薄膜表征PPT課件

1、1第一節(jié)第一節(jié) 薄膜厚度測量技術薄膜厚度測量技術第二節(jié)第二節(jié) 薄膜結構的表征方法薄膜結構的表征方法第三節(jié)第三節(jié) 薄膜成分的表征方法薄膜成分的表征方法第四節(jié)第四節(jié) 薄膜附著力的測量方法薄膜附著力的測量方法 第第5 5章章 薄膜材料的表征方法薄膜材料的表征方法第1頁/共63頁2第一節(jié)第一節(jié) 薄膜厚度測量技術薄膜厚度測量技術1 1、薄膜厚度的光學測量方法、薄膜厚度的光學測量方法2 2、薄膜厚度的機械測量方法、薄膜厚度的機械測量方法第2頁/共63頁31 1、薄膜厚度的光學測量方法、薄膜厚度的光學測量方法1 1）光的干涉條件）光的干涉條件()2cosccn ABBCANn dNsinsincn 觀察到干

2、涉極小的條件是光程觀察到干涉極小的條件是光程差等于差等于（N+1/2）。第3頁/共63頁42）不透明薄膜厚度測量的等厚干涉條紋（）不透明薄膜厚度測量的等厚干涉條紋（FET）和等）和等色干涉條紋（色干涉條紋（FECO）法）法 等色干涉條紋法需要將反射鏡與薄膜平行放置，另外要等色干涉條紋法需要將反射鏡與薄膜平行放置，另外要使用非單色光源照射薄膜表面，并采用光譜議分析干涉極大使用非單色光源照射薄膜表面，并采用光譜議分析干涉極大出現(xiàn)的條件。出現(xiàn)的條件。第4頁/共63頁53 3）透明薄膜厚度測量的干涉法）透明薄膜厚度測量的干涉法 在薄膜與襯底均是透明的，而且它們的折射率分別為在薄膜與襯底均是透明的，而且

3、它們的折射率分別為n1和和n2的情況下，薄膜對垂直入射的單色光的反射率隨著薄的情況下，薄膜對垂直入射的單色光的反射率隨著薄膜的膜的光學厚度光學厚度n1d的變化而發(fā)生振蕩。的變化而發(fā)生振蕩。第5頁/共63頁6對于對于n n1 1nn2 2的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在的情況，反射極大的位置出現(xiàn)在對于對于n n1 1nn2 2的情況，反射極大的條件變?yōu)榈那闆r，反射極大的條件變?yōu)?(21)4mdn1(1)2mdn 為了能夠利用上述關系實現(xiàn)對于薄膜厚度的測量，需為了能夠利用上述關系實現(xiàn)對于薄膜厚度的測量，需要設計出強振蕩關系的具體測量方法。要設計出強振蕩關系的具體測量方法。第6頁/共63頁7（1 1）利

4、用單色光入射，但）利用單色光入射，但通過改變?nèi)肷浣嵌龋胺瓷渫ㄟ^改變?nèi)肷浣嵌龋胺瓷浣嵌龋┑姆椒▉頋M足干涉條角度）的方法來滿足干涉條件的方法被稱為變角度干涉件的方法被稱為變角度干涉法（法（VAMFO），其測量裝），其測量裝置原理圖如圖。置原理圖如圖。（2 2）使用非單色光入射?。┦褂梅菃紊馊肷浔∧け砻?，在固定光的入射角膜表面，在固定光的入射角度的情況下，用光譜儀分析度的情況下，用光譜儀分析光的干涉波長，這一方法被光的干涉波長，這一方法被稱為等角反射干涉法稱為等角反射干涉法（CARIS）。）。注意：以上測量薄膜厚度的方法僅涉及到薄膜厚度引起的光以上測量薄膜厚度的方法僅涉及到薄膜厚度引起的光程差

5、變化以及其導致的光的干涉效應。程差變化以及其導致的光的干涉效應。第7頁/共63頁84 4）薄膜測量的橢偏儀（）薄膜測量的橢偏儀（Ellipsometer）法）法橢圓偏振測量（橢偏術）是研究兩媒質(zhì)界面或薄橢圓偏振測量（橢偏術）是研究兩媒質(zhì)界面或薄膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學方法，其膜中發(fā)生的現(xiàn)象及其特性的一種光學方法，其原原理理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射時出現(xiàn)的偏振變換時出現(xiàn)的偏振變換。 橢圓偏振測量的應用范圍很廣，如半導體、光學掩膜、圓晶、橢圓偏振測量的應用范圍很廣，如半導體、光學掩膜、圓晶、金屬、介電薄膜、玻璃金屬、介電薄膜、玻璃(

