用中，背散射分析技术主要是用在一些与原子核有关的研究中，一般是通过分析背散射离子束来检测靶的玷污。
1967年背散射技术首次成功的应用于月球土壤成分分析，这是在非核领域第一个公开发表的实际应用例子。
发展至今，背散射技术已经成为一种十分成熟的离子分析技术。
它具有方法简单、可靠、快速（一般只需要30分钟）、无需标准样品就能得到定量分析结果、不必破坏样品宏观结构就能得到深度分布信息等独特优点。
背散射分析技术在固体物理、表面物理、材料科学、微电子学等领域得到广泛应用。
它是分析薄膜界面特性、固体表面层元素成分、杂质含量和元素深度分布以及化合物的化学配比不可缺少的分析手段。
此外，背散射分析与其他核核分析方法组合应用于同一样品，能获得更多的信息。
我国自七十年代起开始这方面的研究。
随着不断发展，背散射分析技术的应用范围也在不断的扩大。
例如，在考古领域，背散射分析可以研究一些大气中对环境不利的因素。
T.Huthwelker等提高利用卢瑟福背散射分析来研究大气浮质中痕量酸性气体（如HCl，HBr，SO2）的相互作用，这种相互作用与全球变暖、臭氧层耗损、酸雨等环境污染问题有很大的关系。
Ulrich K.Krieger等曾利用卢瑟福背散射测量易发挥物质在近表面层区的元素分布。
背散射分析技术分析速度快，能得出表面下不同种类原子的深度分布，并能进行定量分析。
结合沟道效应还能研究单晶样品的晶体完美性。
但它的深度分辨率不够高（一般为100～200埃），因而不能对最表面的原子层进行研究。
卢瑟福背散射谱
卢瑟福背散射谱，简称背散射分析，是一种谱学分析技术，用于样品中元素的定性、定量和深度分布分析。
这种技术的理论基础是快速运动的入射离子受静止的靶原子核的库仑排斥作用而发生散射。
通过对散射离子能量的测量，可以确定靶原子的质量；通过对散射产额的测量，可以定量地确定靶原子的含量；通过对散射离子的能谱测量，可以确定靶原子的深度分布。
背散射谱分析方法主要用于：
1. 定性分析：通过测量不同元素的背散射谱，可以确定样品中存在的元素种类。
因为不同元素的原子核大小、电荷数和原子序数都不同，这些因素会影响背散射谱的形状和能量分布，因此通过比对标准谱库，可以确定样品中存在的元素种类。
2. 定量分析：通过测量背散射谱的强度，可以确定样品中各元素的含量。
因为背散射谱的强度与元素的原子序数和密度有关，因此通过比对标准样品，可以计算出各元素的含量。
3. 深度分布分析：通过测量不同能量的背散射谱，可以确定样品中元素的深度分布。
因为不同能量的背散射谱对应于不同深度的元素分布，因此通过测量一系列不同能量的背散射谱，可以绘制出元素在样品中的深度分布图。
背散射谱分析技术的应用范围非常广泛，包括材料科学、生物学、环境科学、能源科学等领域。
例如，在材料科学中，背散射谱可以用于研究材料的微观结构和成分分布；在生物学中，背散射谱可以用于研究生物组织的成分和结构；在环境科学中，背散射谱可以用于研究土壤、水体等环境中的元素分布和污染情况；在能源科学中，背散射谱可以用于研究燃料电池、太阳能电池等能源转换装置中的元素组成和性能。
卢瑟辐背散射谱：RBS
一、 RBS 原理 二、 RBS 设备 三、RBS谱的分析
RBS 原理
l 具有较高能量而质量较小的离子在与物质 碰撞的过程中会发生散射的现象，这一相 应的过程被称为卢瑟福散射。
l 利用这一物理现象作为探测、分析薄膜材 料化学成分和分布的方法，称为卢瑟福背 散射技术
l 用高能He离子(2-5MeV)去轰击固体样 品，He离子与固体原子发生散射，研 究背散射He离子的强度随能量 (Channel)的分布
结果表明：散射后粒子的能量仅仅有粒子和 靶原子的质量及散射角决定。若M1，E0和固 定，则可以通过测量被散射回来的离子的能 量E，求得参与散射的表面原子的质量M2。
探测器的探测角=170，这一实验设置正是背散射名字得由来。
