固體材料的測(cè)試與分析

固體材料的測(cè)試與分析第1頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

對(duì)于材料物理來說，除了材料制備方法以外，最廣泛使用的表征材料特征的方法有：衍射方法:中子衍射、X射線衍射、電子衍射、穆斯堡爾譜、γ射線衍射等…顯微方法:光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、掃描遂道顯微鏡、場(chǎng)離子顯微鏡、原子力顯微鏡等…其它方法表征材料的方法第2頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

考慮所需的信息：整體統(tǒng)計(jì)性的還是局域性的？是宏觀尺度的、納米尺度的還是原子尺度的？是單項(xiàng)的還是綜合的？考慮采用什么方法才能得到自己需要的參數(shù)

優(yōu)先考慮本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的測(cè)量手段考慮實(shí)驗(yàn)費(fèi)用考慮是否能用別的測(cè)量手段替代如何選擇測(cè)量手段第3頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的衍射方法第4頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月以X射線作為探測(cè)工具第5頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS)工作原理：利用一個(gè)來自同步輻射源的可調(diào)單色X射線輻照樣品。當(dāng)X射線的能量從稍低于樣品中選定元素原子內(nèi)殼層電子結(jié)合能(例如K或L電子)到遠(yuǎn)高于此能量掃描時(shí)，會(huì)發(fā)生X射線吸收，并可觀察到一個(gè)極陡的吸收邊。當(dāng)入射X射線的能量大于結(jié)合能時(shí)，可以觀察到一系列吸收振蕩。用處：能夠反映X射線吸收原子0.5nm附近的原子結(jié)構(gòu)分布情況。EXAFS的頻率與吸收原子和其近鄰原子間距有關(guān)，而EXAFS的強(qiáng)度則與近鄰原子的種類、數(shù)量和有序度有關(guān)。第6頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月表面擴(kuò)展X射線吸收超精細(xì)結(jié)構(gòu)和近邊X射線吸收超精細(xì)結(jié)構(gòu)(SEXAFS/NEXAFS)工作原理：固體樣品處于超高真空中，受到來自同步輻射源的可調(diào)X射線照射。通過改變X射線的光子能量和測(cè)量出射電子或熒光的產(chǎn)額來采集吸收譜。用處：SEXAFS的特征峰樣品表面的近鄰原子鍵長(zhǎng)、配位數(shù)NEXAFS局域配位(四配位、八配位等等)

