材料表面分析技術的研究進展

0表面分析的含義在固體表面附近的一些原子層中，有許多不同的性質（如化學組成、原子排列、電子狀態(tài)等）。在表面附近,由于垂直于表面方向的晶體周期性發(fā)生中斷,相應的電子密度分布也將發(fā)生變化,從而形成一空間突變的二維區(qū)域。材料的許多重要物理化學過程首先發(fā)生在這一區(qū)域,材料的許多破壞和失效也起源于表面和界面。同時,由于這一突變區(qū)的存在,使材料表面產生許多新的物理化學性質?；诖?世界各國通過各種處理方法使材料表面某種(些)特性突出,或制造具有特殊性質的薄膜來改造材料或器件的功能,使之成為研制開發(fā)新材料的一種有效方法。表面分析隨之發(fā)展起來。通常情況下,“表面”是指一個或幾個原子厚度的表面,而厚一些的表面(如微米級)稱為“表層”。但是許多實用表面技術所涉及的表面厚度通常為微米級,因此本文談到的“表面分析”,包括表面和表層兩部分。為有效進行物質表面分析,上世紀30年代開始,一系列物質表面分析的探測和顯微鏡技術相繼出現(xiàn)并日臻完善,為表面研究提供了良好的實驗條件,其基本原理是用一個探束(光子或原子、電子、離子等)或探針(機械加電場)去探測樣品表面,并在兩者相互作用時,從樣品表面發(fā)射或散射電子、離子、光子及中性粒子(原子或分子)等。檢測這些粒子的能量、質荷比、束流強度等就可得到樣品表面的各種信息。根據(jù)這些信息的特點,表面分析可大致分為表面形貌分析、表面成分分析和表面結構分析三類。表面形貌分析指“宏觀”幾何外形分析,主要應用電子顯微鏡(TEM、SEM等)、場離子顯微鏡(FIM)、掃描探針顯微鏡(SPM,如STM、AFM等)等進行觀察和分析。表面成分分析包括表面元素組成、化學態(tài)及其在表層的分布(橫行和縱向)測定等,主要應用X射線光電子能譜(XPS)、俄歇電子能譜(AES)、電子探針、二次離子質譜(SIMS)和離子散射譜(LSS)等。表面結構分析指研究表面晶相結構類型或原子排列,主要應用低能電子衍射(LEED)、光電子衍射(XPD)、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等。由于各種方法的原理、適用范圍均有所不同,因而從不同層面給人們提供了認識微觀世界的手段。本文簡要地討論上述主要表面分析技術的原理、適用范圍及特點等。1表面形態(tài)分析用于表面形貌分析的方法主要是各種顯微分析技術,如透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、場離子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等。1.1透射電鏡觀察簡單地說,透射電鏡(TEM,TransmissionElectronMicroscope)就是一種用高能電子束做光源,用電磁透鏡做放大鏡的大型電子光學儀器;目前影響電鏡分辨本領的電磁透鏡球差已減小到接近于零,使電子顯微鏡的分辨率得到了很大提高,透射電鏡的分辨率達到了0.1~0.2nm。例如采用橫截面(CrossSection)樣品的透射電鏡觀察(明場像或暗場像)可以得到清晰的生長方向上金剛石晶體的亞結構及缺陷類型,膜厚度、界面反應產物(或物相)、膜/基界面等微觀結構的圖像。若配用選區(qū)電子衍射(SAED)可以得到不同物相(尤其是界面物相)的晶體結構、組織結構和及其位向關系,而通過平面樣品的TEM觀察,可以很清晰地顯示金剛石晶粒的大小,晶粒內的亞結構及缺陷類型,晶粒間界的微結構信息。由于受限于電子束穿透固體樣品的能力,要求必須把樣品制成薄膜,對于常規(guī)透射電鏡,如電子束加速電壓在50~100kv,樣品厚度控制在1000~2000?為宜,因此樣品的制備比較復雜。1.2同步掃描成像成像原理掃描電鏡(SEM,ScanningElectronMicroscope)是利用極細電子束在樣品表面做光柵狀掃描時產生的二次電子或背散射電子量來調制同步掃描的成像顯像管電子槍的柵極而成像的,反映的是樣品表面形貌或元素分布。