上面考虑得时发生在薄膜表面时得情况，对于发生在薄膜内部 的卢瑟福散射来讲，上述关系仍然成立。但是由于入射离子在 通过物质时发生了连续的能量损耗，因而弹性碰撞发生时的能 量已有所降低，同时经过散射的离子要再次通过物质体内，又 要损失一部分能量， 因此，薄膜中某一元素引起的卢瑟福背散 射能量谱对应于一定的能量区间。
二、设备
核心部分是一台高能加速器。由离子源产生的各种离 子通过加速、聚焦、质量筛选后入射到样品上。散射 回来的离子经Si探测器转换为电压脉冲，再经过多道 分析器记数之后，就得到卢瑟福背散射谱。
加速器
数据处理中心
l 当一束被加速到E0=2MeV的He+离子射向 薄膜表ห้องสมุดไป่ตู้，由于离子能量高而质量小， 因而它将具有一定的对物质的穿透能力， 并且不会造成物质本身的溅射。在穿透 物质的过程中，当离子的运动轨迹接近 物质的原子核时，二者之间将发生经典 的弹性碰撞过程：
l 弹性碰撞满足能量守衡和动量守衡
利用卢瑟福沟道背散射模拟研究合金与石英的辐照效应
利用卢瑟福沟道背散射模拟研究合金与石英的辐照效应利用卢瑟福沟道背散射模拟研究合金与石英的辐照效应引言：放射性材料的辐照效应一直是材料科学研究的重要课题之一，其在核工业、航天航空等领域具有重要意义。
合金和石英等材料在辐照过程中会发生结构变化，进而影响其物理和力学性质。
本文将利用卢瑟福沟道背散射模拟方法，研究合金和石英材料的辐照效应。
一、卢瑟福沟道背散射模拟方法简介卢瑟福沟道背散射模拟方法是一种常用的原子弹性碰撞模拟方法，它可以模拟粒子在晶体材料中的位置和运动。
该方法基于卢瑟福沟道背散射理论，通过计算粒子的能量沉积和损失情况，可以预测材料的辐照效应。
二、合金的辐照效应研究1. 实验设计选取常见的金属合金进行研究，包括钢铁、铝合金等。
将样品装置在卢瑟福沟道中，通过入射粒子，对合金进行辐照。
2. 模拟过程根据合金的成分和晶体结构，使用卢瑟福沟道背散射模拟方法，模拟粒子在合金中的散射过程。
通过计算粒子的能量沉积、散射角度、散射深度等参数，了解合金的辐照效应。
3. 结果分析对模拟得到的数据进行处理和分析，观察合金在辐照过程中的晶格结构变化、缺陷、断裂等情况。
进一步研究合金的机械性能和热稳定性的变化。
三、石英的辐照效应研究1. 实验设计选取石英作为研究对象，将样品装置在卢瑟福沟道中，进行辐照实验。
2. 模拟过程使用卢瑟福沟道背散射模拟方法，模拟粒子在石英中的散射过程。
计算粒子的散射角度、散射深度等参数，探究石英的辐照效应。
3. 结果分析对模拟数据进行分析，观察石英晶格在辐照过程中的变化。
研究辐照导致的断裂、缺陷和氧化等情况，进一步分析石英的光输运性质变化。
四、讨论与展望本文利用卢瑟福沟道背散射模拟方法，研究了合金和石英材料的辐照效应。
通过模拟数据分析，发现合金和石英在辐照过程中晶格结构发生变化，可能影响其力学和物理性质。
此外，辐照还会导致合金和石英的断裂、缺陷和氧化等现象。
这些研究结果为合金和石英在核工业、航天航空等领域的应用提供了理论依据。
现代物理实验之RBS
2
M M ( ) 2 E0 dM E0 m(4 )
1
E dK
E
2
M2 M 2 E0 m(4 )
E
m增大，δ M 减 小，RBS质量分辩 提高。
注意： RBS常用的金硅面垒探测器的能量
分辨率随m增大变差，所以RBS一般选m为 1~7。重离子做RBS时，可采用磁谱仪或飞 行时间谱仪。
粒子诱发X射线荧光分析
Particle Induced X-ray Emission(PIXE)
弹性反冲分析
Elastic Recoil Detection(ERD)
离子束分析作用机制图
原 子 Nuclear Reaction Analysis(NRA) 核 作 用 卢瑟福背散射分析 范 Rutherford Backscattering Spectrometry(RBS) 畴
An ionized/excited atom will eventually return to its ground state, accompanied by the emission of one or more x-rays/photons.