氧化態(tài)性質(zhì)鍵合的種類（分子吸收）第7頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線光電子譜(XPS)工作原理：用單色的軟X射線轟擊樣品，導(dǎo)致光電子的逸出，然后得到光電子譜。(根據(jù)射線波長(zhǎng)可以大致分為硬X射線和軟X射線，波長(zhǎng)越短則射線越“硬”，其能量就越大，穿透力也就越強(qiáng)。反之則能量較小，易被物質(zhì)吸收。)用處：通過測(cè)量逸出光電子的動(dòng)能可直接確定元素。通過測(cè)量光電子的強(qiáng)度可以測(cè)定元素含量。對(duì)于固體樣品，X射線光電子譜可以探測(cè)2-20個(gè)原子層深度的范圍，探測(cè)深度依賴于被測(cè)材料、光電子能量和探測(cè)的角度。從生物到冶金材料廣闊的范圍里，XPS的優(yōu)點(diǎn)是可無標(biāo)樣半定量測(cè)定表面元素。第8頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月X射線衍射(XRD)工作原理：一束平行的波長(zhǎng)為0.05-0.2nm的X射線入射到樣品上時(shí)，衍射依據(jù)Bragg公式λ=2dsinθ，其中d是晶面間距。X射線的衍射強(qiáng)度是衍射角2θ和樣品取向的函數(shù)。用處：衍射花樣用以確定樣品的晶體相和測(cè)量結(jié)構(gòu)性質(zhì)，包括應(yīng)變、外延織構(gòu)和晶粒的尺寸和取向；X射線衍射也能確定非晶材料和多層膜的成分深度分布、薄膜厚度和原子排列。第9頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月以電子束作為探測(cè)工具第10頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電子探針X射線顯微分析(EPMA)工作原理：利用一束會(huì)聚的高能(5-30keV)電子束轟擊樣品，從而導(dǎo)致樣品發(fā)射出特征X射線(能量范圍0.1-15keV)。X射線通常用能量色散(簡(jiǎn)稱能譜)或波長(zhǎng)色散X射線譜儀(簡(jiǎn)稱波譜儀)測(cè)量。作用：是一種元素分析技術(shù)。標(biāo)樣系列包括純?cè)鼗蚨衔锏?。在使用純?cè)貥?biāo)樣分析濃度時(shí)相對(duì)濃度誤差在4％以內(nèi)的幾率為0.95。元素的空間分布可以用X射線區(qū)域掃描定性觀察，并通過數(shù)字成分圖來定量表示。第11頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月俄歇電子譜(AES)工作原理：俄歇電子是用一束會(huì)聚電子束照射固體后在表面附近所產(chǎn)生的二次電子。俄歇電子反映元素的能量特征，在許多情況下反映了釋放出俄歇電子的原子的化學(xué)鍵特征。用處：由于俄歇電子在從樣品淺層表面逃逸過程中沒有能量損耗，因此利用俄歇電子的特征能量可以確定樣品元素的成分，同時(shí)能確定樣品表面的化學(xué)性質(zhì)。如果同時(shí)結(jié)合離子轟擊，逐層剝離表面技術(shù)，還可以表征樣品在表面下不同深度上的化學(xué)性質(zhì)。由于電子束的高空間分辨，故可以進(jìn)行樣品的三維區(qū)域的微觀分析。俄歇電子譜的特征包括高橫向分辨率、高靈敏度、無標(biāo)樣半定量分析并且在某些情況下給出化學(xué)鍵信息。第12頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月低能電子衍射(LEED)：表面的探測(cè)工具工作原理：測(cè)量一束平行的單色低能電子束（10－1000eV）被樣品表面所衍射的花樣。實(shí)驗(yàn)在真空中進(jìn)行。在這個(gè)能量范圍里，電子的平均自由程只有幾個(gè)埃，因此對(duì)表面十分敏感。用處：衍射花樣可以用來分析干凈的表面或涂層結(jié)構(gòu)。對(duì)衍射強(qiáng)度的分析可以確定表面原子之間的相對(duì)位置及它們相對(duì)下層原子的位置。對(duì)不同角度的衍射束的分析可以提供表面無序程度的信息?？梢杂脕硌芯勘砻婢w的微觀晶體結(jié)構(gòu)和組織及相關(guān)現(xiàn)象。第13頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月反射高能電子衍射(RHEED)工作原理：一束高能電子(5-50keV)被加速射向接地的導(dǎo)體樣品或半導(dǎo)體樣品的表面。入射電子束以lo-5o的掠射角照射樣品，并被其散射。由于電子束的波長(zhǎng)比原子間距短，這些電子被樣品表面有序的原子陣列所衍射。散射電子束打到與電子槍相對(duì)的熒光屏上，使熒光屏上的磷粉發(fā)光。熒光屏上顯示的圖像被稱之為反射高能電子衍射花樣，此衍射花樣能用照相或其他方法記錄下來。用處：反射高能電子衍射花樣中的明亮條紋的對(duì)稱性和間距可以給出表面對(duì)稱性、晶格常數(shù)和完整性的信息。第14頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月反射電子能量損失譜(REELS)工作原理：將固體樣品置于真空中，用一束細(xì)電子束輻照，電子束的能量相當(dāng)高，足以導(dǎo)致原子或原子團(tuán)的電子激發(fā)。部分入射電子從樣品中射出時(shí)，相對(duì)于入射能量E0損失了一特定能量。通過電子能量分析器可以測(cè)量反射電子的數(shù)量、方向k和能量。用處：與標(biāo)樣比較，從逸出電子能量損失譜的強(qiáng)度和線形能夠得到有關(guān)樣品表面成分、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的信息。第15頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月高分辨電子能量損失譜(HREELS)：表面第一層工作原理：在高分辨電子能量損失譜中，一束高度單色的低能(1—10eV)電子束被聚焦在樣品表面，并對(duì)散射電子的散射能量和散射角進(jìn)行高分辨分析。由于表面原子和分子的振動(dòng)激發(fā)，一些散射電子具有較小的特征能量損失。通過測(cè)量電子數(shù)和相對(duì)于彈性散射電子束的電子能量損失可以得到振動(dòng)譜。用處：這種譜分析主要是用來確定表面第一層的化學(xué)物質(zhì)(官能團(tuán))，通常在這一層中包含被固體吸附的官能團(tuán)。