分析仪器简介(埃文思公司)教材课件.ppt

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1、SICC,EAG-China成立在2005年8月，从2008年7月，EAG-China在上海增加了SIMS服务，目前拥有3台SIMS，1台Auger。将于2012年安装第4台SIMS以及XPS和SEM。2013年初将安装第一台GD-MS设备。EAG提供材料物理和化学性质的分析,得到材料的化学成分、微量元素（掺杂或杂质）的浓度和分布以及材料的结构。分析技术包括：SIMS、GDMS、ICP-MS、Auger、XPS、TEM、SEM、FTIR、TOF、Raman、XRD、XRR、XRF。EAG在多种电池材料的分析方面都有丰富的经验。针对太阳能级硅材料的分析，SIMS和GDMS是最有效的两种手段。,S

2、ICC,常用表面（层）形貌及结构分析仪器及用途,SICC,常用表面（层）成分分析谱仪及用途,SICC,EAG各类材料分析技术汇总,SICC,现就EAG公司的讲解与介绍着重说明几种分析仪器,SICC,GD-MS (Glow Discharge Mass Spectrometry )辉光放电质谱法GD-MS原理：将具有平整表面的被测样品作为辉光放电的阴极，样品在直流或射频或脉冲辉光放电装置中产生阴极溅射，被溅射的样品原子离开样品表面扩散到等离子体中，通过各元素质荷比和响应信号的强弱，对被分析元素进行定性和定量分析的一种分析方法。GD-MS构成：离子源、质量分析器、检测系统,SICC,GD-MS原理

3、示意图,SICC,上图为一个简单的辉光放电装置。放电池中通入压力约 101000pa的惰性气体（氩气），阴极和阳极之间施加一个电场。当达到足够高的电压时，惰性气体被击穿电离。电离产生的大量电子和正离子在电场作用下分别向相反方向加速，大量电子与气体原子的碰撞过程辐射出特征的辉光在放电池中形成“负辉区”。正离子则撞击阴极（样品）表面通过动能传递使阴极发生溅射。阴极溅射的产物为阴极材料的原子、原子团，也会产生二次离子和二次电子。阴极的溅射过程正是样品原子的产生途径，也是样品可进行深度分析的理论基础。在辉光放电形成的众多区域中，有两个对样品分析重要的区域，分别是“负辉区”和“阴极暗区”。阴极暗区为一靠

4、近阴极表面的薄层区域，有较高的正离子密度，整个辉光放电的电压降几乎全部加在这个区域。负辉区一般占有辉光放电的大部分容积，几乎是一个无场的区域，电子承担着传导电流的作用。因此溅射产生的二次离子一般会被拉回到电极表面形成沉积而很难通过阴极暗区，而中性的原子则会通过扩散进入负辉区被激发或离子化，当然也可能在频繁的碰撞过程中返回，这是辉光放电的一个明显的特点。辉光放电源具有能产生固体样品中具有代表性组成的原子，同时具有产生这些原子的激发态和离子态的能力。因此辉光放电既可作为光源也可作为离子源被应用到固态样品的含量和深度分析中。,SICC,GD-MS定量方法离子束比定量和相对灵敏度因子（RSF）,SIC

5、C,GD-MS分析特性*全元素搜索分析*可同时检测元素周期表中绝大部分元素*检测限从sub-ppm到ppb*可直接分析各种形态的固体样品*避免了制样污染（相比于湿法制样）*几乎不依赖于标样*较少的取样量（相比于ICP-MS）*可分析杂质分布,SICC,GDMS与其它仪器分析方法比较,SICC,GD-MS的优缺点优点全元素分析，一次扫描几乎可以覆盖元素周期表 所有元素元素搜索分析，检测成本低很好的探测极限不足H，C，O，N元素的探测极限较差不使用标样的定量技术，定量误差较大,SICC,SIMS (secondary ion mass spectroscopy)二次离子质谱仪SIMS原理:在SIM

6、S分析中，样品由氧（O2+）或者铯(Cs+)源的聚焦一次离子束溅射。在溅射过程中形成的二次离子被加速使其脱离样品表面。二次离子由静止分析器进行能量分离和由电磁质量分析器基于质荷比进行质量分离。便可知道表面的成份,SICC,SIMS(二次离子质谱系统)结构示意图,离子源,质量分析器,检测器,二次离子深度分析,二次离子质谱,二次离子分布图像,SICC,SIMS(二次离子质谱)系统基本特性可以在超高真空条件下得到表层信息；可检测包括H在内的全部元素；可检测正、负离子；可检测同位素；可检测化合物，并能给出原子团、分子性离子、碎片离子等多方面信息；可进行面分析和深度剖面分析；对很多元素和成分具有ppm甚