二次电子和轫致辐射
•
An electron ejected from its atomic orbit is called a secondary electron. It may further ionize or excite another atom, resulting in the emission of more xrays/photons.
电子为工具：扫描电子显微镜（SEM） 透射电子显微镜（TEM） 低能电子电子衍射（LEED） …… 中子为工具：中子衍射 中子活化分析（NAA） ……. 离子为工具：？？
材料学中常用的分析方法第四讲 - RBS 有关金属材料的分析手段
第四讲
卢瑟福背散射谱 弹性反冲谱（前向反冲谱）
（离子散射谱, 低能离子散射谱）
RBS/ERS(FRS)/（ISS，LEISS）
问题：
RBS/ERS 作为一类成分分 析技术，与EXD/WDX, AES/XPS, SIMS 等技术相比 有什么特点？
C/Mg/Br单原子层的RBS 不同的元素有不同的检测灵敏度
重元素的散射截面大，信号强。
不同元素对
4He+离子的散
射截面(纵轴)和
运动学因子(横
轴)
——结合二者，
可用于确定成分
（重粒子的散射截面大，易于
K
被探测，但轻粒子的运动学因
子变化大，易于被分辨）
PtCu合金/C薄膜的RBS谱
C 的质量很小，其上的重元素（散射截面大），很易被识别。
Q/Q0 = Ns d = (Nvt) 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。
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的不同只在于探测对象和角度，倾动样品 即可变RBS为ERD
1. 离子散射过程前后的能量关系
与RBS时类似，被碰撞的轻离子在弹性碰撞 后，其反冲动能为（M1>M2）：
RBS卢瑟福背散射-实验报告
实验报告卢瑟福背散射分析（RBS）实验姓名：学号：院系：物理学系实验报告一、实验名称卢瑟福背散射分析（RBS）实验二、实验目的1、了解RBS实验原理、仪器工作结构及应用；2、通过对选定的样品的实验，初步掌握RBS实验方法及谱图分析；3、学习背散射实验的操作方法。
三、RBS实验装置主要包括四个部分：1、一定能量离子束的的产生装置----加速器2、离子散射和探测的地方----靶室3、背散射离子的探测和能量分析装置4、放射源RBS图1 背散射分析设备示意图1.离子源2.加速器主体3.聚焦系统4. 磁分析器5.光栅6. 靶室7.样品8.真空泵9.探测器10.前置放大器11.主放大器12. 多道分析器13. 输出四、实验原理当一束具有一定能量的离子入射到靶物质时，大部分离子沿入射方向穿透进去，并与靶原子电子碰撞逐渐损失其能量，只有离子束中极小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射而离开原来的入射方向。
入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射称为卢瑟福背散射(记为RBS)。
用探测器对这些背散射粒子进行侧量，能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信息。
入射离子与靶原子碰撞的运动学因子、散射截面和能量损失因子是背散射分析中的三个主要参数。
图 3 大角度散射示意图（实验室坐标系）图2 弹性散射（质心坐标系）1、 运动因子K 和质量分辨率 1）运动学因子K当一定能量(对应于一定速度)的离子射到靶上时，入射离子和靶原子发生弹性碰撞，人射离子的部分能量传给了被撞的靶原子，它本身则被散射，散射的方向随一些参量而变化，如图2(质心坐标系)所示.设Z 1， Z 2分别为入射离子及靶原子的原子序数，m 、 M 分别为它们的原子质量，e 为单位电子电荷量，v 0为入射离子的速度，b 为碰撞参量或瞄准距离(即入射轨迹延伸线与靶原子核的距离)，x 为散射角.由分析力学可以推导出。
此式实际上不是一个入射离子而是一束禽子，且b 值有大有小。
RBS实验报告