第16頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月以離子束作為探測(cè)工具第17頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月二次離子質(zhì)譜(SIMS)工作原理：固態(tài)樣品置于真空中并用細(xì)離子束轟擊，此入射離子被稱作初級(jí)離子，它們有足夠的能量使樣品照射區(qū)的原子或小原子團(tuán)逸出。以離子形式發(fā)射的原子或原子團(tuán)被稱為二次離子。二次離子在質(zhì)譜儀中加速后，根據(jù)它們的荷質(zhì)比不同被分離并分別計(jì)數(shù)。二次離子質(zhì)譜是針對(duì)濺射離子的質(zhì)譜分析。用處：二次離子的相對(duì)量可以轉(zhuǎn)換成濃度。通過與標(biāo)樣比較可以展示樣品成分和痕量雜質(zhì)的濃度隨轟擊時(shí)間(即距樣品表面深度)的變化情況。第18頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月濺射中性質(zhì)譜(SNMS)工作原理：對(duì)在高能離子束轟擊下固體表面的濺射原子所進(jìn)行的質(zhì)譜分析。利用機(jī)械分離方法使濺射出來的原子游離化。濺射中性質(zhì)譜是針對(duì)濺射原子的質(zhì)譜分析。用處：能夠精確測(cè)量化學(xué)成分復(fù)雜的薄膜和界面的濃度沿深度變化的情況，這種測(cè)量能得到很好的深度分辨和痕量分析結(jié)果。激光離化表面分析和流動(dòng)放電質(zhì)譜都是濺射中性質(zhì)譜的特例。第19頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月盧瑟福背散射譜(RBS)工作原理：用一束單色高能粒子束(常用氦)轟擊被探測(cè)樣品，粒子束的能量高達(dá)幾兆電子伏特。入射粒子的一部分被樣品中近表面區(qū)域的重原子背散射，并用固體探測(cè)器測(cè)量其能量。用處：背散射粒子的能量與被轟擊原子的質(zhì)量和深度有關(guān)，因此可用來定量測(cè)定在1-2um深度范圍內(nèi)的成分分布。入射粒子束平行樣品晶軸方向時(shí)，可以定量測(cè)量晶格缺陷和雜質(zhì)在晶格中的位置，并給出沿深度的分布。對(duì)薄膜樣品結(jié)構(gòu)、結(jié)晶度、雜質(zhì)和缺陷進(jìn)行深度分析是盧瑟福背散射譜的主要應(yīng)用。第20頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月以光子束作為探測(cè)工具第21頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月富里葉變換紅外光譜(FTlR)工作原理：一些物質(zhì)的化學(xué)鍵合的振動(dòng)頻率常處于紅外波段。樣品中具有一定振動(dòng)模式的振動(dòng)將與入射的紅外電磁波相互作用，并當(dāng)發(fā)生共振時(shí)與其交換能量。用處：在紅外實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)量紅外電磁波在與樣品作用前后的光強(qiáng)，可以得到隨頻率變化的光強(qiáng)比I/I0，這類紅外光譜測(cè)量可以得到化學(xué)鍵的種類、周圍環(huán)境和濃度等信息。第22頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月光致熒光(PL)工作原理：在光致熒光測(cè)量中，光子導(dǎo)致了樣品物質(zhì)的激發(fā)電子態(tài)，通過分析激發(fā)態(tài)在恢復(fù)到基態(tài)過程的光發(fā)射來測(cè)量材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。為了獲得激發(fā)態(tài)，通常讓光直接照射到樣品上，所發(fā)出的光致熒光通過透鏡和光探測(cè)器上的光譜儀來采集。發(fā)射光的光譜分布和時(shí)間依賴關(guān)系與電子的躍遷幾率有關(guān)。用處：提供定性的，有時(shí)是定量的有關(guān)化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)(如鍵合、無序態(tài)、界面和量子阱等)、雜質(zhì)、動(dòng)力學(xué)過程和能量傳遞。第23頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月可變角度的光譜橢圓儀(VASE)工作原理：用偏振光照射到樣品表面后，利用檢偏器對(duì)反射光進(jìn)行分析。用平行的單色光束以一傾角照射樣品，對(duì)于每個(gè)入射角和波長(zhǎng)，測(cè)量反射光強(qiáng)與偏振角的關(guān)系，從而得到了重要的橢圓儀參數(shù)。利用一組最優(yōu)化的入射角和波長(zhǎng)的組合可以得到最大的測(cè)量靈敏度和有關(guān)信息。用處：從測(cè)量參數(shù)導(dǎo)出的物理量包括塊體或薄膜介質(zhì)的光學(xué)常數(shù)、薄膜厚度(從一到幾百納米)和多組份薄膜的顯微組織成分。一般說來，只有材料具有平行表面且在十分之一入射波長(zhǎng)范圍內(nèi)有結(jié)構(gòu)和化學(xué)的不均勻性時(shí)才能使用橢圓儀測(cè)量。第24頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月紫外光電子譜(UPS)工作原理：如果以能量在10-100eV范圍的單色光照射樣品，光電子將從原子的價(jià)鍵能級(jí)和深層芯能級(jí)中發(fā)射出來。對(duì)所發(fā)射電子動(dòng)能分布的測(cè)量就是紫外光電子譜。此技術(shù)的原理與X光光電子譜基本相同，區(qū)別只在于入射光子的能量要低許多，并且研究的側(cè)重點(diǎn)是價(jià)電子能級(jí)而不是芯能級(jí)。用處：UPS可用來進(jìn)行固體表面的電子結(jié)構(gòu)分析。在許多情況下，紫外光電子譜比X射線光電子譜在樣品表面分析上有更多的優(yōu)越性。第25頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月其它第26頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月激光電離表面分析(SALI)工作原理：在激光電離表面分析中，利用一探測(cè)束(如離子束、電子束或激光)直接照射到表面來轟擊樣品。用一束不轉(zhuǎn)動(dòng)的強(qiáng)激光緊貼樣品表面平行照射。由于激光強(qiáng)度很大，因此在被激光照射的蒸發(fā)樣品區(qū)域內(nèi)導(dǎo)致了大量的非共振的(非選擇性的)光電離。然后對(duì)非選擇性電離的樣品作質(zhì)譜分析以確定未知樣品的性質(zhì)。