文档介绍：第五章纳米材料的表面与界面分析
引言
纳米材料的发展必然要从粉体材料逐步地演变为薄膜材料和体相材料,从而
进入纳米器件和纳米电子时代。纳米材料的应用也会逐渐从纳米粉体的应用逐步
发展到纳米器件的应用。在纳米器件和纳米电子的研究中,主要涉及到多层纳米
薄膜的制造和控制,这些过秤最关键的技术是对纳米薄膜的成份,化学结构,形
貌以及元素的三维分布等信息进行分析和控制。因此,固体材料的表面与界面分
析业已发展为纳米薄膜材料研究的重要分析方法,特别是对于固体材料的元素化
学价态分析、元素三维分布分析以及微区成份分析。目前常用的表面和界面分析
方法有:X 射线光电子能谱(XPS), 俄歇电子能谱(AES),静态二次离子质谱
(SIMS)和离子散射谱(ISS)。其中 XPS 占了整个表面成分分析的 50%,AES 占了
40%,SIMS 占了 8%。在这些表面与界面分析方法中,XPS 的应用范围最广,可
以适合各种材料的分析,尤其适合材料化学状态的分析,更适合于涉及到化学信
息领域的研究。AES 分析的应用主要偏重于物理方面的固体材料科学的研究,
其特点是具有很高的空间分辩能力以及深度分辩能力,可以提供三维方向的各种
化学信息。 SIMS 和 ISS 由于定量效果较差,在常规表面分析中的应用相对较少。
但近年随着飞行时间质谱(TOF-SIMS)的发展,使得质谱在表面分析上的应用
也逐渐增加,尤其是对于一些高分子纳米薄膜材料的研究,具有更好的特点。考
虑到目前的表面分析的特点以及应用情况,本章主要介绍 X 射线光电子能谱和
俄歇电子能谱在纳米薄膜材料上的表面与界面分析方法。
表面与界面分析基础知识
超高真空系统
超过真空是表面分析仪器的一个重要组成部分。因为高的真空度能使试样表
面在测量过程中的沾污减少到最低程度,从而得到正确的表面分析结果。目前商
品表面分析谱仪的高真空度可达 10-10 托左右。在 X 射线光电子能谱仪和俄歇电
子能谱仪中必须采用超高真空系统,主要是出于两方面的原因。首先,XPS 和
AES 都是表面分析技术,如果分析室的真空度很差,在很短的时间内清洁表面
就可以被真空中的残余气体分子所覆盖。没有超高真空条件就不可能获得真实的
表面成份信息。如果没有足够的真空度,气体粒子将粘附到表面上,在 10-6 托下
大约 1 秒钟就可以吸附一个单层。即使在 10-10 托的真空中,在 30 分钟内也会在
活性表面上吸附相当数量的碳和氧,几乎接近一个单层。所以真空系统的环境污
染是很重要的。此外,由于信号电子的强度和能量都非常弱,如果真空度较差,
这些特征信号电子很容易与真空中的残余气体分子发生碰撞作用而到达不了检
测器。在表面分析谱仪中,一般采用三级真空泵系统。前级泵一般采用机械泵或
吸附泵,极限真空度能达到 10-2Pa。高真空的获得一般采用油扩散泵或分子泵,
极限真空度能达到 10-8Pa,目前为了保证样品少污染,一般均采用分子泵系统。
而超高真空的获得一般采用溅射离子泵和钛升华泵系统,其极限真空度能达到
10-9Pa。在这几种真空泵中,各有优缺点。现在的新型表面分析谱仪,基本采用
机械泵-分子泵-溅射离子泵-钛升华泵系列,这样可以有效地防止真空泵中油的污
染并获得清洁的超高真空。
2. 样品室系统
一般包括样品导入系统,样品台,加热或冷却附属装置等。为了减少更换样
品所需的时间及保持样品室内高真空,表面分析谱仪普遍采用旋转式样品台,能
同时装 6-12 个样品,根据需要将待分析样品送至检测位置。
射线激发源
在普通的 XPS 谱仪中,一般采用双阳极激发源。常用的激发源有 Mg Ka X
射线,光子能量为 eV 和 Al Ka X 射线,光子能量为 eV。没经单色
化的 X 射线的线宽可达到 eV, 而经单色化以后,主线宽可降低到 eV,并
可以消除 X 射线中的杂线和韧致辐射。
4. 电子束源
电子光学系统主要由电子激发源(热阴极电子枪)、电子束聚焦(电磁透镜)
和偏转系统(偏转线圈)组成。电子光学系统的主要指标是入射电子束能量,束
流强度和束直径三个指标。其中 AES 分析的最小区域基本上取决于入射电子束
的最小束斑直径;探测灵敏度取决于束流强度。这两个指标通常有些矛盾,因为
束径变小将使束流显著下降,因此一般需要折中。
在俄歇电子能谱仪中,通常采用的有三种电子束源,包括钨丝,六硼化铼灯
丝以及场发射电子枪。其中目前最常用的是采用六硼化铼灯丝的电子束源。该灯
丝具有电子束束流密度高,单色性好以及高温耐氧化等特性。现在新一代的俄歇
电子能