6、(或鍍膜或鍍膜) )、激光反射鏡、大面積光學、激光反射鏡、大面積光學膜、有機薄膜等，也可用于介電、非晶半導體、聚合物薄膜、膜、有機薄膜等，也可用于介電、非晶半導體、聚合物薄膜、用于薄膜生長過程的實時監(jiān)測等測量。結合計算機后，具有用于薄膜生長過程的實時監(jiān)測等測量。結合計算機后，具有可手動改變?nèi)肷浣嵌取崟r測量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點?？墒謩痈淖?nèi)肷浣嵌?、實時測量、快速數(shù)據(jù)獲取等優(yōu)點。第8頁/共63頁9實驗原理：在一光學材料上鍍各向同性的單層介質(zhì)膜后，光線的反射和折射在一般情況下會同時存在的。通常，設介質(zhì)層為n1、n2、n3，1為入射角，那么在1、2介質(zhì)交界面和2、3介質(zhì)交界面會產(chǎn)生反射光和折射光的多

7、光束干涉。第9頁/共63頁10橢偏儀測量橢偏儀測量薄膜厚度薄膜厚度和和折射率折射率 橢偏儀方法又稱為偏光解析法。其特點是可以同時對透橢偏儀方法又稱為偏光解析法。其特點是可以同時對透明薄膜的光學常數(shù)和厚度進行精確的測量，缺點是原理和計明薄膜的光學常數(shù)和厚度進行精確的測量，缺點是原理和計算比較麻煩。算比較麻煩。 橢偏儀不僅可以用于薄膜的光學測量，而且可以被用于橢偏儀不僅可以用于薄膜的光學測量，而且可以被用于復雜環(huán)境下的薄膜生長的實時監(jiān)測，從而及時獲得薄膜生長復雜環(huán)境下的薄膜生長的實時監(jiān)測，從而及時獲得薄膜生長速度、薄膜性能等有用的信息。速度、薄膜性能等有用的信息。第10頁/共63頁112 2、薄膜

8、厚度的機械測量方法、薄膜厚度的機械測量方法1 1）表面粗糙度儀法）表面粗糙度儀法 用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時記錄下觸針用直徑很小的觸針滑過被測薄膜的表面，同時記錄下觸針在垂直方向的移動情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗在垂直方向的移動情況并畫出薄膜表面輪廓的方法被稱為粗糙度儀法。這種方法不僅可以被用來測量表面粗糙度，也可糙度儀法。這種方法不僅可以被用來測量表面粗糙度，也可以被用來測量薄膜臺階的高度。以被用來測量薄膜臺階的高度。缺點：（缺點：（1 1）容易劃傷較軟的薄膜并引起測量誤差；）容易劃傷較軟的薄膜并引起測量誤差； （2 2）對于表面粗糙的薄膜，并測量誤差較大。）對于表面粗

9、糙的薄膜，并測量誤差較大。優(yōu)點：簡單，測量直觀優(yōu)點：簡單，測量直觀第11頁/共63頁122 2）稱重法）稱重法mdA就可以計算出薄膜的厚度就可以計算出薄膜的厚度d d。 如果薄膜的面積如果薄膜的面積A、密度、密度和質(zhì)量和質(zhì)量m可以被精確測定的話，可以被精確測定的話，由公式由公式缺點：它的精度依賴于薄膜的密度缺點：它的精度依賴于薄膜的密度以及面積以及面積A的測量精度。的測量精度。第12頁/共63頁133 3） 石英晶體振蕩器法石英晶體振蕩器法 原理：原理：將石英晶體沿其線膨脹將石英晶體沿其線膨脹系數(shù)最小的方向切割成片，并在兩系數(shù)最小的方向切割成片，并在兩端面上沉積上金屬電極。由于石英端面上沉積上

10、金屬電極。由于石英晶體具有壓電特性，因而在電路匹晶體具有壓電特性，因而在電路匹配的情況下，石英片上將產(chǎn)生固有配的情況下，石英片上將產(chǎn)生固有頻率的電壓振蕩。將這樣一只石英頻率的電壓振蕩。將這樣一只石英振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，振蕩器放在沉積室內(nèi)的襯底附近，通過與另一振蕩電路頻率的比較，通過與另一振蕩電路頻率的比較，可以很精確地測量出石英晶體振蕩可以很精確地測量出石英晶體振蕩器固有頻率的微小變化。在薄膜沉器固有頻率的微小變化。在薄膜沉積的過程中，沉積物質(zhì)不斷地沉積積的過程中，沉積物質(zhì)不斷地沉積到晶片的一個端面上，到晶片的一個端面上，監(jiān)測振蕩頻監(jiān)測振蕩頻率隨著沉積過程的變化，就可以知率隨著沉積過