用處：能精確地反映表面的成分，如果與時(shí)間飛行質(zhì)譜儀結(jié)合可以提供快速、有效、靈敏的分析結(jié)果。第27頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月穆斯堡爾譜學(xué)(MS)工作原理：原子核對(duì)γ射線的共振吸收和發(fā)射現(xiàn)象叫穆斯堡爾效應(yīng)。穆斯堡爾譜實(shí)驗(yàn)由放射源、樣品、探測(cè)器、顯示及記錄裝置組成。透射實(shí)驗(yàn)得到的譜是一系列吸收峰。用處：由吸收峰的位置、強(qiáng)度和線寬可以得到樣品中被探測(cè)核素所在處的電磁環(huán)境，它們由一系列超精細(xì)參數(shù)(同質(zhì)異能移位、四極分裂裂距、超精細(xì)場(chǎng)、線寬等)表征，可以用于研究?jī)r(jià)態(tài)、磁有序、相變和化學(xué)反應(yīng)等。穆斯堡爾譜的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)能量的高靈敏度、相對(duì)所探測(cè)核素的高選擇性、很少受到其他元素的干擾。缺點(diǎn)是只對(duì)部分核素有效，最常用的是各種含鐵物質(zhì)，其次是含錫、銪和碘等元素的物質(zhì)。第28頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月中子散射（NS)工作原理：熱中子被凝聚態(tài)物質(zhì)散射，包括中子彈性散射(即中子衍射)和非彈性散射。用處：中子衍射技術(shù)由于強(qiáng)中子源、靈敏的探測(cè)器和快速計(jì)算技術(shù)的使用已成為相當(dāng)完善的結(jié)構(gòu)分析手段。能研究物質(zhì)的磁結(jié)構(gòu)，如鐵磁性、反鐵磁性、亞鐵磁性、非共線磁結(jié)構(gòu)和旋磁性等。對(duì)于輕元素在晶體中的位置也可給出信息。中子小角散射可用于研究材料中的缺陷、空位、位錯(cuò)、沉淀相、磁不均勻性的大小及分布、生物大分子的空間構(gòu)型等。中子漫散射可用于研究材料中的調(diào)幅結(jié)構(gòu)區(qū)及反相疇等。中子非彈性散射主要用于晶體中聲子譜及相關(guān)的物理化學(xué)機(jī)制的研究，還用于磁性物質(zhì)中自旋波譜的研究。第29頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的顯微方法第30頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月場(chǎng)離子顯微鏡(FIM)工作原理：中性的惰性氣體分子以原子尺度靠近帶幾千伏特正電壓的固體針尖時(shí)，電子很可能從惰性氣體分子隧穿至固體，從而產(chǎn)生一個(gè)陽離子。陽離子被電場(chǎng)加速打到接收器上，再放出大量的電子打到熒屏上產(chǎn)生亮點(diǎn)，同時(shí)能看到一顆顆原子影象。（可以通過電化學(xué)刻蝕制作半徑約50nm的針尖，并在針尖和熒光屏之間加約5kV的電壓。利用氦、氖等惰性氣體產(chǎn)生的離化）用處：研究吸附原子或空位、間隙原子等點(diǎn)缺陷以及位錯(cuò)、晶界這樣的擴(kuò)展缺陷。第31頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描電子顯微術(shù)(SEM)工作原理：電子束被聚成細(xì)針狀并在小矩形面積上掃描。當(dāng)電子束與樣品相互作用時(shí)產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，如二次電子、內(nèi)電流、光子發(fā)射等，這些信號(hào)可以被探測(cè)，它們反映了被電子束直接照射的面積上的局域信息。利用這些信號(hào)調(diào)制陰極射線管的亮度，它是與電子束同步的屏面掃描并同步成像。用處：當(dāng)需要對(duì)某種材料進(jìn)行快速觀測(cè)而光學(xué)顯微鏡的分辨精度又不夠時(shí)，掃描電子顯微鏡是首選儀器。配合其他輔助探測(cè)器，掃描電子顯微鏡可以作元素分析。第32頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡(STM／AFM)工作原理：固體樣品可置于空氣、液體或真空中，針尖到樣品表面只有幾埃。對(duì)于掃描隧道顯微鏡來說，在樣品表面和針尖之間有量子隧道電流。原子力顯微鏡，樣品表面的原子與針尖原子的相互作用力使得一個(gè)小懸臂發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由于隧道電流和懸臂偏轉(zhuǎn)的大小強(qiáng)烈地依賴于樣品與針尖的間距，它可以用來畫出三維的表面原子尺度的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。用處：STM／AFM在高分辨和三維分析上有無與倫比的優(yōu)越性，可以得到原子尺寸的信息。第33頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月透射電子顯微鏡(TEM)工作原理：利用一束高聚焦的單色電子束轟擊處于真空中的薄固體樣品。電子束的能量很高足以穿透樣品，利用一系列電磁透鏡將此透射電子信號(hào)放大。在樣品下方還能觀察到一系列衍射花樣。用處：衍射花樣可用來確定樣品的原子結(jié)構(gòu)。由于電子和樣品中的原子之間的相互作用導(dǎo)致了多種散射機(jī)制，因此對(duì)透射電子像的分析可以得到有關(guān)材料的原子結(jié)構(gòu)和缺陷的信息。第34頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的其它方法第35頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月磁光克爾效應(yīng)(MOKE)工作原理：基于材料的凈磁化強(qiáng)度M與從表面反射的可見光的偏振變化的比例關(guān)系。磁化方向由起始位置和旋轉(zhuǎn)信號(hào)(偏振)決定。用處：是一種測(cè)定磁性材料近表面凈磁矩方向和相對(duì)大小的光學(xué)技術(shù)。測(cè)量材料在連續(xù)變化的外磁場(chǎng)下的磁光克爾效應(yīng)給出了材料的磁滯回線。磁光克爾效應(yīng)的測(cè)量可以在兆赫茲頻率下和在直流下測(cè)量，這使得測(cè)量磁疇動(dòng)力學(xué)或靜疇像成為可能。第36頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月電子自旋共振(ESR)，也叫電子順磁共振(EPR)工作原理：在被研究的物質(zhì)中，若有未成對(duì)電子，則這種物質(zhì)(分子)便具有未抵消的磁矩，表現(xiàn)出順磁性。