卢瑟福背散射(RBS)在材料表征中的应用

卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析ErnestRutherford1908年诺贝尔化学奖1908年诺贝尔化学奖30August1871–19October1937卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析卢福背散射简称的论卢瑟福背散射（Rutherford Backscattering Spectrometry，简称RBS）的理论基础是入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射。入射离子一般用MeV量级的粒子，。（1）入射离子与靶原子核发生弹性碰撞，损失一些能量，通过对散射离子的能量的测定可定性确定靶原子的质量；（2）发生碰撞时，靶的原子浓度和散射截面决定了散射离子的产额，测定散射离子的产额可确定靶的原子浓度；（3）入射离子在散射前、后穿透靶物质要损失一些能量，测定散射离子的能谱，可以确定靶原子沿着深度的分布。离子能量低于靶原子发生核反应阈能条件下，入射离子和靶原子核之间发生弹性碰撞而被散射。通过测定散射离子的能谱，即可对样品中所含元素作定性、定量和深度分析。散射还与晶体的好坏有关，通过测定沟道谱可作定性、定量和深度分析。散射还与晶体的好坏有关，通过测定沟道谱可以对样品的晶体性进行判断，进行缺陷测定等等。卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速装置离子束筛选装置聚焦装装置、离子束筛选装置、聚焦装置、样品室、探测器等等。离子束产生后经过加速、筛选和聚焦后达到样品上被散射，经过探测器得到RBS能谱。卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速装置离子束筛选装置聚焦装装置、离子束筛选装置、聚焦装置、样品室、探测器等等。离子束产生后经过加速、筛选和聚焦后达到样品上被散射，经过探测器得到RBS能谱。卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析RBSanalysisofathinGaAslayeronaSisubstrate,byalphaparticleswithanfllhfbkdldenergyoftypically2‐3MeV.Theenergyofbackscatteredparticlesdeterminethemassofthetargetatom.Particlesscatteredfrombelowthesurfaceloseenergyatameasurablerate;hencetheenergyscaleyieldsthedepthofthescatteringoftheparticle.ThepeakwidthoftheGaorAssignalisproportionaltothearealdensityorthicknessoftheGaAsfilm.卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射能谱分析RBS分析的优点：RBS分析的优点：1、提供深度信息。可以提供成分和深度的信息。一般的深度分析分辨率为150Å左右；比较精细的分析包括细致的样品和探测器准直可以达到50Å的分辨率可以达到50Å的分辨率。2、比较适合于薄膜分析。RBS对于薄膜分析非常有用，可以程序化地分析厚度在微米纳米级的薄膜地分析厚度在微米－纳米级的薄膜。3、快速分析。一般情况下，RBS分析可以在10分钟左右完成。4、高灵敏度。RBS对于重元素非常敏感，可以精确测定单层薄膜的信息；对于轻元素敏感度差一些。5、计算简单。RBS能谱比较容易解释。目前各种计算和模拟软件都比较成熟。如：RUMP、Simnra等等。较成熟如等等卢瑟福背散射能谱分析的原理卢瑟福背散射能谱分析的原理与RBS分析有关的几个物理概念：（1）描述背散射离子的能量与靶原子质量数、入射离子质量数、入射离子的能量和入射角度之间的关系的运动学因子K，数射离子能射角度关动学子与定性分析有关；（2）描述在某一个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率（2）描述在某个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率的散射截面，它决定于入射离子的靶原子的原子序数、质量数、入射离子的能量和入射角度等，是定量分析的基础。（3）入射离子和散射离子的能量损失（4）阻止截面（阻止本领）和布拉格定律（4）阻止截面（阻止本领）和布拉格定律阻止截面的引入是因为入射离子或者散射离子在具体的靶中能量损失难以查到。阻止本领可以用来解释离子能量的损中能量损失难以查到。阻止本领可以用来解释离子能量的损失，也是深度分析的基础。1运动学因子K1、运动学因子KRBS分析的理论基础是入射离子与靶原子核之间的大RBS分析的理论基础是入射离子与靶原子核之间的大角度弹性散射，是中心力场中的经典散射过程。利用弹性碰撞理论：体系的动量和能量守恒，得到下式：K称为运动学因子从上式可以看出：动力学因子K只是与入射离子和靶从上式可以看出：动力学因子只是与入射离子和靶原子核的质量以及散射角度有关。在实验中，E0，Mp和都是可以测定的，为已知量。因此，只要测定了E1即可确定Mr。这是进行定性分析1r的基本原理。1运动学因子K1、运动学因子K定性分析的质量分辨率K称为运动学因子定性分析的质量分辨率：动力学因子K在入射角度为180时与靶原从右图中可以看出，随着靶的原子质量的增加，dK/dMr逐渐减小。这说明，利用RBS测定轻元素时，其质量分辨率高；角度为180o时与靶原子质量的关系（入射离子为粒子）。用RBS测定轻元素时，其质量分辨率高；测定重元素时，其质量分辨率低。（注意：探测器的能量分辨率，动力学因子都对质量分辨率有影响）。都对质量分辨率有影响）。