电子能谱学第11讲低能离子散射谱(ISS)ppt课件
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• 这是因为低能离子散射法对表面非常敏感，本底气体的吸 附层会严重地减小分析表面的离于散射产额。为了对“实 际的”或工程样品进行成分分析，应通过适当的抽真空和 预先烘烤器壁来减少残余气体。
• 对表面结构的研究还应能对靶表面进行就地清洁和通过退 火保持有序表面，并能适当控制气体量以进行吸附研究。
.
13
• Smith曾用0.5—3千电子伏的He＋，Ne＋及Ar＋离子在多晶 的Mo和Ni上散射，获得了靶原子(Mo或Ni)以及吸附在表 面上的C，O的ISS谱线，表明ISS技术是一种有效的表面 分析手段；
• 其实由于低能离子的散射截面和离子在表面内外的中和几 率都很高，使得ISS的信息深度仅仅是表面的最外一层或 二层，成为名符其实的表面分析手段。
• 在单晶靶的情况下，随入射角和反射角的变化会产生不同的峰 位和相对高度，由此还可得到表面结构的信息。
• 低能离子散射谱仪比较简单,除激发源为离子枪外,其它如超高 真空室、能量分析器和检测器等均相同于ＸＰＳ谱仪,只不过此
时能量分析和检测的是正离子而不再是电子 ；
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ISS仪器原理图
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8
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10
• 在碰撞过程中由于电子跃迁而损失的能量很少，在大多 数实验装置中探测不到。
• 因此，入射能量为E0、质量为M1的离子，从质量为M2 的靶原子通过θ角(见图1)散射以后，剩下的能量E1：由 方程(1)的关系确定。此关系是根据能量守恒和动量守 恒导出的。
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离子散射原理
根据能量守恒和动量守恒导出的
• 使用He、N e和Ar作为离子束，能量为0.5—3.0千电子伏。靶 是多晶钼和镍，得到了从基质表面原子和吸附物质(如氧和碳) 散射的尖锐谱峰。
• Smith还对吸附在银上的一氧化碳进行了研究，由碳峰和氧峰 的相对高度推导出CO的吸附结构信息。后来Smith又根据峰的 相对高度识别出硫化镉单晶体的镉面和硫面。这表明低能离子 散射不仅能作化学成分分析，还能作表面结构分析 ；
• 在表面分析中离子源的重要参数有：(1)能量分散不应大于
几伏；(2)从离子源得到的离子流最少几微安(3)发散角为小
于1度。（4) 气体向离子源的泄漏要能精确控制，供给电
子的灯丝要便于更换，这些因素都很重要。
.
12
真空系统和散射室
• 低能散射要求良好的真空条件，其真空度要优于高能散射 时的最低要求。实验过程中．散射室的压力应在l ×10－9托 或更低。
• 从此以后，ISS开始成为一种表面分析手段；
.
3பைடு நூலகம்
ISS概念
• 在离子同固体表面的相互作用下，若检测的粒子是经表面 碰撞后背散射出来的入射离子，测量它们碰撞后损失的动 能，可获得有关表面原子的种类及晶格排列等信息。
• 当入射离子能量较低时(离子动能为100电子伏至几千电子 伏)，可以得到低能离子散射增(ISS)；
• 高能散射时，散射产额的定量解释比较简单，符合卢瑟福 散射定律。而在低能散射时．还必须考虑电子对原子核的 屏蔽作用。
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6
ISS装置
• 用低能离子散射进行表面分析其基本方法非常简单。用能量为 0.1—10keV单能平行离子束打在靶面上，然后和某一特定角度 上测量散射离子的能量分布即得到能谱。
• 在能谱上，根据峰的位置和高度就能了解表面原于的质量、化 学成分或原子数目。
能量分析器
• 静电式电子能量分析器，如CMA、SDA都可以 用作正离子能量分析器，只须特有有关电位开关 的极姓反转即可。这也使ISS技术易于同AES、 XPS等分析技术兼容。
• 正离子探测也常用电子通道板倍增器。入射到倍
增器的离子需加速至3千电子伏以增加灵敏度。
前置放大器，脉冲计数等信号处理系统与AES、
对于常用的90度散射来说，上式简化为：
能量标度就变成了表面上靶原子的质量标度。 测出ｍ2,进而确定样品的表面组成
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散射产额
• 散射产额与离子—原子碰撞的微分散射截面dσ(θ)／ dω，散射粒子保持离化状态的几率Pi以及靶原子的数 目等因素有关。散射截面又是离子和靶原子之间相互 作用势V(r)的函数。
• 当入射离子能量很高时(25千电子伏到几个兆电子伏)，称 为卢瑟福背散射(RBS)。当初，卢瑟福曾使用这种散射探 知了原子核的存在。 RBS的发展也很快，当能量分辨率 足够高时，可以无损地进行纳米薄膜厚度的分析；
.
