材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途.doc

一 材料现代表面分析技术常用方法及各自的用途表面分析与测试是以获得固体表面（包括薄膜、涂层）成分、组织、结构及表面电子态等信息为目的的试验技术与方法。基于电磁辐射和运动粒子束与物质相互作用的各种性质而建立起来的分析方法，可分为衍射分析、电子显微分析、扫描探针分析、电子能谱分析、光谱分析及粒子质谱分析等几类主要分析方法。1 分类表面分析方法是用一个探束(光子或原子、电子、离子等)或探针(机械加电场)去探测样品表面并在两者相互作用时，从样品表面发射及散射电子、离子、中性粒子(原子或分子)与光子等，检测这些微粒(电子、离子、光子或中性粒子等)的能量、质荷比、束流强度等，就可以得到样品表面的形貌、原子结构(即排列)、化学组成、价态和电子态(即电子结构)等信息。（1） 表面“形貌”分析指“宏观”几何外形分析。主要应用电子、离子显微镜进行观察分析，当显微镜的分辨率达到原子级时，可观察到原子排列，这时“形貌”分析和结构分析之间就没有明确的分界。有扫描电子显微镜、离子诱导扫描电子显微镜、场离子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。（2） 表面组分分析包括表面元素组成、化学态及其在表层的分布测定等。后者涉及元素在表面的横向和纵向(深度)分布。有X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、电子探针、二次离子质谱、离子散射谱等。（3） 表面结构分析研究表面原子排列。有低能电子衍射、光电子衍射、表面扩展能量损失精细结构、表面扩展X射线吸收精细结构、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。（4） 表面电子态分析包括表面能级性质、表面态密度分布、表面电荷分布及能量分布等。主要有紫外光电子谱、电子能量损失谱、角分解X射线光电子能谱、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。2 主要几种分析方法的用途分析方法名称主要用途透射电子显微镜形貌分析、晶格结构分析、成分分析扫描电子显微镜形貌分析、成分分析、结构分析、断裂工程动态研究X射线光电子能谱表面组分分析、化学态分析原子力显微镜表面形貌与结构分析、表面原子间力和表面力学性质的测定俄歇电子能谱表面组分、电荷转移、表面覆膜度、结合能、纵向分布扫描隧道显微镜表面形貌与结构、表面力学行为、表面物理化学研究二 X射线电子能谱的工作原理、适用范围及特点1 X射线光电子能谱分析的基本原理：X光电子能谱分析的基本原理：一定能量的X光照射到样品表面，和待测物质发生作用，可以使待测物质原子中的电子脱离原子成为自由电子。该过程可用下式表示：h=Ek+Eb+Er 其中：h：X光子的能量；Ek：光电子的能量；Eb：电子的结合能；Er：原子的反冲能量。其中Er很小，可以忽略。对于固体样品，计算结合能的参考点不是选真空中的静止电子，而是选用费米能级，由内层电子跃迁到费米能级消耗的能量为结合能 Eb，由费米能级进入真空成为自由电子所需的能量为功函数，剩余的能量成为自由电子的动能Ek，上式又可表示为： h=Ek+Eb+ Eb= h-Ek- 仪器材料的功函数是一个定值，约为4eV，入射X光子能量已知，这样，如果测出电子的动能Ek，便可得到固体样品电子的结合能。各种原子，分子的轨道电子结合能是一定的。因此，通过对样品产生的光子能量的测定，就可以了解样品中元素的组成。元素所处的化学环境不同，其结合能会有微小的差别，这种由化学环境不同引起的结合能的微小差别叫化学位移，由化学位移的大小可以确定元素所处的状态。例如某元素失去电子成为离子后，其结合能会增加，如果得到电子成为负离子，则结合能会降低。因此，利用化学位移值可以分析元素的化合价和存在形式。2 X射线光电子能谱法的应用 （1）元素定性分析各种元素都有它的特征的电子结合能，因此在能谱图中就出现特征谱线，可以根据这些谱线在能谱图中的位置来鉴定周期表中除 H 和 He 以外的所有元素。通过对样品进行全扫描，在一次测定中就可以检出全部或大部分元素。（2） 元素定量分折X射线光电子能谱定量分析的依据是光电子谱线的强度(光电子蜂的面积)反映了原于的含量或相对浓度。在实际分析中，采用与标准样品相比较的方法来对元素进行定量分析，其分析精度达12。（3） 固体表面分析固体表面是指最外层的110个原子层，其厚度大概是(0.11) nm 。人们早已认识到在固体表面存在有一个与团体内部的组成和性质不同的相。表面研究包括分析表面的元素组成和化学组成，原子价态，表面能态分布。测定表面原子的电子云分布和能级结构等。X射线。光电子能谱是最常用的工具。在表面吸附、催化、金属的氧化和腐蚀、半导体、电极钝化、薄膜材料等方面都有应用。（4） 化合物结构签定X射线光电子能谱法对于内壳层电子结合能化学位移的精确测量，能提供化学键和电荷分布方面的信息。（5）分子生物学中的应用，利用XPS鉴定维生素B12中的少量的Co。3 电子能谱法的特点（1） 固体样本用量小，不需要进行样品前处理，从而避免了引入或丢失元素所造成的损失。（2） 表面灵敏度高，一般信息深度10nm。（3） 分析速度快，可多元素同时测定。（4） 可以给出