電子自旋磁矩在外磁場(chǎng)中會(huì)具有分立的能級(jí)，因而會(huì)有共振現(xiàn)象。用處：可以探討自旋未成對(duì)電子與一些核噪音的強(qiáng)弱，給出分子中電子結(jié)構(gòu)狀態(tài)的信息，如順磁離子的氧化態(tài)、電子組態(tài)和配位數(shù)；順磁離子的基態(tài)d軌道、格位對(duì)稱性及所發(fā)生的任何結(jié)構(gòu)畸變。在成分分析方面可以定性的或定量的測(cè)量?？梢杂糜谘芯炕瘜W(xué)鍵的性質(zhì)、電子與聲子的相互作用、電子自旋哈密頓參數(shù)、g因子值以及具有未成對(duì)電子的晶體缺陷等。第37頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月核磁共振(NMR)工作原理：用以研究核磁矩與射頻電磁波的相互作用。在實(shí)驗(yàn)中，固態(tài)樣品被放在l-14T強(qiáng)磁場(chǎng)下，磁場(chǎng)使具有自旋I的基態(tài)采取(2I+1)個(gè)取向，每種取向代表一個(gè)能級(jí)；當(dāng)用強(qiáng)射頻脈沖輻照，其頻率范圍能使特定原子核在基態(tài)的能級(jí)間躍遷，產(chǎn)生NMR信號(hào)。利用電磁感應(yīng)和富利葉變換得到信號(hào)強(qiáng)度與頻率的關(guān)系，將得到的譜與標(biāo)樣對(duì)比。用處：可以確定原子種類及其含量。同時(shí)它是一個(gè)對(duì)結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)十分靈敏的探測(cè)器。核磁共振可以用來作相分析及研究無序材料的局域鍵合性質(zhì)。第38頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月光聲譜(PAS)工作原理：在光聲譜中，用一束調(diào)制光照射樣品，光吸收引起了樣品溫度變化，所導(dǎo)致的樣品膨脹又引起了空氣中的壓力波(聲波)。在樣品附近放一個(gè)探測(cè)器以記錄聲波的強(qiáng)度和頻率。當(dāng)樣品表面的條件變化時(shí)，例如樣品吸附氣體或形成氧化層后，光吸收發(fā)生了變化，影響了樣品加熱和膨脹過程，從而影響了聲波的強(qiáng)度。因此聲波可以用來表征氣體吸附程度或表面反應(yīng)層的份量。用處：提供了有關(guān)表面上吸附物的種類和吸附量以及表面上薄膜生長(zhǎng)的額外信息。第39頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)工作原理：當(dāng)超導(dǎo)環(huán)處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，弱聯(lián)結(jié)使得通過超導(dǎo)環(huán)的磁通是量子化的，磁通躍變值為一個(gè)磁通量子，可用于測(cè)量很小的磁通變化。如果繞此超導(dǎo)環(huán)放一線圈，則磁通每躍變一個(gè)量便在線圈中感生一個(gè)電壓脈沖。此電壓脈沖可用來測(cè)量小磁場(chǎng)。用處：是測(cè)量磁場(chǎng)最靈敏的儀器，可分辨l0-14T。第40頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)工作原理：根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)與線圈交連的磁通變化時(shí)要在線圈中產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)就是基于此一原理。VSM事實(shí)上是一個(gè)對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度差的計(jì)量裝置，在線圈(置于電磁鐵二極頭之間的空隙中)內(nèi)的特定空間中，當(dāng)樣品在內(nèi)或不在內(nèi)(樣品往返振動(dòng))而產(chǎn)生磁通變化時(shí)，線圈中就感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)交流電壓信號(hào)，經(jīng)放大后進(jìn)行記錄和顯示。用處：故原則上說，由于樣品退磁因子太大的關(guān)系，VSM只適于測(cè)飽和磁化強(qiáng)度，而不太適于測(cè)磁化曲線或磁滯回線。VSM還可測(cè)量小到5×l0-8Am2(5×10-5emu)的磁矩，精度可達(dá)2％，還可以用于測(cè)定居里點(diǎn)和奈耳點(diǎn)，研究某些相變。第41頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月正電子湮滅技術(shù)(PAT)工作原理：正電子具有正電荷，通常只在某些核衰變時(shí)產(chǎn)生(例如22Na核)。正電子湮滅實(shí)驗(yàn)裝置由正電子源、樣品和探測(cè)及信號(hào)處理系統(tǒng)組成，可得到正電子的壽命、多普勒速度展寬譜的線形參數(shù)等。用處：反映樣品中的缺陷和電子結(jié)構(gòu)。可用于研究材料中點(diǎn)、線、面缺陷，以及微空洞等；也用于研究能帶結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)等。單色慢正電子束技術(shù)的發(fā)展，使得正電子湮滅技術(shù)逐漸增多了在表面研究中的應(yīng)用。原則上說樣品可以是氣體、液態(tài)和固體，可以是金屬、半導(dǎo)體和絕緣體，可以是無機(jī)物也可以是有機(jī)物。此技術(shù)在物理、化學(xué)和材料研究中都有應(yīng)用。第42頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Real-timespectroscopicellipsometrystudiesofthenucleationandgraingrowthprocessesinmicrocrystallinesiliconthinfilmsHiroyukiFujiwara,*MichioKondo,andAkihisaMatsudaThinFilmSiliconSolarCellsSuperLaboratory,ElectrotechnicalLaboratory,1-1-4Umezono,Tsukuba-shi,Ibaraki305-8568,JapanPHYSICALREVIEWB,VOLUME63,115306,2001第43頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

