离子散射谱(ISS)

ISS 分析——峰高和定量分析
Ii N i 1 Pi Zi ( ) I j N j 1 Pj Z j

一般认为ISS谱峰面积与最外层表面原子浓度成正
比，比例系数可用标准样品确定。 利用标准试样，在一定的范围内，可用散射离子流 的比值求出表面成分。

ISS 应用

ISS作为表面灵敏的一种手段，既可用于确定表面化学组份，

前置放大器，脉冲计数等信号处理系统与AES、XPS 等相同，主要进行大量复杂的数据的采集、储存、 分析和处理。
ISS 谱仪——实物举例
Qtac100是ION-TOF公司最近专门为 研究材料表面元素及原子排列而开 发的低能离子散射谱仪。其基本原
理是低能离子散射，只针对最表面
的三个原子层，涉及催化剂、半导 体、金属、聚合体以及生物材料等 领域。
散射鼓包，只有一点锌的痕迹。

证实了ZnS的单极存在。
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He在ZnS晶体的两个向对的(111)面上的散射谱
ISS 应用

成分分析存在的问题：
（1）难认的谱峰。可能是由于离子除了同表面单个原子碰撞外，还同表
面原子及其近邻的原子一齐碰撞而产生的。 （2）因离子照射所引起的表面损伤。虽然低能离子(1KeV)引起表面的损
E1 E0
1 M2 2 1 2 2 2 {cos [( ) sin ] } M2 2 M1 (1 ) M1
离子散射过程
ISS 基本原理
1.8 keV的He+, Ne+, Ar+所得到的Mo的离子散射谱
ISS 基本原理
用不同质量的离子入射到Au-Ni合金所得到的具有不同分辨率的离子散射谱
离子散射谱(ISS)
内容提要
引言
ISS基本原理
ISS谱仪
ISS分析
ISS的应用
引言
表面形貌分析 表面组分分析
材料表面分析技术
表面结构分析
ISS
对固体表面离子散射的研究，最早源于1967年。当
时，Smith首先低能粒子散射做表面分析。
引言

离子作为探测束的优点：可得到最表层的信息，具有很高的
ISS 分析——峰位

W
40o 18o

E1/E0
O
0.735 0.780
0.964 0.966
实验条件：本底真空11010 托，一次离子能量分散小于1eV 研究对象：钨及吸附在钨上氧散射峰的位置


条件变量：改变入射角
实验结论：入射角过低时，峰位置向高能端偏移。
ISS 分析——半高峰宽和低能拖尾
ISS 谱仪——真空系统

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 × 109托或更低。

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子散射产额。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。
若入射离子的原子量为m，原子在靶晶格上的结合能<<入射离子能量<<mkeV
离子与表面主要发生弹性散射，此过程遵从两个刚性球的弹性碰撞原理
ISS 基本原理
根据经典力学的弹性散射原理：
1 E1 1 2 2 2 2 [cos ( sin ) ] 2 E 0 (1 )
其中 = M2/M1， 1时取正号。在ISS 中，通常α1，因此常用的散射离子能 量公式为
检测灵敏度，能给出十分丰富的表面信息等

离子散射谱一般分为两种： 低能离子散射谱，一般称为离子散射谱(ISS) 高能离子散射谱，一般称为Rutherford背散射谱(RBS)

低能离子散射谱(ISS)：入射离子能量较低(离子动能为100
电子伏至几千电子伏)

Rutherford散射谱(RBS)：入射离子能量很高(25千电子伏到 几个兆电子伏)
伤小于高能量的离子，但在几百伏的Ar离子轰击下也会产生可观察到的
溅射作用。 弥补方法：降低入射离子电流，使样品处于“静止”状态。

结构分析存在的问题：理论上不如低能电子衍射(LEED)成熟
ISS 应用

可用ISS研究铜膜氧化的表面反应过程，表面 原子间距的测量及材料表面结构等。

ISS在表面分析中可对较宽质量范围的元素进 行定性或半定量ห้องสมุดไป่ตู้分析，是一种表面检测的有
ISS 谱仪
典型的ISS装置示意图
ISS 谱仪
低能离子散射实验示意图
ISS 谱仪

ISS分析的本质是散射离子的能量分析。因此，入射 离子的类型、纯度、能量分散、角分散、束斑尺寸 以及能量分析器离子光学系统的象差等，对ISS分析
都有一定的影响。
ISS 谱仪——离子源