近年來,由于高亮度場發(fā)射電子槍[以ZrO/w(100)單晶作肖特基式陰極的圓錐陽極型電子槍]及電子能量過濾器等的普遍應用,“冷場”掃描電鏡的分辨率已達到0.6nm(加速電壓30KV)和2.5nm(加速電壓1KV)。掃描電鏡的優(yōu)點是景深大,樣品制備簡單,對于導電材料,可直接放入樣品室進行分析,對于導電性差或絕緣的樣品則需要噴鍍導電層。1.3spm的發(fā)展方向以掃描隧道顯微鏡(STM,ScanningTunnelingMicroscope)和原子力顯微鏡(AFM,AtomForceMicroscope)為代表的掃描探針顯微術(SPM,ScanningProbeMicroscope),是繼高分辨透射電鏡之后的一種以原子尺寸觀察物質表面結構的顯微鏡,其分辨率水平方向可達0.1nm,垂直方向達0.01nm。由于掃描隧道顯微鏡是以量子隧道效應為基礎,以針尖與樣品間的距離和產生的隧道電流為指數(shù)性的依賴關系成像的,所以要求樣品必須是導體或半導體。原子力顯微鏡(AFM,AtomicForceMicroscope)是根據(jù)極細的懸臂下針尖接近樣品表面時,檢測樣品與針尖之間的作用力(原子力)以觀察表面形態(tài)的裝置。因此對非導體同樣適用,彌補了掃描隧道顯微鏡之不足。掃描探針顯微鏡的優(yōu)點是可以在大氣中高倍率地觀察材料表面的形貌。逐漸縮小掃描范圍,可由“宏觀”的形貌觀察過度到表面原子分子的排列分析。STM和AFM出現(xiàn)之后,又陸續(xù)發(fā)展了一系列新型的掃描探針顯微鏡,如激光力顯微鏡(LFM)、磁力顯微鏡(MFM)、彈道電子發(fā)射顯微鏡(BEEM)、掃描離子電導顯微鏡(SICM)、掃描熱顯微鏡和掃描隧道電位儀(STP)、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)及掃描近場光學顯微鏡(SNOM)等等。目前SPM技術主要應用于微電子技術、生物技術、基因工程、生命科學、表面技術、信息技術和納米技術等各種尖端科學領域。隨著納米器件的發(fā)展和STM理論的不斷完善,人類將可以用特定的原子制造特殊功能的產品。目前SPM的發(fā)展方向主要有:a探針針尖的工藝研究。探針針尖的工藝對SPM分辨率至關重要,如何提高針尖尖度、延長探針使用壽命將成為SPM長期研究的問題。b對于STM,偏置電壓的控制,也是研究的關鍵。電壓過高,電場強度增大,有利于原子遷移;然而場強過大,在針尖和試樣面之間會產生復雜化學反應,導致原子操縱過程變得復雜。c接觸面處的接觸距離,是SPM中最關鍵的因素。合理的接觸距離,既有利于延長針尖的使用壽命,又有利于提高SPM的分辨率,而接觸距離在原子操縱中,將起著決定性作用,電場的強弱和原子間力的大小,同接觸距離有密切的關系,尤其是AFM,研究發(fā)現(xiàn),當接觸距離達到某個值時,接觸面處的原子會發(fā)生“突跳”,“突跳”對原子操縱影響很大。我國在《國家納米科技發(fā)展綱要(2001-2010)》中,已將SPM列為急需突破的納米科技發(fā)展的共性關鍵技術,相信在不久的將來,SPM將在更廣闊的領域得到發(fā)展。1.4飛至藍色熒光屏場離子顯微鏡(FIM,FieldIonMicroscope)是另一種直接對原子成像的方法。其原理是:將試樣作成曲率半徑為20~50nm的極細針尖,在超高真空中當施加數(shù)千伏正電壓時針尖表面原子會被逸出,并呈正離子態(tài),在電場作用下,以放射狀飛至熒光屏,形成場離子像,其最大分辨率0.3nm。在此基礎上,又發(fā)展了原子探針-場離子顯微鏡,即利用“原子探針”鑒定樣品表面單個原子的元素類別。其特點是參與成像的原子數(shù)量有限,實際分析體積僅約為10-21m3,因而場離子顯微鏡只能研究大塊樣品內分布均勻和密度較高的結構細節(jié),因而限制了場離子顯微鏡的應用。例如,若位錯密度為108cm-1,則在10-10cm2的成像表面內將很難被發(fā)現(xiàn)。杜民、施祖進、張兆祥等人利用場離子顯微鏡研究了納米尺度的單壁碳納米管(SWCNTs)末端表面原子排列。