Performedreal-timeSEduringthea-Si:H/uc-Si:Hphasetransitiontocharacterizethenucleationandgraingrowthoftheuc-Si:HThemicroscopicstructuralevolutionobtainedbythereal-timeSEanalysisshowedexcellentcorrelationwiththenucleationandcoalescenceprocessesoftheuc-Si:HTheuc-Si:Hnucleidensityincreases,asthehydrogendilutionincreasesSomethinginterested…第44頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Thin-filmdepositionconditionMethod:rfPECVDHydrogendilutionratio:R=[H2]/[SiH4]=10-40Substratetemperature:230°Crfpower:1W,SiH4flowrate:5sccmSiH4partialpressure:10mTorrSubstrate:Si(100)coveredwitha30?-thicknativeoxide(Removaloftheoxidelayerleadstoepitaxialgrowthofc-Si)第45頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月ModelsusedintheSEanalysis:dielectricfunctionsds:surfaceroughnesslayerthickness第46頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

IntheSEanalysisusingthetwo-layermodel,bulkisassumedtobeconstantforthewholefilmthickness.Nevertheless,thisassumptionisnotvalidinuc-Si:Hthinfilmsthatshowasignificantdependenceofbulkonthefilmthickness.Fortheanalysisoftheuc-Si:Hfilmstructures,themultilayermodelconsistingoflayershavingdifferentbulkismoresuitable.Whytousethemultilayermodel?第47頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Qualitatively,