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。
高分辨低能离子散射谱仪（Qtac100）
灵敏度比普通的低能离子散射仪器提高3000倍， 并且可以进行定量分析。
特殊设计的全方位角收集器
ISS 分析

峰的位置 半高峰宽和低能拖尾
峰高和定量分析
ISS 分析——峰位

ISS散射峰的位置（ E1 / E0）是ISS定性分析的基础。 在ISS分析中，除了入射离子的纯度，能量离散对谱 峰有一定的影响外，还有其它因素对谱峰有一定的 影响。

图中O峰远高于C峰，说明CO 以分子形式立着吸附在Ni表面
上，且O原子朝外。
CO吸附在Ni(111)面上的离子散射谱
ISS 应用

表面结构分析：借助于ISS的阴影效
应，可以进行表面吸附结构的测定
以及单晶表面原子的排列研究。

通过腐蚀证明，锌的那一面有一个
很大的锌单次散射峰和一个较小的
锌双散射峰，但没有硫峰。而对面 有一个突出的硫峰和一个较小的双
ISS 谱仪——离子源

用He和Ne离子束对热轧Fe—Mo—
Re合金进行定性表面分析

在He离子的谱中，Fe和Mo峰是分 开的， 但在Re的位置上只有一个
很小的上弯部分

用Ne离子时，这三个峰都清楚地 分开了

较重的离子能改善质量分辨率
入射能量为1.5keV的3 He 和20 Ne 从FeMo-Re合金的背散射

散射峰的半高峰宽ΔE1或能量分辨率ΔE1/E1是ISS分
析能力的重要总体指标。它们决定了ISS对不同质量
数表面原子的分辨本领。

表面凹凸不平和表面原子的热振动会使谱峰展宽，
多重散射会使谱峰向高能端偏移，非弹性散射会导 致谱峰向低能端偏移，提高入射离子能量时会增加 谱峰低能端的拖尾。
ISS 分析——峰高和定量分析
引言

ISS和RBS理论基础：入射离子与靶原子进行弹性 碰撞。

根据弹性散射理论，由于散射离子的能量分布和 角分布与表面原子的原子量有确定的关系，通过 对散射离子进行分析就可以得到表面单层元素组
分及表面结构的信息。
ISS 基本原理
质量ｍ1和能量Ｅ0的一 次离子入射到靶原子质 量为ｍ2的样品表面后, 在固定散射角处测量弹 性散射后的一次离子的 能量分布


峰高是ISS定量分析的基础。 检测器接收到的离子流为：
d x I N x I 0 (1 Px )T d
+ i

对于均匀的非氧化材料，如i、j二种元素的，可近 似有：
I i N i 1 Pi d i / d I j N j 1 Pj d j / d
d i / d Zi ( ) d j / d Zj
又可推断一些几何结构如原子晶格排列等。
一定条件下还可进行半定量的分析工作。 探测的极限也在0.1％单原子层左右。

ISS已广泛应用于表面吸附，离子诱导解吸，化合物的表面成 分和催化，合金表面成分及电子轰击引起的表面过程的研究 中。
ISS 应用

成分/结构分析：因为ISS具有
只检测最外层原子的表面灵敏
力手段之一。
Thank You
阴影效应
ISS 谱仪——能量分析器
PHI公司生产的ISS/ ESCA/AES系统,在双通
CMA中加了一个角分辨
滚筒，可在不同的散射 角上作能量分析
装有角分辨滚筒的CMA
度，所以特别适用于研究合金 表面的分凝及吸附等现象。

清洁表面
通过清洁表面和吸附表面的谱 图对比，Ni峰比Cu峰的比例
吸附表面
发生了明显的变化，说明CO
优先吸附在Ni原子上。
CO在Cu-Ni合金上吸附前后的ISS谱
ISS 应用

成分/结构分析：因为ISS具有
只检测最外层原子的表面灵敏
度，所以特别适用于研究合金 表面的分凝及吸附等现象。

ISS 谱仪——能量分析器

静电式电子能量分析器，如CMA，可以用作正 离子能量分析器，只须特有有关电位开关的极 性反转即可。这也使ISS技术易于同AES、XPS 等分析技术兼容。
ISS 谱仪——离子流检测器

探测方式，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。