RBS 实验一、实验原理和实验装置：背散射分析就是在一束单能的质子、α粒子或其他重离子束轰击固体表面时，通过探测卢瑟福背散射（弹性、散射角大于90度）离子的能量分布（能谱）和产额确定样品中元素的种类（质量数）、含量及深度分布。
基本的物理概念和计算： 1）运动学因子其中E 0是入射粒子动能，E 1是散射粒子动能。
由运动学因子公式可以看出：当入射离子种类（m ），能量（E 0）和探测角度（θ）一定时，E 1与M 成单值函数关系。
所以，通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M 。
这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
但是，RBS 适用于轻基体上重元素的分析，对重基体上轻元素不灵敏。
2）能量损失因子在离子在某固体中做直线运动的过程中，离子主要通过与靶原子的电子相互作用而损失能量。
定义离子在单位径迹长度上损失的能量0dE lim dx xx E∆→∆=∆为比能量损失或叫作能量损失（率）。
也叫作这种固体的阻止本领。
定义能量损失后，可确定不同深度散射出的离子同表面散射出的离子能量之差。
从而建立RBS 能谱宽度和靶厚度之间的关系。
对入射和出射路径的能量损失进行积分并整理得到1212cos cos 1cos cos in out in out dE Kx dE x E dx dx dE K dE x dx dx θθθθ⎧⎫⎡⎤⎡⎤∆=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭⎧⎫⎡⎤⎡⎤=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭定义[]121cos cos in out dE K dE S dx dx θθ⎧⎫⎡⎤⎡⎤=+⎨⎬⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎩⎭为能量损失因子，使得[]E S x ∆=∙这样，由能量损失因子就可以把背散射能谱中的能量坐标换算成深度坐标，并根据不同深度处能谱高度就可以得到元素的深度分布。
这是RBS 的元素深度分布原理。
单原子靶材料的原子密度为N ，一定能量E 的入射离子。
则定义：1()()dEE E N dxε=为此种靶原子对能量E 的入射离子的阻止截面 ，则有[][]121cos cos in out K S N N εεεθθ⎧⎫=+=∙⎨⎬⎩⎭ε可查表得到，一般要看ε的单位而选择N 的单位。
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1、运动学因子 运动学因子K
定性分析的质量分辨率 定性分析的质量分辨率： K称为运动学因子
动力学因子K在入射 角度为180o时与靶原 子质量的关系（入射 离子为粒子）。
从右图中可以看出，随着靶的原子质量 的增加，dK/dMr逐渐减小。这说明，利 用RBS测定轻元素时，其质量分辨率高； 测定重元素时，其质量分辨率低。（注 意：探测器的能量分辨率，动力学因子 都对质量分辨率有影响）。
W.K. Zhu, J.W. Mayer and M.A. Nicolet, Backscattering Spectrometry, Academic Press, 1978.
卢瑟福背散射能谱分析
RBS分析的优点： 1、提供深度信息。可以提供成分和深度的信息。一般的深度分析分 辨率为 150 Å左右；比较精细的分析包括细致的样品和探测器准直 可以达到 50 Å的分辨率 Å的分辨率。 2、比较适合于薄膜分析。RBS对于薄膜分析非常有用，可以程序化 地分析厚度在微米 纳米级的薄膜 地分析厚度在微米－纳米级的薄膜。 3、快速分析。一般情况下，RBS分析可以在10分钟左右完成。 4、高灵敏度。RBS 对于重元素非常敏感，可以精确测定单层薄膜的 信息；对于轻元素敏感度差一些。 5、计算简单。RBS能谱比较容易解释。目前各种计算和模拟软件都 比较成熟。如：RUMP、Simnra等等。 较成熟 如 等等
J.W. J W Mayer and E E. Rimini ed., ed Ion Beam Handbook for Materials Analysis, Academic Press, 1977.