7、至ppb量级的高灵敏度；,SICC,SIMS(二次离子质谱)分析技术表面元素定性分析表面元素定量分析技术元素深度剖面分析微区分析软电离分析,SICC,动态SIMS深度剖面分析分析特点：不断剥离下进行SIMS分析获得各种成分的深度分布信息；深度分辨率：实测的深度剖面分布与样品中真实浓度分布的关系入射离子与靶的相互作用、二次离子的平均逸出深度、入射离子的原子混合效应、入射离子的类型，入射角，晶格效应都对深度分辨有一定影响。,SICC,动态SIMS面分布分析,SIM/IMS材料表面面分布技术：空间分辨率可达亚微米量级,SICC,静态SIMS软电离分析技术,有机物分析:适合不挥发、热稳定较差的,SIC

8、C,SIMS优点与不足*优点：可直接取样能测得每种杂质的化学态与电子态的全部浓度，不需要化学方法除杂质对所有元素有极好的探测极限，包括C，H，O，N*不足：特定元素分析，每次只能分析一到三个元素。多种元素分析成本较高,SICC,XPS（X射线光电子能谱仪）,相、织构、应力、薄膜等分析。,SICC,XPS：一种无损检测手段。主要用于获取薄膜材料（单层膜、多层膜、调制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。XPS基本原理与化学状态相关,当外壳层获得一个电子时，由于束缚变弱，各壳层均不同程度松弛，导致测量的内壳层结合能变小；当外壳层失掉一个电子时，由于束缚变强，各壳层均不同程度紧缩，导致测

9、量的内壳层结合能变大；,SICC,XPS技术原理一束具有特定波长的X射线束照射样品表面，测量从样品表面发射的光电子：1、根据光电子的能量，确定样品表面存在的元素；2、根据光电子的数量，确定元素在表面的含量；3、X射线束在表面扫描，可以测得元素在表面的分布；4、采用离子枪溅射及变角技术，可以得到元素在深度方向的分布；5、根据不同化学环境下光电子峰位移动、峰型、峰间距变化，获得化学信息；,SICC,*X射线源*超高真空不锈钢舱室及超高真空泵*电子收集透镜*电子能量分析仪*合金磁场屏蔽*电子探测系统*适度真空的样品舱室*样品支架*样品台*样品台操控装置,SICC,XPS谱仪的基本结构框图,影响仪器特

10、性的最主要部件和因素一、仪器灵敏度：激发源强度；能量分析器的入口狭缝有效面积、立体接收角；电子传输率、电子检测器类型；二、仪器分辨率：X射线源的自然线宽、能量分析器的线宽、受激样品原子的能级线宽；,SICC,XPS主要分析技术一、表面元素定性分析技术二、元素深度分布分析技术三、表面元素面分布分析技术四、表面元素化学价态分析技术,SICC,XPS定性分析谱线的类型各原子轨道的光电子峰部分轨道的自旋裂分峰K2产生的卫星峰X射线激发的俄歇峰,SICC,XPS元素深度分布分析1、变角XPS深度分析：利用采样深度的变化获得元素浓度与深度的对应关系；非破坏性分析；适用于15nm表面层；2、Ar离子剥离深度

11、分析：交替方式-循环数依据薄膜厚度及深度分辨率而定；破坏性分析；,SICC,XPS应用薄膜材料：厚度201000埃，大小10微米以上体材料如Si等；表面的整体平整度等应用于缺陷、腐蚀、氧化、褪色等材料领域的研究,SICC,XPS技术的优点及不足优点：一种无损检测手段。主要用于获取薄膜材料（单层膜、多层膜、调制膜）等的厚度、密度、表面平整度、界面粗糙度等信息。不足：薄膜材料不能太厚，太粗糙。,SICC,激光器,样品室,双单色器,检测器,记录仪,计 算 机,前置单色器,第三单色器,色散型喇曼光谱仪的结构示意图,SICC,喇曼光谱分析基础喇曼光谱分析基础：光子与分子之间能量交换E反映了指定能级的变化

12、；喇曼位移取决于分子振动能级的改变； 喇曼光谱可以作为分子结构定性分析的理论依据；定性分析依据：相对于激发光频率位移（特征值）的喇曼散射谱带的位置、强度和形状获得分子内部结构和运动信息鉴定化合物、官能团及结构分析；,SICC,喇曼光谱分析,喇曼光谱是一种散射光谱红外光谱是一种吸收光谱。喇曼光谱在20世纪30年代末，是研究分子结构的主要手段。但是，当时的喇曼效应太弱。所以，随着红外光谱的发展，其地位随之下降。,在1960年激光问世以后，喇曼光谱出现了新局面。现已经成为有机、无机、高分子、生物、环保等各个领域内的重要分析手段。水和玻璃的喇曼光谱很微弱，因而使得喇曼光谱的应用大大拓宽了。,左图给出了

13、散射效应的示意图。当一束频率为0的激光入射到材料上时，绝大部分光子可以透过或者吸收。大约有0.1的光子与样品分子发生碰撞后向各个方向散射。碰撞的过程有二: （1）弹性散射瑞利散射；（2）非弹性散射喇曼散射。 Stokes散射（能量减小） Anti-Stokes散射（能量增大）。,喇曼散射后光子的波数发生变化，成为喇曼位移。,SICC,喇曼光谱分析,处于基态的分子，被激发到高能级上，获得Stock线；处于激发态上的分子，回到基态时，获得antiStock线。由于处于基态的分子的数目远远大于处于激发态的分子数目，所以Stock线的强度antiStock线要强得多。我们知道，瑞利散射和喇曼散射都是低