11、程的變化，就可以知道相應物質(zhì)的沉積質(zhì)量或薄膜的沉道相應物質(zhì)的沉積質(zhì)量或薄膜的沉積厚度。積厚度。優(yōu)點：優(yōu)點：在線測量、精確在線測量、精確缺點：缺點：1 1、需對薄膜沉積設、需對薄膜沉積設 備進行改裝；備進行改裝； 2 2、成本較高、成本較高第13頁/共63頁14第二節(jié)第二節(jié) 薄膜結構的表征方法薄膜結構的表征方法一、簡一、簡 介介二、掃描電子顯微鏡（二、掃描電子顯微鏡（SEM）三、透射電子顯微鏡（三、透射電子顯微鏡（TEM）四、四、X射線衍射方法射線衍射方法五、低能電子衍射（五、低能電子衍射（LEED）和反射式高能電子衍射（）和反射式高能電子衍射（RHEED）六、掃描隧道顯微鏡（六、掃描隧道顯微鏡

12、（STM）七、原子力顯微鏡（七、原子力顯微鏡（AFM）第14頁/共63頁15一、簡一、簡 介介 薄膜的性能取決于薄膜的結構和成分。其中薄膜的性能取決于薄膜的結構和成分。其中薄膜結構的研究可以依所研究的尺度范圍被薄膜結構的研究可以依所研究的尺度范圍被劃分為以下三個層次：劃分為以下三個層次：（1 1）薄膜的宏觀形貌，包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均）薄膜的宏觀形貌，包括薄膜尺寸、形狀、厚度、均勻性等；勻性等；（2 2）薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、）薄膜的微觀形貌，如晶粒及物相的尺寸大小和分布、孔洞和裂紋、界面擴散層及薄膜織構等；孔洞和裂紋、界面擴散層及薄膜織構等；（3 3）薄膜的顯微

13、組織，包括晶粒內(nèi)的缺陷、晶界及外延）薄膜的顯微組織，包括晶粒內(nèi)的缺陷、晶界及外延界面的完整性、位錯組態(tài)等。界面的完整性、位錯組態(tài)等。 針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。針對研究的尺度范圍，可以選擇不同的研究手段。第15頁/共63頁16二、掃描電子顯微鏡二、掃描電子顯微鏡Scanning Electronic Microscope (SEM)工作原理：工作原理：由熾熱的燈絲陰極發(fā)由熾熱的燈絲陰極發(fā)射出的電子在陽極電壓的加速下射出的電子在陽極電壓的加速下獲得一定的能量。其后，加速后獲得一定的能量。其后，加速后的電子將進入由兩組同軸磁場構的電子將進入由兩組同軸磁場構成的透鏡組，并被聚焦成直

14、徑只成的透鏡組，并被聚焦成直徑只有有5nm左右的電子束。裝置在透左右的電子束。裝置在透鏡下面的磁場掃描線圈對這束電鏡下面的磁場掃描線圈對這束電子施加了一個總在不斷變化的偏子施加了一個總在不斷變化的偏轉(zhuǎn)力，從而使它按一定的規(guī)律掃轉(zhuǎn)力，從而使它按一定的規(guī)律掃描被觀察的樣品表面的特定區(qū)域描被觀察的樣品表面的特定區(qū)域上。上。第16頁/共63頁17優(yōu)點：優(yōu)點：提供清晰直觀的形貌圖像，分辨率高，觀察景深長，提供清晰直觀的形貌圖像，分辨率高，觀察景深長，可以采用不同的圖像信息形式，可以給出定量或半定量的表可以采用不同的圖像信息形式，可以給出定量或半定量的表面成分分析結果等。面成分分析結果等。1 1、二次電子

15、像、二次電子像 二次電子是入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量最低二次電子是入射電子從樣品表層激發(fā)出來的能量最低的一部分電子。二次電子低能量的特點表明，這部分電子的一部分電子。二次電子低能量的特點表明，這部分電子來自樣品表面最外層的幾層原子。用被光電倍增管接收下來自樣品表面最外層的幾層原子。用被光電倍增管接收下來的二次電子信號來調(diào)制熒光屏的掃描亮度。由于樣品表來的二次電子信號來調(diào)制熒光屏的掃描亮度。由于樣品表面的起伏變化將造成二次電子發(fā)射的數(shù)量及角度分布的變面的起伏變化將造成二次電子發(fā)射的數(shù)量及角度分布的變化，如圖（化，如圖（c c），因此，通過保持屏幕掃描與樣品表面電子），因此，通過保持屏幕掃描