ismoresensitivetothesurfaceroughnessduetoaphaseshiftthatoccursinthesurfaceroughnesslayers,whilemoresensitivetotheopticalconstantsofthematerials.第48頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Df:filmmassthickness,df=db+0.5ds.SEanalysisforthefilmofR=17(RH=94.4%)第49頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

a-Si:Hislandformationonthesubstrate,ds~17?.Coalescenceofa-Si:Hislandsoccurs,anddsdecreasesduetothesurfacesmootheningcausedbythesurfacediffusionofprecursors.Atdf=300?,theuc-Si:Hnucleationoccurs,anddsincreasesagainduetoapreferentialgrowthoftheuc-Si:Hgrain.Definedtheuc-Si:HnucleationthicknessasdNuclei

fromthethicknesswherethesurfacerougheningstarts.Thissurfaceroughening,however,showsasaturationtrendasthefilmsurfaceiscoveredwiththeuc-Si:H.SomeresultsforR=94.4%第50頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Fordifferenthydrogendilution…Filmmassthickness第51頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Resultsfordifferenthydrogendilution…

TheSEanalysisshowedthatthefilmdepositedatR=15(93.7%)isa-Si:H,andds

isratherconstantversusdf

.

R=17(94.4%),dNuclei=300?;R=20(95.2%),dNuclei=110?;R=40(97.5%),dNuclei~0?,R=17doesnotshowthecompletesaturationinthisthicknessrange,indicatingthatauc-Si:HnucleidensityislowerthantheR=20and40cases.第52頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Nucleidensitydcontact=theuc-Sinucleimakecontactonthesurface第53頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月AFMforR=20(95.2%)第54頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Cross-sectionalTEMimages第55頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Somethingmayhelp…Inparticular,wefoundanewinfraredpeakat1937cm-1assignedtotheSiHn(n=1~2)complexinthetwo-monolayerthicka-Si:Hsubsurfacethatleadstotheuc-Si:Hnucleation.Fromthisresult,weproposedthattheuc-Si:Hnucleationoccurswithinthea-Si:HsubsurfacebytheformationoftheSiHncomplex.H.Fujiwara,Y.Toyoshima,M.Kondo,andA.Matsuda,J.Non-Cryst.Solids266–269,38,2000.第56頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Growthmechanismofhydrogenatedamorphoussiliconstudiedbyinsituscanningtunnelingmicroscopy

J.Flewitt,a)J.Robertson,andW.I.Milne

DepartmentofEngineering,UniversityofCambridge,TrumpingtonStreet,

Cambridge,CB21PZ,UnitedKingdom

JOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,1999第57頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月

Insituscanningtunnelingmicroscopyhasbeenusedtostudytheevolutionofthesurfacetopographyofthegrowingsurfaceofa-Si:Hthinfilminordertounderstanditsgrowthmechanism.PartOne:STMobservation第58頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月a-Si:Hsample:Taucgapof~1.756eVdarkconductivity4.3×10-8