4、阻止截面 阻止截面
能量损失dE/dx随着靶的元素组成和密度变化而变化，因而对于具体的靶难 以查到其dE/dx值。为此引入了阻止截面的概念。 dE/dx包括了高速的入射离子穿过其路径上原子的电子云时的能量损失，以 及在路径上与靶的原子核发生大量小角度碰撞时的能量损失 所以 d /d 及在路径上与靶的原子核发生大量小角度碰撞时的能量损失。所以，dE/dx 可以看作是入射离子通过其路径上的靶原子时所可能发生的全部能量损失 过程的一种平均值。也可以解释为暴露于离子束之下的每个靶原子独立贡 献的共同结果。 献的共同结果 假设靶的厚度为x，靶原子密度为N，则在此x厚度中损失的能量E正比于 将其 数 ： Nx，将其比例系数定义为阻止截面
卢瑟福背散射能谱分析
卢瑟福背散射能谱分析
Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖 30 August 1871 – 19 October 1937
卢瑟福背散射能谱分析
卢瑟福背散射（ 卢 福背散射 Rutherford Backscattering Spectrometry，简称RBS）的理论 简称 的 论 基础是入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射。入射离子一般用MeV量 级的粒子，。 （1）入射离子与靶原子核发生弹性碰撞，损失一些能量，通过对散射离子 的能量的测定可定性确定靶原子的质量； （2）发生碰撞时，靶的原子浓度和散射截面决定了散射离子的产额，测定 散射离子的产额可确定靶的原子浓度； （3）入射离子在散射前、后穿透靶物质要损失一些能量，测定散射离子的 能谱，可以确定靶原子沿着深度的分布。 离子能量低于靶原子发生核反应阈能条件下，入射离子和靶原子核之间发 生弹性碰撞而被散射。通过测定散射离子的能谱，即可对样品中所含元素 作定性、定量和深度分析。散射还与晶体的好坏有关，通过测定沟道谱可 以对样品的晶体性进行判断，进行缺陷测定等等。
2、散射截面 散射截面
定量分析的基础－散射截面 定量分析的基础 散射截面： 假设Q为射到单元素薄靶上的入射离子总 数，d为位于散射角的探测器处的微分 立体角，dQ为探测器接收到的散射离子 数，N为靶原子的体积密度，t为靶的厚度， t为靶原子的面积密度即质量密度，定义 Nt 微分截面为： 在RBS分析中，探测器 分析中，探测器一般在 般在 某一个散射角度上，所以进行 定量分析必须知道在该角度上 出现散射离子的几率－微分散 出现散射离子的几率 微分散 射截面，它关系到背散射离子 的数目。
1、运动学因子 运动学因子K
定性分析的质量分辨率： K称为运动学因子 随着靶 子质 随着靶原子质量的增加，动力 增 动力 学因子的dK/dMr逐渐减小。这 说明，利用RBS测定轻元素时， 其质量分辨率高；测定重元素 时，其质量分辨率低。（注意： 探测器的能量分辨率，动力学 因子都对质量分辨率有影响）。
1、运动学因子 运动学因子K
K称为运动学因子 从上式可以看出：动力学因子K只 是与 射离 和靶原 核的质量以 是与入射离子和靶原子核的质量以 及散射角度有关。 在实验中，E0，Mp和都是可以测 定的 为已知量 因此 只要测定 定的，为已知量。因此，只要测定 了E1即可确定Mr。这是进行定性 分析的基本原理。 Left： Energy spectrum of helium ions scattered from surface atoms (full curve) and from atoms in a thin layer (dashed curve). 靶原子的质量越大，散射离子的 靶原子的质量越大 散射离子的 能量越大，产额也越高。 背散射离子的产额与什么有关呢？
对于足够小的探测器，即很小 时： d / d 探测器接受到的离子数目为： 1914年Darwin得出入射离子与靶原子在库 仑排斥力作用下的弹性散射截面公式：
A Q N t
定量分析的基础： 在一个具体的实验中，散射粒子 数目 数 A，入射离子数目 射离 数 Q和探测器 立体角都可以测定，散射截面 也可以算出。那么Nt－单位面积 的靶原子数目即可以计算得到 的靶原子数目即可以计算得到。
卢瑟福背散射能谱分析
RBS analysis of a thin GaAs layer on a Si substrate, by alpha particles with an energy of f typically ll 2‐3 MeV. The h energy of f backscattered b k d particles l determine d the mass of the target atom. Particles scattered from below the surface lose energy at a measurable rate; hence the energy scale yields the depth of the scattering of the particle. The peak width of the Ga or As signal is proportional to the areal density or thickness of the GaAs film.