14、效率过程。瑞利散射只有入射光强度的103，而喇曼散射则只有106。所以，只有强度足够大的光才能激发出满意的喇曼光谱。另外，红外光谱中，某种振动是否有活性取决于分子振动时偶极矩的变化，而喇曼的活性则取决于分子振动时极化度是否变化。,喇曼散射后光子的波数发生变化，称为喇曼位移。对应于同一个分子能级，Stock和antiStock位移应该是相等的。,极化度是指，分子在电场的作用下，分子中电子云变形的难易程度。右式中i为分子在入射光电场E下的诱导偶极矩。,SICC,喇曼光谱分析,利用化学气相沉积方法制备的纳米碳强化的二氧化硅纳米线的喇曼光谱。二氧化硅本身的喇曼强度很弱。,SICC,喇曼光谱的应用举例,

15、清华大学物理系范守善教授研究组利用同位素标定的方法研究了碳纳米管的生长机制。,SICC,喇曼光谱的应用举例,低能离子束沉积在硅基片上获得的类金刚石（DLC）碳薄膜材料的表征。,利用不同类型的含碳离子制备的碳薄膜的结构之间的差异。不含氢的SP3份额多。,SICC,喇曼光谱用于分析的优点拉曼光谱的分析方法不需要对样品进行前处理，也没有样品的制备过程，避免了一些误差的产生，并且在分析过程中操作简便，测定时间短，灵敏度高等优点。喇曼光谱用于分析的不足(1)拉曼散射面积(2)不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响(3)荧光现象对傅立叶变换拉曼光谱分析的干扰(4)在进行傅立叶变换光谱分

16、析时，常出现曲线的非线性的问题(5)任何一物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。,SICC,AES (Auger Electron Spectroscopy)俄歇电子能谱是一种利用高能电子束为激发源的表面分析技术。 AES分析区域受激原子发射出具有元素特征的俄歇电子，用电子能谱分析仪测量得么这些俄歇电子的能谱，就是俄歇电子能谱。根据能谱中有有元素特征的谱峰，即可推测分析区域有什么元素，达到表面分析的目的,SICC,AES Auger效应,Auger过程,SICC,AES Auger效应,Auger过程,(a) KL1L3 Au

17、ger 跃迁 (b) K1 辐射跃迁,SICC,AES Auger效应,Auger过程,SICC,原理原子在被X射线或电子束激发时，其内层电子被击出，产生一个空位，此时原子处于激发态，这种不稳定状态的原子在恢复其基态稳定状态时，可由两种互相竞争的过程实现：一种是由较高能级的一个电子落入空位填充，多余的能量以特征X射线辐射出；另一种是内层空位被较高能级电子填入，多余能量又使同一层或更高层的另一电子激发为自由电子，该自由电子便是俄歇电子。俄歇电子的能量只与原子所处的能级，及原子结构有关，而与入射激发源无关，它是表征物质原子特性的一个特征量。周期表中各元素的各类俄歇电子的能量都有确定的值，因此只要能

18、测出样品中俄歇电子的能量，再与已知元素俄歇电子能量对照，便可确定样品表面的元素成分，这种分析方法便是俄歇电子能谱分析,SICC,AES Auger效应,在实用的Auger电子能谱仪中，初态空位的产生是通过具有一定能量的电子束轰击样品表面而实现的。用于表面分析的Auger电子的能量一般在02000eV之间。,SICC,AES AES装置,电子枪 电子枪是用于激发Auger电子的装置。电子能量分析器 电子能量分析器是分析电子能量的装置，是Auger电子谱仪的重要组成部分。真空系统 Auger电子谱仪都带有超高真空系统。数据的采集和记录 Auger电子谱仪的数据采集一般是以脉冲计数的形式，通过计算机

19、采集不同能量下的Auger电子数离子枪和预处理室 离子枪是进行样品表面剖离的装置；样品的预处理室是对样品表面进行预处理的单元。,SICC,AES AES分析方法,扫描Auger显微探针(SAM),Al-Si合金的SEM, SAM及线扫描,SAM常配有线扫描功能，给出成分沿某一方向上的变化。,SICC,AES优点与不足优点属于二次电子能谱法，多用于对固体，或凝聚态物质进行元素和价态的分析，图谱简单，基体效应较低，较易建立分析方法，标准曲线具有较宽的线性范围，具有良好的精密度和重复性 不足仪器要求较高，需常用来和X射线光电子能谱,荧光光谱，互补联合使用，且灵敏度低于质谱法,SICC,很多东西不懂，PPT做的不是很条理，而且还有比较重要的ICP-MS、TEM、SEM、FTIR、TOF、XRD、XRR、XRF等没有做详细的了解跟介绍，通过这次做PPT,深刻认识到需要学习的还有很多。 谢谢！,