他們利用范氏力將SWCNTs組裝到鎢針尖上,并對針尖樣品進行了加熱處理,得到了開口SWCNTs的場離子顯微鏡像,并模擬了其中一個圖像所代表的SWCNTs頂端開口的原子排列,推斷出產生這個圖像的SWCNTs是(7,7)型結構。2電子鼻微區(qū)化學組成,在一般意義上可認知是，其三目前許多物理、化學方法都可測定材料的化學成分,但常規(guī)分析方法得到的結果往往是一個平均值,對于不均勻樣品,無法獲知表面特征微區(qū)的化學組成。上述電子或場離子顯微術及掃描探針顯微術,雖然可以提供微觀形貌、結構等信息,卻無法直接測定化學組成。而顯微電子能譜則是特征微區(qū)成分分析的有力工具。它可直接測量材料的微結構或微小區(qū)域中元素組分和化學態(tài)及其分布。2.1sem-spm分析模型常規(guī)俄歇電子能譜分析(AES,AugerElectronSpectroscopy)是利用入射電子束使原子內層能級電離,產生無輻射俄歇躍遷,俄歇電子逃逸到真空中,用電子能譜儀在真空中對其進行探測的一種分析方法。在薄膜材料化學成分的分析方面,俄歇電子能譜是應用最為廣泛的分析方法,它能對表面0.5~2nm范圍內的化學成分進行靈敏的分析,分析速度快,能分析從Li-U的所有元素,不僅能定量分析,而且能提供化學結合狀態(tài)的情況。亦可用氬或其它惰性氣體離子對試樣待分析部分進行濺射刻蝕,從而得到材料沿縱向的元素成分分析。隨著SEM和SPM技術等的發(fā)展,目前俄歇電子能譜分析也已進入“顯微”分析階段,產生了場發(fā)射俄歇電子能譜(FE-AES)和掃描俄歇電子能譜探針(SAM)等技術。使俄歇電子能譜的分辨率達到10nm(CuLMM俄歇峰),完全可應用于微電子產品和納米材料的分析。而且由于SAM中一系列新技術的應用,如新型高傳輸率電子傳輸透鏡系統(tǒng)、高質量電子能量分析器和接收探測器等,使SAM的能量分辨率和空間分辨率大大提高,因此不但能對樣品表面元素成像,同時還能對元素的化學狀態(tài)進行分析;不僅能分析同一元素的不同價態(tài),還能準確區(qū)分半導體Si中n-Si和p-Si。2.2光學能譜儀石化學法X射線光電子能譜分析(XPS,X-rayPhotoelectronSpectroscopy)是利用X射線源產生很強的X射線轟擊樣品,從樣品中激發(fā)出電子,并將其引入能量分析器,探測經(jīng)過能量分析的電子,做出X射線對能量的分布圖——X射線光電子能譜,它可以用于區(qū)分非金屬原子的化學狀態(tài)和金屬的氧化狀態(tài),所以又叫做“化學分析光電子能譜儀(ESCA,ElectronSpectroscopyforChemicalAnalysis)”。利用XPS可以進行除氫以外全部元素的定性、定量和化學狀態(tài)分析,其探測深度依賴于電子平均自由程。對于金屬及其氧化物,探測深度為0.5~2.5nm。XPS的絕對靈敏度很高,是一種超微量分析技術,分析時所需樣品很少,一般10-8g左右即可,因此XPS是薄膜材料最有效的分析手段之一。近年來,由于波帶環(huán)片(FresnelZonePlate)及同步輻射的應用,使掃描式光電子能譜顯微儀(ScanningPhotoelectronMicroscopy;SPEM)得以產生并應用,大大提高了光電子能譜的能量和空間分辨率。使光電子能譜的應用擴展到納米領域。2005年初,首臺能量分辨率達到0.36毫電子伏的超高分辨率光電子能譜儀在中日科學家的共同努力下研制成功。并首次直接觀察到二釕化鈰超導體的超導電子態(tài),發(fā)現(xiàn)這種材料具有奇特的超導特性,為該類超導體的超導機理研究提供了重要實驗依據(jù)。2.3成分分析方法電子探針X射線顯微鏡分析(EPMA,ElectronProbeMicoanalyser)是一種較早發(fā)展起來的X射線元素分析方法,它是利用一束細聚焦高能電子與物質表面相互作用時,激發(fā)產生特征X射線來進行成分分析的。由于特征X射線的出射范圍較深(微米數(shù)量級),因此它屬于一種表層分析方法。它所分析的區(qū)域一般可以從1μm3到幾十μm3,被測元素的絕對感量可達10-10g?？煞治鲈胤秶鸀?~92元素。