16、與樣品表面電子束掃描的同步，即可使屏幕圖像重現(xiàn)樣品的表面形貌，而束掃描的同步，即可使屏幕圖像重現(xiàn)樣品的表面形貌，而屏幕上圖像的大小與實際樣品上的掃描面積大小之比即是屏幕上圖像的大小與實際樣品上的掃描面積大小之比即是掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)。掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)。 特點：特點：有較高的分辨率。有較高的分辨率。第17頁/共63頁182 2、背反射電子像、背反射電子像 如如圖（b b）所示，除了二次電子之外，樣品表面還會將相所示，除了二次電子之外，樣品表面還會將相當一部分的入射電子反射回來。這部分被樣品表面直接反射當一部分的入射電子反射回來。這部分被樣品表面直接反射回來的電子具有與入射電子相近的

17、高能量，被稱為背反射電回來的電子具有與入射電子相近的高能量，被稱為背反射電子。接收背反射電子的信號，并用其調(diào)制熒光屏亮度而形成子。接收背反射電子的信號，并用其調(diào)制熒光屏亮度而形成的表面形貌被稱為背反射電子像。的表面形貌被稱為背反射電子像。3 3、掃描電子顯微鏡提供的其他信號形式、掃描電子顯微鏡提供的其他信號形式 掃描電子顯微鏡除了可以提供樣品的二次電子和背反射掃描電子顯微鏡除了可以提供樣品的二次電子和背反射電子形貌以外，同時還可以產(chǎn)生一些其他的信號，例如電子電子形貌以外，同時還可以產(chǎn)生一些其他的信號，例如電子在與某一晶體平面發(fā)生相互作用時會被晶面所衍射產(chǎn)生通道在與某一晶體平面發(fā)生相互作用時會被

18、晶面所衍射產(chǎn)生通道效應，原子中的電子會在受到激發(fā)以后從高能態(tài)回落到低能效應，原子中的電子會在受到激發(fā)以后從高能態(tài)回落到低能態(tài)，同時發(fā)出特定能量的態(tài)，同時發(fā)出特定能量的X射線或俄歇電子等。接收并分析射線或俄歇電子等。接收并分析這些信號，可以獲得另外一些有關樣品表層結構及成分的有這些信號，可以獲得另外一些有關樣品表層結構及成分的有用信息。用信息。第18頁/共63頁19場發(fā)射掃描電子顯微鏡 Field Emission SEM (FESEM)分辨率可達1-2 nm第19頁/共63頁20PbTiO3 Nanowires第20頁/共63頁21第21頁/共63頁22第22頁/共63頁23第23頁/共63頁

19、24第24頁/共63頁25三、透射電子顯微鏡三、透射電子顯微鏡 （Transmission Electronic Microscope）特點：特點：電子束一般不再采取掃電子束一般不再采取掃描方式對樣品的一定區(qū)域進行描方式對樣品的一定區(qū)域進行掃描，而是固定地照射在樣品掃描，而是固定地照射在樣品中很小的一個區(qū)域上；透射電中很小的一個區(qū)域上；透射電子顯微鏡的工作方式是使被加子顯微鏡的工作方式是使被加速的電子束穿過厚度很薄的樣速的電子束穿過厚度很薄的樣品，并在這一過程中與樣品中品，并在這一過程中與樣品中的原子點陣發(fā)生相互作用，從的原子點陣發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生各種形式的有關薄膜結而產(chǎn)生各種形式的有關薄

20、膜結構和成分的信息。構和成分的信息。工作模式：工作模式：影像模式影像模式和和衍射模衍射模式式（兩種工作模式之間的轉(zhuǎn)換主要（兩種工作模式之間的轉(zhuǎn)換主要依靠改變物鏡光柵及透鏡系統(tǒng)電流或依靠改變物鏡光柵及透鏡系統(tǒng)電流或成像平面位置來進行。）成像平面位置來進行。）第25頁/共63頁26第26頁/共63頁271 1、透射電子顯微鏡的衍射工作模式、透射電子顯微鏡的衍射工作模式 在衍射工作模式下，電子在被晶體點陣衍射以后又被分在衍射工作模式下，電子在被晶體點陣衍射以后又被分成許多束，包括直接透射的電子束和許多對應于不同晶體學成許多束，包括直接透射的電子束和許多對應于不同晶體學平面的衍射束。平面的衍射束。 右

