第二章 材料近代研究方法的物理基础.pptVIP

第二章　材料近代研究方法的物理基础 第一节　散射作用 第二节　溅射作用 多次碰撞 指有级联过程，入射粒子及被撞击的靶原子具有足够动能继续撞击第二、第三、…个原子，从而产生多次溅射，而入射粒子最后湮灭在靶晶格中，成为注入原子。多次碰撞溅出的粒子产额高，按其一次级联的原子数，又可分为线性级联（Linear cascade）和能峰机制（Energy spike mechanism）两种 线性级联：被撞的靶原子（初级反冲原子）获得的动量足够高，它还可撞出其它靶原子，产生次级反冲原子……依次类推继续下去，直到转移的动能已不足以引起原子离位为止 能峰机制：碰撞级联内部反冲原子的密度极高，以至于在级联体积内有比线性级联多得多的靶原子在同一瞬间处于运动状态 化学溅射（Chemical sputtering） 指入射粒子与靶原子碰撞和能量交换的同时，发生化学反应，生成新的不稳定化合物，从而切断某些化学键使原子或原子团出射（成为二次粒子）的化学过程 物理溅射多在中、高能量（keV?MeV）粒子轰击条件下发生，能量低至电子伏特量级的粒子所引起的物理溅射极弱 化学溅射可延续到更低的能量范围，在电子伏特量级仍有显著的溅射效应 与散射过程相似，表征溅射的有偏转、能量损失、截面、阈值等，主要参量有溅出条件（阈值）、方位（偏转）和强度（截面或产额） 阈值能量（Threshold energy） 阈值能量━━粒子被溅出所需的最小能量 当入射粒子种类、能量给定后，阈值大小决定于： 靶材材质（即原子序数、成分、化学键键性与键强、结构、结合能） 表面状态（棱、顶、台级等处原子能级不同） 界面（晶界、粒界处于不同能级，晶面角大小━━产生能级畸变 二、溅射参量 溅射产额（Sputtering yield） 溅射产额Y━━平均每个入射粒子所溅射出的粒子数目，与溅射截面意义相同 Y有以下关系： E0━━入射粒子动能 ? ━━入射粒子平均穿透距离，1/?＝?r2? r ━━碰撞截面有效半径 ? ━━靶密度 K━━比例常数 M1、M2━━入射粒子、靶原子质量 影响溅射产额或溅射截面的因素 入射粒子特性 种类：靶材选定后，入射粒子特性不同，Y也不同。一般，随入射粒子原子序数增大而增大 能量：通常认为，在几KeV?几十KeV范围，Y随入射粒子能量增加而增大。能量超过一定值后，Y不再增加，原因是入射深度过大，粒子不易逸出 入射角：d=Rcos?（d－垂直入射距离，R－实际行程），入射角?愈大，溅射愈趋于表面，粒子更易逸出（小于逸出深度时），Y愈大（在?≤45O，Y∝1/cos?）。但?角过大，则与入射粒子相互作用的靶原子数量减少。因此?有一最适宜值，约60O?70O d ? 90-? R 靶材特性 靶材性质：组成、结构、键性、键强等。一般地，随Z增加，Y减小，但有周期性（因还涉及靶原子质量、原子半径） 表面状态：粗糙度增大，Y减小 能量损失方程 对溅射过程可看作是入射粒子能量传递给靶原子，并逐渐减速，伴随能量损失。该过程“可看作为”韧致散射过程，即靶对入射粒子产生阻止 两种阻止： 核阻止━━属弹性阻止，入射粒子的能量通过碰撞转换为二次粒子的信息，可用双体碰撞模型处理 电子阻止━━属非弹性阻止，入射粒子把能量交换给靶原子中的核外电子，并导致靶原子激发、电离，溅射出离子和电子 将上述两种阻止作用近似地看作相互独立的，则整个溅射过程的能量损失为： 总阻止本领 核阻止━━核对入射粒子的韧致散射 电子阻止━━靶材核外电子的激发作用，并伴随产生二次粒子（离子、电子）信息，是非弹性作用 入射粒子能量 阻止本领 核阻止　 电子阻止 ?━━靶密度；x━━入射粒子在靶中的行走距离；SN(E)━━靶材原子核阻止本领；Se(E)━━靶材核外电子阻止本领 溅射（溅出）效应 入射粒子与靶材粒子、晶格相互作用，溅出二次粒子中，90%为中性粒子，10%为正、负离子 当入射束能量给定时，溅出的二次粒子的种类、出射速度、能量分布、溅出方向与靶材成分、结构、结合能、出射角等有关，因此可以建立多种材料研究方法： 二次离子质谱（SIMS） 溅射中性粒子质谱（SNMS） 离子诱导（激发）脱附谱（ISD） 电子诱导（激发）脱附谱（ESD） 离子与强场作用 当离子受到强场作用时，若达到V/?量级，则处于固体表面针尖处的离子（表面能量最高），受到的作用更大，以至于可使得靶材以离子态逸出，即“场蒸发”（比溅射更强的溅出）。场蒸发可以使试样针尖因蒸发而变成光滑球形，即表面层离子被剥离 当把针尖放在充He、Ne气体(10-5?10-4Tor