對于原子序數(shù)大于10的元素來說,定量分析的相對精度大約為1%;可對樣品進行點分析、線掃描、面分布等分析。2.4荷質比/強度的定性和定量分析離子探針顯微分析(IMMA,IonMicroprobeMassAnalysis)是將離子源產生的一次離子加速形成能量為幾千至一萬多電子伏的離子束后打向樣品表面,在樣品表面產生正、負二次離子。將這些二次離子引入質譜儀,經(jīng)放大后記錄下荷質比(m/e)及其強度并根據(jù)荷質比和強度進行元素的定性和定量分析。使用離子探針顯微術可進行同位素分析、輕元素高靈敏度的分析(包括氫)、1~10nm表層分析,亦可進行縱向三維分析。在作縱向分析時,應考慮縱向分辨率、濃度測定靈敏度和三維觀察等各因素,必須嚴格控制測量條件。離子探針顯微分析儀探測離子掃描像的能力較高,所以當某些元素分布采用EPMA的特征X射線像所得襯度不好或難以探測時,采用離子探針顯微分析法可獲得滿意的結果。近些年來,SIMS技術開始應用在地球化學研究中,并逐漸發(fā)揮出顯著的作用。SIMS分析技術可以在元素濃度極低的情況下測定固體樣品中從H到U的所有元素的含量;目前利用SIMS技術進行鋯石U—Pb等礦物定年已成為年代學中的一個重要部分。2.5sem、xps、f對于研究本質的影響二次離子質譜分析(SIMS,SecondaryIonMassSpectroscopy)是利用高能離子和固體相互作用,引起基質原子和分子以中性的和帶電的兩種狀態(tài)發(fā)射出來,通過高靈敏的質譜技術對此產生的帶電粒子(即二次離子)進行檢測,從而進行元素分析。SIMS的主要優(yōu)點:a在超高真空下(<10-7Pa)進行測試,可以確保得到樣品表層的真實信息;b原則上可以完成周期表中幾乎所有元素的低濃度半定量分析。而傳統(tǒng)儀器如原子發(fā)射光譜(AES)適用于原子序數(shù)33以下的輕元素分析,x-電子能譜(x-rayphotoelectronspec-troscopy,XPS)適用于原子序數(shù)大的重元素分析。c可檢測同位素;d可分析化合物。SIMS可檢測不易揮發(fā)和熱不穩(wěn)定的有機大分子(如銀表面沉積的單層B)。e具有高的空間分辨率;f可逐層剝離實現(xiàn)各成分的縱向剖析,連續(xù)研究實現(xiàn)信息縱向大約為一個原子層。而AES、XPS等采用濺射方式將樣品逐級剝離,對剝離掉的物質不加分析,只分析新生成的表面。g檢測靈敏度最高可優(yōu)于ng/g量級。高性能的SIMS的檢測靈敏度是所有表面分析法中最高的。而SEM、XPS等由于受檢出限的限制,主要用于物質形態(tài)(價態(tài))、結構及物理結構分布狀態(tài)的分析與表征。SIMS自身也存在一定的局限性,主要在于:a質譜包含的信息豐富,在復雜成分低分辨率分析時識譜困難;b不同成分在同一基體或同一成分在不同基體中的二次離子產額變化很大,定量分析困難;c一次離子(特別是DSIMS)對樣品有一定的損傷;d分析絕緣樣品必須經(jīng)過特殊處理;e樣品組成的不均勻性和樣品表面的光滑程度對分析結果影響很大;f濺射出的樣品物質在鄰近的機械零件和離子光學部件上的沉積會產生嚴重的記憶效應。除此之外,還有出現(xiàn)電勢譜(APS,AppearancePostentialSpectroscopy)、背散射能譜(RRS,RutherfordBackscatteringSpectrometry),輝光放電發(fā)射譜(GDOES,GlowDischargeOpticalEmissionSpectroscopy),紅外譜(IR,InfraredSpectroscopy),正電子湮沒譜(PAS,PositronAnnihilationSpectroscopy),高分辨率電子能力損失譜(HREELS,HighResolutionElectronEnergyLossSpectroscopy),低能光子輻射(LEPI,LowEnergyPhotoIrradiation),核反應共振(RNR,ResonanceoftheNuclearReaction)等表面分析技術也得到長遠的發(fā)展和應用。