离子束与材料的相互作用.pptVIP

第二节 离子束与材料的相互作用 由于离子的质量和半径与材料中原子的质量和半径相当，入射离子与原子(核)的碰撞几率很大，动量和能量的转移也很大。 一 散射 能量为数千电子伏的一次离子，与材料中原子的相互作用时间低于1ps。常用入射离子束流密度远小于103A/cm2?1010/cm2·ps，而材料表面原子的密度约为3×1014/cm2，因此可以认为离子对原子的作用不重叠。 所谓不重叠指可以将碰撞看成在两个孤立粒子间发生。 离子束散射必然伴随有电子的非弹性碰撞，因此两次碰撞间有能量损失，离子的能量损失取决于碰撞过程和碰撞之间所经历的路程。 1 弹性散射 两个粒子1和2，质量和 原子序数为M1、Z1和 M2、Z2，离子1以速度v0和能量E0=M1v02/2向 静止的原子2运动并发生弹性碰撞，显然，俩 粒子的总能量和总动量守恒。设离子出现在 散射方向2θ的几率为p，根据卢瑟福散射公式 p∝Z12Z22e4/16E02sin4θ (3-8) 上式表明粒子弹性散射的两大特点： 散射几率正比于Z1和Z2的平方，因此， 当入射离子由H+变为He+时，散射几率增加4倍； 散射几率正比于1/sin4θ，强烈依赖于散射角2θ， 2θ=90o的散射几率为2θ=180o的4倍。 散射后离子的能量为： E1=k2E0 (3-9) 其中： k2=[(M22-M12sin22θ)1/2+M1cos22θ]2/(M1+M2)2 (3-10) 当2θ=90o时，k2=|M2-M1|/(M1+M2)。碰撞以 后离子的能量损失与靶原子的质量有关，与 轻元素靶原子碰撞的能量损失比与重元素靶 原子碰撞的能量损失大。 2 非弹性碰撞 离子在固体中传播时被电子非弹性碰撞产生 的能量损失率称为固体对离子的阻止功率， 它与离子的种类、能量及样品的成分有关。 单位为eV/(1015原子/cm2)。即离子在固体中 传播时，每通过包含1015原子/cm2的层厚所 损失的电子电子伏能量。 入射离子的能量损失曲线与入射电子的能量 损失曲线类似(图3-2) 二 溅射与二次离子 1 离子溅射：入射离子轰击固体时，会直接 或间接迫使固体表面许多原子运动，此过程 称为级联碰撞。当表面原子获得足够能量和 动量而背离表面运动时，就引发表面粒子 (原子、离子、基团)发射，称为溅射。 离子溅射可用来剥蚀样品，配合俄歇电子能 谱分析可确定样品成分随深度的变化情况， 即材料的纵深剖析。 描述剥蚀快慢的物理量叫作溅射产额(Y)。 其定义为溅射出的粒子数(Ns)与入射离子数(N0)的比值: Y= Ns/ N0 (3-11) 纵深剖析的关键是要保证精确地分层剥蚀，因此要求入射离子强度[J：离子/(cm2?s)]在溅射区内均匀一致。 单位时间内的剥蚀深度称为剥蚀速率vZ。 设样品的原子浓度为N(原子/cm3)，则有： N0=JS； Ns=NvZS。 vZ= Ns/NS= NsJ/N0N=YJ/N (3-12) 对于给定的样品(N已知)和确定的条件(J一 定)，测出vZ便能确定Y； ※溅射产额的理论估计可自己看看，不要求掌握。 2 二次离子 溅射出去的粒子可以以原子、离子和基团的 形式存在。不同形式的粒子间的比率与入射 离子的性质有关，也受样品本身性质和表面 状态影响。 溅射出去的离子或离子态基团称为二次离子。 收集分析二次离子得到二次离子质谱，可用 于同位素分析、微区分析、纵深剖析、界面 分析和三维实时成像等。 第四章 材料现代分析方法概述 第一节 一般原理 通过对表征材料理化性质的各种参数极其变 化量(称为测量信号)的收集、处理来了解和 掌握材料的成分、结构(包括结构缺陷)及微 观形貌等内容。 采用不同测量信号便形成不同的分析方法。 基于电磁辐射及运动粒子束与物质的相互作用的各种性质建立起来的各种分析方法已成为材料现代分析方法的主要组成部分，大体分为：光谱分析、电子能谱分析、衍射分析和电子显微分析等四大类。 基于其他物理性质或电化学性质与