现代分析技术在薄膜材料研究中的应用

现代分析技术在薄膜材料研究中的应

用

使用离子探针显微分析可进行如下分析: ①同位素分析 ; ②轻元素

高灵敏度分析 ; ③极薄表面 (约 10~1000Å) 的分析 ; ④在给

定适当条件后，可作包括纵向的三维分析。

使用离子探针作薄膜组分的定性或定量分析时，为消除样品表面污染和吸附的影响，应加大一次离子束进行刻蚀，然后再缩小离子束斑直径进行分析。在作纵向分析时，应考虑纵向分辨率、浓度测定、灵敏度和三维观察等各因素，必须严格控制测量条件。

离子探针显微分析仪探测离子扫描像的能力较高，所以当某些元素分布采用EPMA 的特征X 射线像所得衬度不好或难以探测时，采用离子探针显微分析法可获得满意的结果。

2.3X 射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱分析(XPS，X-rayPhotoelectronSpectroscopy) 是利用X 射线源产生很强的X 射线轰击样品，从样品中激发出电子，并将其引入能量分析器，探测经过能量分析的电子，作出X 射线对能量的分布图―― X射线光电子能谱。它可以用于区分非金属原子的化学状态和金属的氧化状态，所以又叫做" 化学分析光电子能谱法(ESCA，ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis) 。

利用XPS可以进行除氢以外全部元素的定性、定量和化学状态分析，其探测深度依赖于电子平均自由程，对于金属及其氧化物，探测深度为5~25Å 。XPS的绝对灵敏度很高，是一种超微量分析技术，分析时所需样品很少，一般10的-8 次方克左右即可，因此XPS是薄膜材料最有效的分析手段之一。

2.4俄歇电子能谱分析

俄歇电子能谱分析（AES，AugerElectronSpectroscopy）是利用入射电子束使原子内层能级电离，产生无辐射俄歇跃迁，俄歇电子逃逸到真空中，用电子能谱仪在真空中对其进行探测的一种分析方法。在薄膜材料化学成份的分析方面，俄歇电子能谱是应

用最为广泛的分析方法，它能对表面5~20Å 范围内的化学成份进行灵敏的分析，分析速度快，能分析从Li~U 的所有元素，不仅能定量分析，而且能提供化学结合状态的情况。进行薄膜材料的纵向成份分析时，可用氩或其它惰性气体的离子对试样待分析部分进行溅射刻蚀，同时进行俄歇电子能谱分析，从而得到薄膜材料沿纵向的元素成份分布。

2.5二次离子质谱分析

二次离子质谱分析（SIMS，偏光显微镜，SecondaryIonMassSpectrometry）是利用高能离子和固体相互作用，引起基质原子和分子以中性的和带电的两种状态发射出来，通过高灵敏的质谱技术对此产生的带电粒子（即二次离子）进行检测，从而进行元素的分析。

二次离子质谱分析是一种高灵敏的元素分析技术。在某些应用范围，AES 和XPS 的检测灵敏度不能满足测定要求，而SIMS 具有较高的检测灵敏度，使之成为检测痕量元素的理想方法，其检测下限为百亿分之几的数量级，对痕量组分可以进行深度浓度剖析，其深度分辨率小于50Å ，可在微观上（μm级）观察表面的横向特征。由于SIMS是一个质谱仪，因此在所有薄膜材料分析中，只有它既能分析全元素又能鉴别元素的同位素，也能分析化合物和确定化合物的分子结构。此外，所有与真空兼容的固体物质都可用SIMS分析。

（1）表面分析

因为SIMS的信息深度很小，在静态SIMS以及良好的真空（10 的-8 次方Pa）条件下可分析最表层的原子层。在表面分析中，可用它来识别表面物质和研究表面动力学过程，例如识别表面污染物、表面组成及表面化学结构。

（2）深度剖面分析

这或许是SIMS的最重要的应用。用离子束连续轰击样品，使表面" 一层接一层" 地被剥离，剥离的同时检测一种或多种元素与轰击时间成函数关系的二次

离子流。在恒定的刻蚀速度下，轰击时间与深度成正比。然后把测得的离子电流同轰击时间的函数关系转换为浓度同深度的关系，这就是深度剖面分析法。此方法可用来研究扩散过程和确定扩散系数、薄膜材料的夹层结构和掺杂及污染，还可用于研究同位素的浓度梯度等。

(3)微区分析、面分析和三维分析

微区分析就是对预先选定的直径为几个微米的区域进行分析，这可用小直径

(<1µm) 的一次离子束来完成。元素的面分布就是确定元素在样品表面上的分布状态。常用的方法有两种，即离子显微镜和扫描微探针法。离子成象是将二次离子束通过质谱仪的离子光学系统得到的表面离子光学像。扫描微探针是用类似于电子探针的方法，将质谱调到某一质量数，用细离子束对样品扫描，得到表面的元素分布图。用它来研究晶界沉淀、冶金和单晶的一些效应、扩散( 横断面的XY特征) 、薄膜材料的相特征及表面杂质的分布。将元素的面分布和深度分析相结合，就能得到元素分布的三维信息，此信息对研究多元合金膜非常有用。

在薄膜材料研究中，应用SIMS定量分析是困难的，因为SIMS谱线复杂，造成识谱困难; 而且由于离子轰击会使样品表面受到损害，因而属于破坏性分析这是SIMS目前存在的主要问题。但SIMS在定性分析方面是非常成功的，因此在薄膜材料研究中越来越受到重视。

2.6核反应分析法

核反应分析法(NRA，NuclearReactionAnalysis) 的基础是入射粒子与靶原子发生核反应，用它来分析样品表层的微量元素及测定表面某种杂质或薄膜中离子渗透到基体的离子浓度及沿深度方向的分布。利用NRA技术对薄膜材料进行分析有如下特点: ①定量分析精度高，误差小; ②分析灵敏度可达10的-12 次方克; ③可以准确、快速、非破坏性分析样品。

2.7背散射能谱技术

入射离子与靶材中的原子核弹性碰撞而发生大角度(>90°) 散射的现象，称为背散射。背散射能谱分析(RBS，RutherfordBackscatteringSpectrometry) 的主要目的是测定背散射粒子的能谱，并分析能谱信息。背散射能谱提供了元素种类信息、元素沿深度分布信息和元素浓度信息，可进行定性、定量分析和离子纵向分布分析等。

其它如辉光放电光发射谱仪(GDOE，S GlowDischargeOpticalEmissionSpectroscopy) 、正电子湮没谱(PAS，PositronAnnihilationSpectroscopy) 、低能光子辐射(LEPI ，