3晶體結構及結構表面結構分析主要以各種衍射分析最為重要,由于它們以晶體衍射現(xiàn)象為基礎,所以衍射分析既可獲得表面的晶體結構,又能獲得化學式。衍射分析方法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射三種。3.1x-ct分析的計算機方法物質結構分析最常用的方法是X射線衍射分析(XRD,X-RayDiffraction)。由于X射線的高穿透能力,X射線衍射分析實際是一種微米級的表層分析。近幾十年來,由于高功率,高精度,高穩(wěn)定性和高靈敏度X射線衍射儀的出現(xiàn),特別是計算機應用于衍射儀的控制和數(shù)據(jù)處理以后,在X射線衍射分析方面有了許多新進展,如定性分析中的計算機檢索,定量分析中的澤溫(ZeVin)法等新方法,多晶衍射數(shù)據(jù)全結構分析的里特韋爾德(Rietveld)方法,物相結構分析中多晶衍射花樣指標化的計算機方法。用X射線衍射分析材料表面的晶體結構時,應考慮X射線的分析厚度,特別是對于薄膜材料,當基體材料與薄膜材料中有相同的化學成分,并且薄膜的厚度在1-2μm以下時,應注意排除基體背底衍射峰的干擾,物理氣相沉積的薄膜其化學組成往往偏離物質的化學計量,有時還會產生擇優(yōu)取向,導致X射線衍射峰位偏移及各衍射峰的峰強度發(fā)生變化,這是在分析中需要注意的問題。3.2微觀表面結構分析d電子與X射線不同,它穿透材料的能力較弱,一般為1~100nm數(shù)量級,并且可以用電磁場進行聚焦,因此電子衍射法(ED,ElectronDiffraction)常被用作微觀表面結構分析。電子衍射分析通常是在電子顯微鏡分析中和圖像分析相配合,其特點是:a靈敏度很高,可以給出幾十甚至幾納米微晶的電子衍射花樣。b選區(qū)電子衍射結構分析可以與電子顯微圖像觀察同時進行,還能得到有關物相的大小、形態(tài)及分布等,如果電子顯微鏡附帶有能譜儀,還能給出分析區(qū)域的化學成分。3.3散射體表面結構的分析低能電子衍射(LEED,LowEnergyElectronDiffraction)是表面結構分析的有力工具之一,它是利用低能電子束(20~250eV)入射到晶體內,然后從表面衍射出來,產生衍射花樣(衍射波場),通過分析這個攜帶了散射體結構信息的衍射花樣來分析材料表面結構的。LEED通過對電子散射復雜的多重散射動力學計算,比較理論和實驗IV強度,以可靠性因子為依據(jù)確定“最佳結構”。低能電子衍射已在金屬和半導體表面的分析中獲得了巨大成功。但是,LEED強度計算中仍有一些不確定因素,對散射過程多體效應缺乏完整的處理以及多重散射的復雜性都限制了計算的精確性,并且在LEED分析表面結構過程中普遍存在半導體表面的分數(shù)衍射束IV曲線跟實驗的符合程度不如金屬表面和金屬吸附面好。3.4pd和led的比較光電子衍射(PD,PhotoelectronDiffraction)是用適當?shù)募ぐl(fā)光子能量,選擇激發(fā)表面原子中特定能級的電子,發(fā)射出的光電子將受到近鄰原子的散射,從而形成相干的散射電子,最終由于干涉效應在全空間(實空間和k空間)形成電子強度調制信號。依據(jù)光電子強度隨發(fā)射方向或光電子能量的變化曲線,作理論計算擬合后就可以得到表面的結構信息。從原理上看,PD與LEED很相似,但有一個很重要的不同:在PD中被散射的電子來自體系內部的受激原子,因此具有元素分辨能力。同時,由于所有的散射波路程差都依賴于發(fā)射源的位置,得到的衍射圖樣也正反映了這一短程局域信息。而在LEED中,散射電子來自體系外部,衍射花樣更多的反映了內部原子層的長程有序。目前,已經(jīng)發(fā)展出一系列的光電子衍射技術,如角分辨光電發(fā)射精細結構(ARPEFS)、俄歇光電子衍射(AED)、自旋極化光電子衍射、光電子全息術等。雖然光電子衍射作為一種新的表面分析工具發(fā)展時間并不長,但已經(jīng)被證明是一種研究各種表面體系結構非常有用的手段。可以用之于表面吸附、分子取向、外延生長、表面相移和短程磁有序等方面的研究。另外,高分辨率分析器的使