-1m-1photoconductivity2×10-2

-1m-1Substrate:SiSilaneflowrate:50sccmgaspressure:36.7Pa,substratetemperature:598Krfpower:20W.第59頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Differentthickness第60頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月DifferentsubstratetemperatureTs=548KTs=598KTs=648K第61頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月1.Theearlieststageofmaterialgrowth(15nm):Anislandstructureisobserved,andtheseislands,whichareveryflat,havearangeofdiametersupto60nm,andareuniformlydistributedoverthesurface.2.Thethickera-Si:Hsamplespossessasurfaceislandstructure,butofamorecomplexnature.3.Thea-Si:Hsampledepositedatalowtemperatureappearstohavelosttheislandstructure,havinginsteadasurfacecoveredwithsmallclusters5nmindiameter.Thesampledepositedatahighertemperature,exhibitsasurfacecoveredwithverylargeislands>30nmindiameter.Results第62頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Thepresenceofdistinguishableislandsclearlyshowsthatthesurfaceisgrowingbyamorecomplicatedprocessthanthesimplerandomattachmentofspecies(knownasstochasticroughening).2.Thefactthattheseislandsincreaseinsizewithsubstratetemperatureandarenotseenatlowtemperaturessuggeststhatthemechanismisthermallyactivated.第63頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Herringshowedthatdifferentgrowthmechanismsproduce

surfacetopographieswithacharacteristicpatternof

featuresizes.Therefore,measuringthetopographyofamaterial

surfacecanbeusedtoelucidatethegrowthmechanism.DataAnalysisMullinsshowedthatthisscalingbehaviorcanbeexpressedintermsoftheFouriercomponentsofthesurfaceheightasi=1:forviscousflowi=2:forasurfacegrowingbyevaporationcondensationi=3:forvolumediffusioni=4:forsurfacediffusion第64頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月i=1.15iiscloseto1,viscousflowmustbethedominantmechanism.However,itisknownthatina-Si:H,siliconatomsarelessmobilethanhydrogenatoms,andthatsiliconatomsareessentiallyimmobileatthetemperaturesunderconsideration.Therefore,itseemslikelythattheFourierindex,i,arisesfromamechanismnotconsideredbyHerring.Thisispossiblebecausea-Si:HisatwocomponentsystemofSiandH.第65頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Secondwaytoanalyzegrowth:fractalanalysisFractalanalysisintroducestheconceptofsurfacescalingwhichcanbeconsideredtobeoftwotypes:self-affineandself-similar.第66頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第67頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第68頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月第69頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Synchrotronx-rayscatteringstudyontheevolutionofsurfacemorphologyoftheInN/Al2O3(0001)

systemIkJaeLeePLS,PohangAcceleratorLaboratory,PohangUniversityofScienceandTechnology,Pohang,Kyungbuk,Korea790-784JinWooKimDepartmentofMaterialsScienceandEngineering,KwangjuInstituteofScienceandTechnology,Kwangju,Korea500-712APPLIEDPHYSICSLETTERSV81,No.3p.475(2002)第70頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月ExperimentsSample:InNthinfilmsweregrownonAl2O3(0001)substratesbydcsputteringx-rayreflectivitybysynchrotronx-rayscatteringmeasurementsfilmthickness,surfaceroughness,interfaceroughness,roughnessexponentX-raydiffractioncompressivestrainrelationofcompressivestrainandRMSroughnessRockingcurveswherethegrowthcrossesoverfromtheplanarlayergrowthtotheislandgrowth第71頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月=1.37743?q=4sin/incidentangle:0.3-5°

Theoscillationoriginatedfromtheinterferenceofthex-raysreflectedfromthegrowingsurfaceandthosereflectedfromtheInN/Al2O3interface.

ThedatawereanalyzedusingParratt’srecursionalgorithmbythePARRATT32program.SynchrotronX-rayreflectivity第72頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月PARRATT32programBasedon:Parratt’srecursionschemeforstratifiedmediaTwointerfacesconsidered:InN/Al2O3andInN/vacuumFittingparameters:interfaceroughnesssurfaceroughnessfilmthickness第73頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月Resultsfromreflectivitymeasurement第74頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月RMSroughnessdependentonstrainStrain:X-rayreflectionRoughness:reflectivityThissignificantincreaseoftheroughnesswhenthestrainrelieves,whichisnotincludedinmosttheoriesofkineticroughening.Thisabruptincreaseinsurfaceroughnessmightbeduetoanaccelerationofsurfacerougheningmechanismsrelatedtotheonsetofstrainrelaxation,whichcouldberelatedtoeffectiveInNcriticalthickness.第75頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月RockingcurvesAFMimages0002peak第76頁，課件共83頁，創(chuàng)作于2023年2月ResultsfromrockingcurvesThesharpcomponentoriginatesfromtheplanartwo-dimensionallayer,whilethebroadcomponentrepresentsthe3Dcolumnargrains.Theoriginofthediffusescatteringisduetotheformationofthree-dimensionalislandswhosecrystallinecaxisdeviatesslightlyfromthesubstratenormaldirection