1运动学因子K1、运动学因子K定性分析的质量分辨率：随着靶原子质量的增加，动力定性分析的质量分辨率：K称为运动学因子随着靶子质增动力学因子的dK/dMr逐渐减小。这说明，利用RBS测定轻元素时，其质量分辨率高；测定重元素时，其质量分辨率低。（注意：探测器的能量分辨率，动力学因子都对质量分辨率有影响）。所以提高质量分辨率的方法质量分辨率决定于：所以，提高质量分辨率的方法有：1、提高入射离子的能量；将探测器固定在附近质量分辨率决定于：（1）被原子序数相邻的靶原子散射的离子的能量差值；2、将探测器固定在180o附近；3、使用质量较大的离子；4、提高探测器的能量分辨率。（2）探测器本身的能量分辨率。只有被两种不同的靶原子散射的离子的能量差值大于探测器的能量分辨率时能量差值大于探测器的能量分辨率时，靶原子才能被分辨出来。1运动学因子K1、运动学因子K从上式可以看出：动力学因子K只是与射离和靶原核的质量以K称为运动学因子是与入射离子和靶原子核的质量以及散射角度有关。在实验中，E0，Mp和都是可以测定的为已知量因此只要测定定的，为已知量。因此，只要测定了E1即可确定Mr。这是进行定性分析的基本原理。Left：Energyspectrumofheliumionsscatteredfromsurfaceatoms(fullcurve)andfromatomsina(fullcurve)andfromatomsinathinlayer(dashedcurve).靶原子的质量越大散射离子的靶原子的质量越大，散射离子的能量越大，产额也越高。背散射离子的产额与什么有关呢？背散射离子的产额与什么有关呢？2散射截面2、散射截面定量分析的基础－散射截面：在RBS分析中，探测器一般在定量分析的基础散射截面：在RBS分析中，探测器般在某一个散射角度上，所以进行定量分析必须知道在该角度上出现散射离子的几率－微分散假设Q为射到单元素薄靶上的入射离子总数，d为位于散射角的探测器处的微分出现散射离子的几率微分散射截面，它关系到背散射离子的数目。数，d为位于散射角的探测器处的微分立体角，dQ为探测器接收到的散射离子数，N为靶原子的体积密度，t为靶的厚度，Nt为靶原子的面积密度即质量密度，定义t为靶原子的面积密度即质量密度，定义微分截面为：dQd11对于探测器的整个接收面积则有平均微分dQtNd对于探测器的整个接收面积，则有平均微分散射截面（RBS中一般称为散射截面）为：d1ddd1为探测器所张的立体角。2散射截面2、散射截面d11914年Darwin得出入射离子与靶原子在库ddd11914年Darwin得出入射离子与靶原子在库仑排斥力作用下的弹性散射截面公式：对于足够小的探测器，即很小时：dd/探测器接受到的离子数目为：tNQA定量分析的基础：在一个具体的实验中，散射粒子数射离数数目A，入射离子数目Q和探测器立体角都可以测定，散射截面也可以算出。那么Nt－单位面积的靶原子数目即可以计算得到散射截面的单位为靶，1靶＝10－24cm2的靶原子数目即可以计算得到。散射截面的大小决定了散射几率，散射离子的数目，能谱中的强度。2散射截面2、散射截面1散射截面正比于Z2为了提高分1、散射截面正比于Z12，为了提高分析灵敏度，用粒子比用质子有利；2、散射截面正比于Z22，所以分析重元素比分析轻元素灵敏度高；3、散射截面反比于E2，因而入射离子在表面的散射几率低于在一定深度子在表面的散射几率低于在定深度处的散射几率；4、当mM时，散射截面随着入射角度的减小很快增加角度的减小很快增加。对于常用的能量为MeV的粒子，在通常的条件下，典型的散射截面为每单位立体角几靶到几十靶立体角几靶到几十靶。2散射截面2、散射截面能量为2MeV的粒子入射不同单元素子射不同单元素薄层时的相对产额。对于重元素，由于较大的散射截面较大的散射截面，其RBS敏感度比对轻元素高100倍以轻元素高100倍以上。能量值表示表面处散射的离子能量。3能量损失dE3、能量损失入射离子进入靶后，将会与靶原子的电子和原子核发生相互作用而损失能dx入射离子进入靶后，将会与靶原子的电子和原子核发生相互作用而损失能量。假设能量为Eo的入射离子穿透x厚的靶后，能量损失为E，则定义：dEEli为能量损失其单位为V/dxxxlim0为能量损失，其单位为eV/nm。dE/dx随着m和M的增加而增加也随着靶的密度增加而增加同时它还随dE/dx随着m和M的增加而增加，也随着靶的密度增加而增加。同时，它还随着离子本身的能量变化而变化（是E的函数）。因而在离子与靶原子的相互作用过程中，它不是一个常数。在离子束与固体相互作用的研究中，积累了大量的数据。对于背散射研究使用的能量在0.5~3MeV的粒子，其dE/dx一般在100~1000eV/nm左实资料中的数学数的式给给能量右。实际资料中的dE/dx不是以数学函数的形式给出，而是给出不同能量时的dE/dx值与E值的关系曲线。具体的数据可以从下面文献得到：JWMayerandERiminiedIonBeamHandbookforMaterialsJ.W. Mayer and E. Rimini ed., Ion Beam Handbook for Materials Analysis, Academic Press, 1977.4阻止截面4、阻止截面能量损失dE/dx随着靶的元素组成和密度变化而变化，因而对于具体的靶难能量损失dE/dx随着靶的元素组成和密度变化而变化，因而对于具体的靶难以查到其dE/dx值。为此引入了阻止截面的概念。dE/dx包括了高速的入射离子穿过其路径上原子的电子云时的能量损失，以及在路径上与靶的原子核发生大量小角度碰撞时的能量损失所以d/d及在路径上与靶的原子核发生大量小角度碰撞时的能量损失。所以，dE/dx可以看作是入射离子通过其路径上的靶原子时所可能发生的全部能量损失过程的一种平均值。也可以解释为暴露于离子束之下的每个靶原子独立贡献的共同结果献的共同结果。假设靶的厚度为x，靶原子密度为N，则在此x厚度中损失的能量E正比于Nx，将其比例系数定义为阻止截面：将其数dxdEN1的单位为eVcm2/原子。一般写为eVcm2。因为其量纲与核物理中的其他截面不同，所以称之为阻止本领。阻止本领是按照每个原子