4
• 低能离子散射被用来研究离子与固体表而的相互作用。实 验证实了低能离子与固体原子的碰撞主要为弹性碰撞。
电子能谱学
第11讲
低能离子散射谱（ISS）
朱永法 清华大学化学系
2004.12.28
内容提要
• ISS的概念和基础 • ISS可以提供物理化学信息 • ISS的研究对象 • ISS的信息特点 • ISS的应用领域
吸附，反应，偏析,结构等
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2
发展历史
• 低能离子散射作为一种表面分析方法是由Smith首先提出的 ；
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离子源
• 离子是由离子枪产生的，通常是用电子轰击压力为5×l0－6 到l0－3托的气体而得到。离子流密度约在几十微安／厘米2， 离子能量在500eV一2KeV内，能量分散性约2eV。
• 在低能离子散射中，最常用的惰性气体是氦、氖或氩。离 子源处于正加速电位。离子由一个负偏置电极通过一个小 光阑从离子源取出，再通过透镜系统形成离子束。
XPS等相同。
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• 基本原理已知质量ｍ1和能 量Ｅ0的一次离子入射到样 品表面(靶原子质量ｍ2)后, 在固定散射角处测量弹性 散射后的一次离子的能量 分布(Ｅ1)。
• 此过程遵从两体刚性球的 弹性碰撞原理
ISS原理
.
15
离子散射原理
• 低能离子散射谱上一些突出的峰是由入射离子和单个晶 格原子之间的简单双体碰撞形成的，靶子晶格起的作用 很小或根本不起作用。
• 这种单原子层的灵敏度，在诸如多相催化剂、原子扩散、
合金的分凝、氧化、腐蚀的研究中是非常重要的，它使
ISS成为最有效的表面分析手段之一。
.
5
ISS与RBS的比较
• 低能离子散射是真正的表面方法。低能谱上尖锐的特征峰 代表了深度只有几埃处的散射．高能离子散射时探测深度 大得多，得到的谱一般很宽．
• 由于高能离子散射的探测深度较大，所以用它进行薄膜分 析和表层分析。深度分辨率可达几个纳米，无需行逐层剥 蚀。
• 对表面结构的研究还应能对靶表面进行就地清洁和通过退 火保持有序表面，并能适当控制气体量以进行吸附研究。
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• Smith曾用0.5—3千电子伏的He＋，Ne＋及Ar＋离子在多晶 的Mo和Ni上散射，获得了靶原子(Mo或Ni)以及吸附在表 面上的C，O的ISS谱线，表明ISS技术是一种有效的表面 分析手段；
• 其实由于低能离子的散射截面和离子在表面内外的中和几 率都很高，使得ISS的信息深度仅仅是表面的最外一层或 二层，成为名符其实的表面分析手段。
• 在单晶靶的情况下，随入射角和反射角的变化会产生不同的峰 位和相对高度，由此还可得到表面结构的信息。
• 低能离子散射谱仪比较简单,除激发源为离子枪外,其它如超高 真空室、能量分析器和检测器等均相同于ＸＰＳ谱仪,只不过此
时能量分析和检测的是正离子而不再是电子 ；
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ISS仪器原理图
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• 在碰撞过程中由于电子跃迁而损失的能量很少，在大多 数实验装置中探测不到。
• 因此，入射能量为E0、质量为M1的离子，从质量为M2 的靶原子通过θ角(见图1)散射以后，剩下的能量E1：由 方程(1)的关系确定。此关系是根据能量守恒和动量守 恒导出的。
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离子散射原理
根据能量守恒和动量守恒导出的
• 使用He、N e和Ar作为离子束，能量为0.5—3.0千电子伏。靶 是多晶钼和镍，得到了从基质表面原子和吸附物质(如氧和碳) 散射的尖锐谱峰。
• Smith还对吸附在银上的一氧化碳进行了研究，由碳峰和氧峰 的相对高度推导出CO的吸附结构信息。后来Smith又根据峰的 相对高度识别出硫化镉单晶体的镉面和硫面。这表明低能离子 散射不仅能作化学成分分析，还能作表面结构分析 ；
• 在表面分析中离子源的重要参数有：(1)能量分散不应大于
几伏；(2)从离子源得到的离子流最少几微安(3)发散角为小
于1度。（4) 气体向离子源的泄漏要能精确控制，供给电
子的灯丝要便于更换，这些因素都很重要。
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真空系统和散射室