21、圖是不同薄膜材料右圖是不同薄膜材料在透射電子顯微鏡下的電在透射電子顯微鏡下的電子衍射譜，通過對它的分子衍射譜，通過對它的分析可以得到如下一些析可以得到如下一些薄膜薄膜的結構信息：的結構信息：（1 1）晶體點陣的類型和點）晶體點陣的類型和點陣常數(shù)；陣常數(shù)；（2 2）晶體的相對方位；）晶體的相對方位；（3 3）與晶粒的尺寸大小、）與晶粒的尺寸大小、孿晶等有關的晶體缺陷的孿晶等有關的晶體缺陷的顯微結構方面的信息。顯微結構方面的信息。第27頁/共63頁282 2、透射電子顯微像襯度形成、透射電子顯微像襯度形成 用物鏡光柵取透射電子束或衍射電子束之中的一束就可用物鏡光柵取透射電子束或衍射電子束之中的一束

22、就可以構成樣品的形貌像。這是因為，樣品中任何的不均勻性都以構成樣品的形貌像。這是因為，樣品中任何的不均勻性都將反映在其對入射電子束的不同的衍射本領上。對使用透射將反映在其對入射電子束的不同的衍射本領上。對使用透射束成像的情況來講，空間的不均勻性將使得衍射束的強度隨束成像的情況來講，空間的不均勻性將使得衍射束的強度隨位置而變化，因而透射束的強度也隨著發(fā)生相應的變化。即位置而變化，因而透射束的強度也隨著發(fā)生相應的變化。即不論是透射束還是衍射束，都攜帶了樣品的不同區(qū)域?qū)﹄娮硬徽撌峭干涫€是衍射束，都攜帶了樣品的不同區(qū)域?qū)﹄娮友苌淠芰Φ男畔?。將這一電子束成像放大之后投影在熒光屏衍射能力的信息。將這一電

23、子束成像放大之后投影在熒光屏上，就得到了樣品組織的透射像。上，就得到了樣品組織的透射像。電子束成像的方式可以被進一步細分為三種：電子束成像的方式可以被進一步細分為三種：（1 1）明場像）明場像 即只使用透射電子束，而用光柵檔掉所有衍射束即只使用透射電子束，而用光柵檔掉所有衍射束的成像方式。的成像方式。（2 2）暗場像）暗場像 透射的電子束被光柵檔掉，而用一束衍射束來透射的電子束被光柵檔掉，而用一束衍射束來作為成像光源。作為成像光源。（3 3）相位襯度）相位襯度 允許兩束或多束電子參與成像。允許兩束或多束電子參與成像。第28頁/共63頁29Au薄膜的高分辨率點陣像，從其中已可以分辨出一個個Au原

24、子的空間排列。第29頁/共63頁30第30頁/共63頁31第31頁/共63頁32Figure 7. Determination the side surfaces of a nanowire. (a) Low magnification TEM image of a R-Fe2O3 nanowire. (b) Three possible incident electron beam directions for imaging the nanowire, and (c-e) are the corresponding diffraction pattern along the three z

25、one axes.第32頁/共63頁33Figure 12. Orientation relationship between catalyst particle and the grown nanowire. (a) TEM image of Au catalyzed ZnO nanowire, (b) the SAED pattern including both Au catalyst and ZnO nanowire.第33頁/共63頁34四、四、X射線衍射方法射線衍射方法特定波長的特定波長的X X射線束與晶體學平面發(fā)生相互作用時會發(fā)生射線束與晶體學平面發(fā)生相互作用時會發(fā)生X射線的衍射

26、，衍射現(xiàn)象發(fā)生的條件即是布拉格公式射線的衍射，衍射現(xiàn)象發(fā)生的條件即是布拉格公式2 sindn解決薄膜衍射強度偏低問題解決薄膜衍射強度偏低問題的途徑可以有以下三條：的途徑可以有以下三條：（1 1）采用高強度的）采用高強度的X射線源。射線源。（2 2）延長測量時間。）延長測量時間。（3 3）采用掠角衍射技術。）采用掠角衍射技術。第34頁/共63頁35不同溫度燒結的BST陶瓷的XRD圖譜 (a) 1280 (b) 1300 (c) 1320 (d) 1350 第35頁/共63頁36五、低能電子衍射五、低能電子衍射（LEED）和反射式高能電和反射式高能電子衍射子衍射（RHEED） 由由2dsin=n可

