表面与界面物理之期末考试论文--京波

《固体的表面与界面》期末考试作业姓名1：徐京学号1：200907120055姓名2：关洪波学号2：200907120050论文题目：出现电势谱（APS）AppearancePotentialSpectroscopy出现电势谱摘要：粒子束与表面作用后，将产生丰富的信息，如电子、光子和离子的发射，它们都可以作为表面分析的依据。电子束的能量可以由加速电压精确控制，其聚焦方法简单，固体材料对电子束的非弹性散射很大，而且其能有效地被各种仪器所检测和计算，电子束分析设备比离子束简单，所以电子束已经成为最常规方法之一[1]。出现电势谱就是电子束分析技术的一种重要方法。关键词：电子束信息表面分析出现电势谱AppearancePotentialSpectroscopyAbstract：Duetotheinteractionbetweenparticlebeamandthesurfaceofmaterial,awealthofinformationwillbeproduced.suchaselectron,photonandion,theiremissioncanbeusedasthebasisofsurfaceanalysis.Electronbeamenergycanbepreciselycontrolledbytheacceleratingvoltage,it’sfocusmethodissimple,andsolidmaterialhasastrongeffectontheelectronbeam,what’smore,theinelasticscatteringbetweenthemcanbeeffectivelydetectedandcalculatedbythevariousinstruments,electronbeamanalysisequipmentismoresimplethantheionbeamequipment.Therefore,theelectronbeamhasbecomeoneofthemostconventionalmethod.Appearancepotentialspectroscopyisanimportantmethod.ofElectronbeamanalysistechniques.Keywords:electronbeaminformationsurfaceanalysisAPS1.引言表面科学是上世纪70年代才发展起来的一门新兴学科，主要包括表面物理、表面化学和表面技术三方面。其是一门综合性的学科，涵盖学科知识面广，是当代材料学重要部分。近年来，表面科学得以能够迅猛发展，原因之一就是上世纪50年代实现了超高真，并在此基础上60年代以来发展了各种能谱技术。表面与界面物理作为表面科学的核心方向，广泛地与晶体学、冶金金属学、电化学、半导体技术和石油化工技术以及低温技术紧密结合起来。然而，作为表面科学的研究手段，表面技术是发展表面科学的前提保证，表面分析技术的发展才使表面科学成为可能。所以，表面技术的探究和发现是具有十分重要意义的。目前，人们在研究表面与界面时最常用的手段有电子束技术和电子能谱，离子束技术以及其他表面分析技术。在电子束技术方面，有很多方法常常被采用在表面科学各个领域，其中重要研究方法有低能电子衍射（LEED）、高能电子衍射（HEED）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外线光电子能谱（UPS）等；离子束技术方面常见的方法有离子散射谱（ISS）、二次离子质谱（SIMS）、离子中和谱（INS），还有场离子显微镜（FIM）等等[2]。上述各种方法各自具有不同的分析功能和特点，在实际科研中根据具体的实验要求和条件而采用不同的方法。本文中将讲到的“出现电势谱”就是电子束技术和电子能谱中的方法之一。2.出现电势谱（appearancepotentialspectroscopy）2.1物理原理表面分析用芯能级谱的一个大类。简称APS。以一定能量的电子束入射到固体表面，入射电子使原子的内层电子激发而出现空位，测量产生空位所需的最低能量（对应入射电子的最低加速电势）。空位的产生可通过填补这个空位所涉及的俄歇过程或发射软X射线过程来探测，前者称俄歇出现电势谱，后者称软X射线出现电势谱。俄歇电子或软X光子的能量与原子的壳层结构有关，并因元素而异，故利用出现电势谱可鉴别原子种类。通过逐渐增强入射电子束的能量，测量试样被激发的Ｘ射线或俄歇电子能量的变化以分析试样表面成分、元素电子束缚能、表面电子结构的电子能谱法。它用能量逐渐增长（50→1500电子伏）的电子轰击固体表面，并测定次级粒子的产额。当入射电子的能量E0超过某一阈值（相当于某一出现电势）时，就有可能激发固体原子，使某一芯能级EB上的电子跃迁到费密能级E0以上空带中的某一位置，而在该能级上留下空穴，如图1所示；然后在退激发（电子重新落入空穴）时将产生俄歇电子或相当于芯能级束缚能(EB-E0)的标识X射线,如图2所示。因此测定次级粒子流强度I与入射电子能量E0之间的关系就可以得到一种相当于测定芯能级束缚能的谱，可用作元素分析以判明固体表面的成分。