• 低能散射要求良好的真空条件，其真空度要优于高能散射 时的最低要求。实验过程中．散射室的压力应在l ×10－9托 或更低。
• 从此以后，ISS开始成为一种表面分析手段；
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3பைடு நூலகம்
ISS概念
• 在离子同固体表面的相互作用下，若检测的粒子是经表面 碰撞后背散射出来的入射离子，测量它们碰撞后损失的动 能，可获得有关表面原子的种类及晶格排列等信息。
• 当入射离子能量较低时(离子动能为100电子伏至几千电子 伏)，可以得到低能离子散射增(ISS)；
• 高能散射时，散射产额的定量解释比较简单，符合卢瑟福 散射定律。而在低能散射时．还必须考虑电子对原子核的 屏蔽作用。
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ISS装置
• 用低能离子散射进行表面分析其基本方法非常简单。用能量为 0.1—10keV单能平行离子束打在靶面上，然后和某一特定角度 上测量散射离子的能量分布即得到能谱。
• 在能谱上，根据峰的位置和高度就能了解表面原于的质量、化 学成分或原子数目。
能量分析器
• 静电式电子能量分析器，如CMA、SDA都可以 用作正离子能量分析器，只须特有有关电位开关 的极姓反转即可。这也使ISS技术易于同AES、 XPS等分析技术兼容。
• 正离子探测也常用电子通道板倍增器。入射到倍
增器的离子需加速至3千电子伏以增加灵敏度。
前置放大器，脉冲计数等信号处理系统与AES、
对于常用的90度散射来说，上式简化为：
能量标度就变成了表面上靶原子的质量标度。 测出ｍ2,进而确定样品的表面组成
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散射产额
• 散射产额与离子—原子碰撞的微分散射截面dσ(θ)／ dω，散射粒子保持离化状态的几率Pi以及靶原子的数 目等因素有关。散射截面又是离子和靶原子之间相互 作用势V(r)的函数。
• 当入射离子能量很高时(25千电子伏到几个兆电子伏)，称 为卢瑟福背散射(RBS)。当初，卢瑟福曾使用这种散射探 知了原子核的存在。 RBS的发展也很快，当能量分辨率 足够高时，可以无损地进行纳米薄膜厚度的分析；
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• 低能离子散射被用来研究离子与固体表而的相互作用。实 验证实了低能离子与固体原子的碰撞主要为弹性碰撞。
电子能谱学
第11讲
低能离子散射谱（ISS）
朱永法 清华大学化学系
2004.12.28
内容提要
• ISS的概念和基础 • ISS可以提供物理化学信息 • ISS的研究对象 • ISS的信息特点 • ISS的应用领域
吸附，反应，偏析,结构等
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发展历史
• 低能离子散射作为一种表面分析方法是由Smith首先提出的 ；
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离子源
• 离子是由离子枪产生的，通常是用电子轰击压力为5×l0－6 到l0－3托的气体而得到。离子流密度约在几十微安／厘米2， 离子能量在500eV一2KeV内，能量分散性约2eV。
• 在低能离子散射中，最常用的惰性气体是氦、氖或氩。离 子源处于正加速电位。离子由一个负偏置电极通过一个小 光阑从离子源取出，再通过透镜系统形成离子束。
XPS等相同。
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• 基本原理已知质量ｍ1和能 量Ｅ0的一次离子入射到样 品表面(靶原子质量ｍ2)后, 在固定散射角处测量弹性 散射后的一次离子的能量 分布(Ｅ1)。
• 此过程遵从两体刚性球的 弹性碰撞原理
ISS原理
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离子散射原理
• 低能离子散射谱上一些突出的峰是由入射离子和单个晶 格原子之间的简单双体碰撞形成的，靶子晶格起的作用 很小或根本不起作用。
• 这种单原子层的灵敏度，在诸如多相催化剂、原子扩散、
合金的分凝、氧化、腐蚀的研究中是非常重要的，它使
ISS成为最有效的表面分析手段之一。
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ISS与RBS的比较
• 低能离子散射是真正的表面方法。低能谱上尖锐的特征峰 代表了深度只有几埃处的散射．高能离子散射时探测深度 大得多，得到的谱一般很宽．
• 由于高能离子散射的探测深度较大，所以用它进行薄膜分 析和表层分析。深度分辨率可达几个纳米，无需行逐层剥 蚀。