27、知，要想對薄膜的表面進行研究，可以可知，要想對薄膜的表面進行研究，可以采取兩種方法。采取兩種方法。1 1、采用波長較長的電子束，對應的電子束入射角和衍射角、采用波長較長的電子束，對應的電子束入射角和衍射角均比較大。由于這時的電子能量較低，因而電子束對樣品表均比較大。由于這時的電子能量較低，因而電子束對樣品表面的穿透深度很小。面的穿透深度很小。2 2、采用波長遠小于晶體點陣原子面間距的電子束。這時，、采用波長遠小于晶體點陣原子面間距的電子束。這時，對應的電子入射角和衍射角均較小，因而穿透深度也只限于對應的電子入射角和衍射角均較小，因而穿透深度也只限于薄膜的表層。薄膜的表層。第36頁/共63頁37

28、六、掃描隧道顯微鏡六、掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope-STM） 掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子理論中的掃描隧道顯微鏡的基本原理是利用量子理論中的隧道效應隧道效應。 將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于電極，當樣品與針尖的距離非常接近時（通常小于1nm），），在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流在外加電場的作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘流向另一電極，這種現(xiàn)像即是隧道效應。向另一電極，這種現(xiàn)像即是隧道效應。 隧道電流隧道電流I是電子

29、波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間是電子波函數(shù)重疊的量度，與針尖和樣品之間距離距離S和平均功函數(shù)和平均功函數(shù)有關：有關：12exp()bIVAS V Vb b是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，是加在針尖和樣品之間的偏置電壓，A A是常數(shù)。是常數(shù)。第37頁/共63頁38 由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常由上式可知，隧道電流強度對針尖與樣品表面之間距非常敏感，如果距離敏感，如果距離S減小減小0.1nm，隧道電流，隧道電流I將增加一個數(shù)量級。將增加一個數(shù)量級。因此利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷因此利用電子反饋線路控制隧道電流的恒定，并用壓電陶瓷材料控制針尖在樣品表面

30、的掃描，則探針在垂直于樣品方向材料控制針尖在樣品表面的掃描，則探針在垂直于樣品方向上高低的變化就反映出樣品表面的起伏，如圖（上高低的變化就反映出樣品表面的起伏，如圖（a）。將針尖）。將針尖在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示在樣品表面掃描時運動的軌跡直接在熒光屏或記錄紙上顯示出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。出來，就得到了樣品表面態(tài)密度的分布或原子排列的圖象。恒電流模式恒電流模式恒高度模式恒高度模式第38頁/共63頁39STM工作模式第39頁/共63頁40優(yōu)點：優(yōu)點：任何借助透鏡來對光或其它輻射進行聚焦的顯微鏡都任何借助透鏡來對光或其它輻射進行聚焦的顯微鏡都不

31、可避免的受到一條根本限制：光的衍射現(xiàn)象。由于光的衍不可避免的受到一條根本限制：光的衍射現(xiàn)象。由于光的衍射，尺寸小于光波長一半的細節(jié)在顯微鏡下將變得模糊。而射，尺寸小于光波長一半的細節(jié)在顯微鏡下將變得模糊。而STM則能夠輕而易舉地克服這種限制，因而可獲得原子級的則能夠輕而易舉地克服這種限制，因而可獲得原子級的高分辨率。高分辨率。掃描探針的影響：掃描探針的影響：從從STM的工作原理可知，在的工作原理可知，在STM觀測樣觀測樣品表面的過程中，掃描探針的結構所起的作用是很重要的。品表面的過程中，掃描探針的結構所起的作用是很重要的。如針尖的曲率半徑是影響橫向分辨率的關鍵因素；針尖的尺如針尖的曲率半徑是影

32、響橫向分辨率的關鍵因素；針尖的尺寸、形狀及化學同一性不僅影響到寸、形狀及化學同一性不僅影響到STM圖象的分辨率，而且圖象的分辨率，而且還關系到電子結構的測量。還關系到電子結構的測量。第40頁/共63頁41C60第41頁/共63頁42七、原子力顯微鏡七、原子力顯微鏡（AFM） AFM的工作原理如圖，將一個對微弱力極敏感的微懸臂的工作原理如圖，將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥觸。由于針尖尖端原子與樣品表面原子間存在極微弱的排斥力（力（10-810-