由于不同元素的各个芯能级束缚能相差很大，所以APS的谱线清晰易读，不会发生混淆；加以不需要能量分析器，仪器结构比较简单，所以是一种很有用的表面分析方法。[3][3]2.2概述可以按所测粒子的种类分为“软X射线出现电势谱(SXAPS)”和“俄歇电子出现电势谱(AEAPS)”两种。前者灵敏度较低，一般需要毫安级的入射电子流，因而用于测定较深的芯能级（束缚能500eV）时，可能会在样品表面造成损伤。后者灵敏度较高，只需要10A左右的入射电子流，损伤可以忽略，但缺点是较低能量(300eV)的电子出射时会由于固体原子的衍射而产生附加信息，干扰正常谱的读出。所以合理的办法是在较低能量时用SXAPS而在较高能量时用AEAPS。从理论上说来，入射粒子也可以采用适当（相当于软X射线波段）的光子，这样可完全避免对样品表面的损伤但鉴于单色性良好的X射线源(例如同步辐射)目前尚不普遍，有人就使用能量渐变的电子轰击金属靶所产生的赝单色X射线源作为入射粒子，而测定俄歇电子的产额这就是所谓“X射线光电子出现电势谱(XPAPS)”。但实验结果表明这种方法的灵敏度很低，不适于一般的表面分析。然而，如用某一元素的标识X射线来照射另一个表面含有这一元素的样品，则后者所对应的芯能级上的电子会产生共振跃迁，而在退激发时再产生俄歇电子。具体的作法是把同一固体材料分为两块：一块作为受电子轰击的X射线管阳极（靶），另一块作为被测样品。逐渐改变阳极电压至某一阈值（出现电势）而测定样品的出射电子产额，可得到“共振光电子出现电势谱(RPAPS)”。由于共振跃迁具有选择性滤波功能，因此RPAPS的灵敏度和分辨率都优于一般的出现电势谱,只是样品的制备要略为复杂一些。2.3设备在出现电势谱实验中，采用的实验仪器是出现电势谱仪，它是测量出现电势谱的能谱仪（appearancepotentialspectrometer）。在分析时，将试样作为阴极靶，改变阴极电位，当轰击靶的电子达到一定值时，样品上出现带有特征的X射线荧光，把阴极电位（电子束的势能）和X射线的强度作成图谱即得到APS。为了消去背底噪音，通常采用电势调制技术，实际的APS谱是软X射线强度的二阶导数与外加电压关系。目前已观察到出现电势的元素有铍、镁、硼、氮、铅和硫等三十多种。APS可以确定靶材料的表面组分，测定束缚能、空带能态密度和表面原子的电子结构等。APS设备较简单、成本低，这是与离子束表面分析法相比的优点。目前它已成为研究金属或合金偏析、氧化、腐蚀、催化等物理化学过程的有力工具之一[4]。2.4谱分析由阴极发射的电子经加速与表面作用后，如果它的能量不足以把芯电子撞出来，但它把芯电子撞到倒带中距费米能为ε2的某一空态处。而自己也被束缚在距费米能ε1的空态处，则下式成立:qV+qΦ=EB+ε2+ε1其中，EB是电子结合能，V是阴极电势，Φ为阴极功函数；当芯电子和电子束电子都处在费米能级时，ε1=ε2=0,这时仍有X射线发射，对应的加速电压是Va,则得到：qVa+qΦ=EB或qVa=EB-qΦ式中Va是临界电压，当VVa时，就没有X射线发射出。故临界电压与电子结合能直接有关。已经发现，出现电势谱对各元素的相对灵敏度与俄歇电子谱(AES)不同，它对碳、氧、硫并不特别灵敏,却能对3d和4f过渡金属给出最佳灵敏度，因此适于作为探测这一类元素的表面分析。在能谱研究方面,APS能给出空带态密度的信息，而AES给出的是满带态密度信息,二者是互补的。从APS也能看出氧化造成的谱位移,但不如X射线光电子谱(XPS)清晰。此外,也有人用AEAPS的谱边形状来测定表面结构。这种方法称为“扩展出现电势精细结构(EAPFS)”，与扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)的原理相类似，由于存在问题，目前尚用得不多。不同的表面分析方法所能观测的信息深度不同，主要分析功能也不一样。APS的典型信息深度为1~3nm，主要分析功能为表面组分、空电子态。下面与其它常见的电子束分析技术方法作个比较，见下表[5]：名称典型信息深度主要分析功能俄歇电子谱（AES）1nm左右表面组分电子损耗普（EELS）0.5nm左右空电子态表面震荡低能电子衍射谱（LEED）0.5nm左右表面结构出现电势谱（APS）1-3nm表面组分空电子态光电子谱（PS）0.5-2nm表面组分电子能带原子价态2.5应用APS通过逐渐增强入射电子束的能量，测量试样被激发的Ｘ射线或俄歇电子能量的变化以分析试样表面成分，元素电子束缚能和表面电子结构，从而可以进一步确定表面的空电子态。APS从理论上为分析材料表面与界面的物化性质提供了重要方法，在实验室可作为科研、实验的有效操作手段。在工业生产中，材料性能的实际检测和研发方法的重要选择对象。在将来的表面科学发展，APS仍将扮演重要角色。参考文献：[1]恽正中，王恩信，完利祥，《表面与界面物理》，电子科技大学出版社，1993,P17.[2]PhilipHofmann,《LectureNotesonSurfaceScience》,ArhusUniversity,October,2005.[3]中国百科网[4]恽正中，王恩信，完利祥，《表面与界面物理》，电子科技大学出版社，1993,P18[5]M.Pruttion编，张瑞福译，《表面物理导论》，浙江大学