离子束与材料的相互作用.ppt

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1、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

2、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)M1,Z1,E0M2,Z2k2E02θ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/

3、2+M1cos22θ]2/(M1+M2)2(3-10)当2θ=90o时，k2=

4、M2-M1

5、/(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

6、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=Nv

7、ZS。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

8、、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材料的特征关系建立起来的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。所有分析方法的分析、检测过程都可以大体分为信号发生、信号检测、信号处理和信号读出四个步骤；相应的分析仪器则由信号发生器(产生原始信号)、检测器(将原始信号转换为可检测信号并检测)、信号处理器(将被

9、测信号放大、运算、比较后传到读出装置)和读出装置(将处理后的信号转变为可被人认知的形式显示或记录下来)四部分组成。第二节衍射分析方法概述衍射分析方法以材料结构分析为基本目的。电磁辐射或运动粒子束与材料相互作用产生相干散射，相干散射波相长干涉形成衍射波。衍射是材料衍射分析的技术基础，衍射分析包括X射线衍射分析、电子衍射分析和中子衍射分析等方法。一X射线衍射分析(XRD):在产品检验、原材料的质量标准或生产过程的中间控制分析中日渐普及。在耐火材料厂定量测定耐火硅砖里鳞石英、方石英和残余石英（它们的化学式都是SiO2）的含量必须使用X射线衍射仪