33、6N），通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有），通過在掃描時控制這種力的恒定，帶有針尖的微懸臂將對應于針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間針尖與樣品表面原子間作用力的等位面而在垂作用力的等位面而在垂直于樣品的表面方向起直于樣品的表面方向起伏運動。利用光學檢測伏運動。利用光學檢測法或隧道電流檢測法，法或隧道電流檢測法，可測得微懸臂對應于掃可測得微懸臂對應于掃描各點的位置變化，從描各點的位置變化，從而可以獲得樣品表面形而可以獲得樣品表面形貌的信息。貌的信息。第42頁/共63頁43第43頁/共63頁44AFM工作模式第44頁/共63頁45第45頁/共63頁46第46頁/共63頁47第47頁/共63

34、頁48第三節(jié)第三節(jié) 薄膜成分的表征方法薄膜成分的表征方法一、原子內(nèi)的電子激發(fā)及相應的能量過程一、原子內(nèi)的電子激發(fā)及相應的能量過程二、二、X射線能量色散譜（射線能量色散譜（EDX）三、俄歇電子能譜（三、俄歇電子能譜（AES）四、四、X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）五、盧瑟福背散射技術（五、盧瑟福背散射技術（RBS）六、二次離子質(zhì)譜（六、二次離子質(zhì)譜（SIMS）第48頁/共63頁49一、原子內(nèi)的電子激發(fā)及相應的能量過程一、原子內(nèi)的電子激發(fā)及相應的能量過程 在基態(tài)時，原子內(nèi)層電子的排布情況在基態(tài)時，原子內(nèi)層電子的排布情況可如示意性地如圖可如示意性地如圖(a)所示，其中，所示，其中，K、L、

35、M分別表示了分別表示了1s、2s-2p、3s等電子態(tài)的等電子態(tài)的相應殼層，而用相應殼層，而用L1、L2，3表示表示2s和和2p兩兩個亞殼層的電子態(tài)。個亞殼層的電子態(tài)。 在外部能量的激發(fā)下，比如在外來在外部能量的激發(fā)下，比如在外來電子的激發(fā)下，原子最內(nèi)層的電子的激發(fā)下，原子最內(nèi)層的K殼層上殼層上的電子將會受到激發(fā)而出現(xiàn)一個空的的電子將會受到激發(fā)而出現(xiàn)一個空的能態(tài)，如圖能態(tài)，如圖(b)所示。所示。第49頁/共63頁50（1）這一空能級為一個外層電子，）這一空能級為一個外層電子，比如比如M或或L層的電子所占據(jù)，并層的電子所占據(jù)，并在電子躍遷的同時放出一個在電子躍遷的同時放出一個X射射線光子，如圖線光

36、子，如圖(c)所示。所示。（2）空的）空的K能級被外層電子填充的同能級被外層電子填充的同時并不發(fā)出時并不發(fā)出X射線，而是放出另一個射線，而是放出另一個外層電子，如圖外層電子，如圖(d)所示。這一能量轉(zhuǎn)所示。這一能量轉(zhuǎn)換過程被稱為俄歇過程，相應放出的換過程被稱為俄歇過程，相應放出的電子被稱為俄歇電子。電子被稱為俄歇電子。根據(jù)其后這一電子態(tài)被填充的過程不同，可能發(fā)生兩種情況。根據(jù)其后這一電子態(tài)被填充的過程不同，可能發(fā)生兩種情況。第50頁/共63頁51二、二、X射線能量色散譜（射線能量色散譜（EDX） X射線能量色譜儀又被簡稱為能譜儀。射線能量色譜儀又被簡稱為能譜儀。 作為一種常規(guī)成分分析儀器，它已

37、被廣泛安裝于掃描作為一種常規(guī)成分分析儀器，它已被廣泛安裝于掃描和透射電子顯微鏡上，作為材料結構研究中主要成分分析和透射電子顯微鏡上，作為材料結構研究中主要成分分析手段。在這種情況下，電子顯微鏡產(chǎn)生的高能電子束既要手段。在這種情況下，電子顯微鏡產(chǎn)生的高能電子束既要完成提示材料結構特征的任務，又要起到激發(fā)材料中電子完成提示材料結構特征的任務，又要起到激發(fā)材料中電子使其發(fā)射特征使其發(fā)射特征X X射線的作用。射線的作用。 由于電子顯微鏡中的電子束可以被聚焦至很小的斑點，由于電子顯微鏡中的電子束可以被聚焦至很小的斑點，因而因而所得到的成分信息可以是來自樣品中很小的一點所得到的成分信息可以是來自樣品中很小