1 dE N dx
的单位为eVcm2/原子。一般写为eVcm2 。因为其量纲 与核物理中的其他截面不同，所以称之为阻止本领。
阻止本领是按照每个原子计算的，所以它与靶的原子密度没有关系。对于 常用的粒子，在能量从0.4 ~ 4 MeV的范围内，所有元素的阻止本领都有 半经验的表格。见：
dE dx
入射离子进入靶后，将会与靶原子的电子和原子核发生相互作用而损失能 量。假设能量为Eo的入射离子穿透x厚的靶后，能量损失为E，则定义： 为能量损失 其单位为 V/ 为能量损失，其单位为eV/nm。
dE/dx随着m和M的增加而增加，也随着靶的密度增加而增加。同时，它还随 dE/dx随着m和M的增加而增加 也随着靶的密度增加而增加 同时 它还随 着离子本身的能量变化而变化（是E的函数）。因而在离子与靶原子的相互 作用过程中，它不是一个常数。 在离子束与固体相互作用的研究中，积累了大量的数据。对于背散射研究 使用的能量在0.5 ~ 3 MeV的粒子，其dE/dx一般在100 ~ 1000 eV/nm左 右。实际资料中的 实 资料中的dE/dx不是以数学函数的形式给出，而是给出不同能量 数学 数的 式给 给 能量 时的dE/dx值与E值的关系曲线。具体的数据可以从下面文献得到：
卢瑟福背散射能谱分析的原理
与RBS分析有关的几个物理概念： （1）描述背散射离子的能量与靶原子质量数、入射离子质量 数 数、入射离子的能量和入射角度之间的关系的运动学因子K， 射离子 能 射角度 关 动学 子 与定性分析有关； （2）描述在某一个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率 （2）描述在某 个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率 的散射截面，它决定于入射离子的靶原子的原子序数、质 量数、入射离子的能量和入射角度等，是定量分析的基础。 （3）入射离子和散射离子的能量损失 （4）阻止截面（阻止本领）和布拉格定律 阻止截面的引入是因为入射离子或者散射离子在具体的靶 中能量损失难以查到。阻止本领可以用来解释离子能量的N t Q d
对于探测器的整个接收面积，则有平均微分 对于探测器的整个接收面积 则有平均微分 散射截面（RBS中一般称为散射截面）为：
1
d d d
为探测器所张的立体角。
2、散射截面 散射截面
1 d d d
2、散射截面 散射截面
能量为2 MeV的粒 子 射不同单元素 子入射不同单元素 薄层时的相对产额。 对于重元素，由于 较大的散射截面， 较大的散射截面 其RBS敏感度比对 轻元素高100倍以 上。能量值表示表 面处散射的离子能 量。
3、能量损失 能量损失
E dE li lim dx x 0 x
散射截面的单位为靶，1靶＝10－24 cm2 散射截面的大小决定了散射几率，散射离子 的数目，能谱中的强度。
2、散射截面 散射截面
1、散射截面正比于 散射截面正比于Z12，为了提高分 为了提高分 析灵敏度，用粒子比用质子有利； 2、散射截面正比于Z22，所以分析重 元素比分析轻元素灵敏度高； 3、散射截面反比于E2，因而入射离 子在表面的散射几率低于在 定深度 子在表面的散射几率低于在一定深度 处的散射几率； 4、当m<<M时，散射截面随着入射 角度的减小很快增加。 的减小很快增加 对于常用的能量为MeV的粒子，在通常的条件下，典型的散射截面为每单位 立体角几靶到几十靶。 立体角几靶到几十靶