38、的一點。因。因此，此，X X射線能量色散譜可以作為樣品微區(qū)成分分析的手段。射線能量色散譜可以作為樣品微區(qū)成分分析的手段。第51頁/共63頁52三、俄歇電子能譜（三、俄歇電子能譜（AES） 以電子束激發(fā)樣品元素的內(nèi)層電子，可以使得該元素發(fā)以電子束激發(fā)樣品元素的內(nèi)層電子，可以使得該元素發(fā)射出俄歇電子。接收、分析這些電子的能量分布，達到分析射出俄歇電子。接收、分析這些電子的能量分布，達到分析樣品成分目的的儀器被稱為俄歇電子能譜儀。樣品成分目的的儀器被稱為俄歇電子能譜儀。第52頁/共63頁53四、四、X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS） 不僅電子可以被用來激發(fā)原子的內(nèi)層電子，能量足夠高的不僅電子

39、可以被用來激發(fā)原子的內(nèi)層電子，能量足夠高的光子也可以作為激發(fā)源，通過光電效應產(chǎn)生出具有一定能量光子也可以作為激發(fā)源，通過光電效應產(chǎn)生出具有一定能量的光電子。的光電子。X射線光電子能譜儀就是射線光電子能譜儀就是利用能量較低的利用能量較低的X射線源射線源作為激發(fā)源，通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的電子，作為激發(fā)源，通過分析樣品發(fā)射出來的具有特征能量的電子，實現(xiàn)分析樣品化學成分實現(xiàn)分析樣品化學成分目的的一種分析儀器。目的的一種分析儀器。 在在X射線光電子能譜儀的情況下，被激發(fā)出來的電子應射線光電子能譜儀的情況下，被激發(fā)出來的電子應該具有能量該具有能量BEhE其中其中v為入射為入射X射線的頻率，射

40、線的頻率，EB是被激發(fā)出來的電子原來的能級能量。是被激發(fā)出來的電子原來的能級能量。在入射在入射X射線波長固定的情況下，測量激發(fā)出來的光電子的能量射線波長固定的情況下，測量激發(fā)出來的光電子的能量E，就可以獲得樣品中元素含量和其分布的情況。就可以獲得樣品中元素含量和其分布的情況。第53頁/共63頁540.00.51.0carbide bondsC-C bondsas-deposited 0.00.51.0 Ta=300 oCC/S (x103)2802822842862882900.00.51.0 Ta=400oCBinding Energy (eV)第54頁/共63頁55五、盧瑟福背散射技術五、

41、盧瑟福背散射技術（RBS） 具有較高能量而質(zhì)量較小的離子在與物質(zhì)碰撞的過程中會具有較高能量而質(zhì)量較小的離子在與物質(zhì)碰撞的過程中會發(fā)生散射現(xiàn)象，這一相應的過程被稱為發(fā)生散射現(xiàn)象，這一相應的過程被稱為盧瑟福散射盧瑟福散射。利用這一。利用這一物理現(xiàn)象作為探測、分析薄膜材料的化學成分的分布的方法，物理現(xiàn)象作為探測、分析薄膜材料的化學成分的分布的方法，被稱為被稱為盧瑟福背散射技術盧瑟福背散射技術。 由于離子能量很高而質(zhì)量又很小，因而它將具有一定的對由于離子能量很高而質(zhì)量又很小，因而它將具有一定的對物質(zhì)的穿透能力，并且不會造成物質(zhì)本身的濺射。在穿透物質(zhì)物質(zhì)的穿透能力，并且不會造成物質(zhì)本身的濺射。在穿透物質(zhì)

42、的同時，高能離子與物質(zhì)間的相互作用可以被分為不同的兩種的同時，高能離子與物質(zhì)間的相互作用可以被分為不同的兩種情況：情況：（1 1）高能離子在遠離原子核的地方通過，并以不斷激發(fā)原子）高能離子在遠離原子核的地方通過，并以不斷激發(fā)原子周圍的電子的方式消耗自身的能量。周圍的電子的方式消耗自身的能量。（2 2）當離子的運動軌跡接近了物質(zhì)的原子核時，它與后者之）當離子的運動軌跡接近了物質(zhì)的原子核時，它與后者之間將發(fā)生經(jīng)典的彈性碰撞過程。間將發(fā)生經(jīng)典的彈性碰撞過程。第55頁/共63頁56第56頁/共63頁57Incident ionBackscattered primary ion RBS/C-RBSBound(Auger)electrons AESX-ray emissionPIXEDisplaced atomsImplantationVisible, UV photonsNuclear reactions ion, g g-rays, neutrons NRASecondary electronsVacuumSolid第57頁/共63頁5860080010000500010000SiAgCo Co27Ag73 Co75Ag25CountsChannelRBS S