固体的表面与界面期末考试作业姓名1： 徐京 学号1：200907120055 姓名2： 关洪波 学号2：200907120050 论文题目： 出现电势谱（APS） Appearance Potential Spectroscopy 出现电势谱摘要：粒子束与表面作用后，将产生丰富的信息，如电子、光子和离子的发射，它们都可以作为表面分析的依据。电子束的能量可以由加速电压精确控制，其聚焦方法简单，固体材料对电子束的非弹性散射很大，而且其能有效地被各种仪器所检测和计算，电子束分析设备比离子束简单，所以电子束已经成为最常规方法之一1。出现电势谱就是电子束分析技术的一种重要方法。关键词：电子束 信息 表面分析 出现电势谱 Appearance Potential SpectroscopyAbstract：Due to the interaction between particle beam and the surface of material , a wealth of information will be produced. such as electron, photon and ion, their emission can be used as the basis of surface analysis. Electron beam energy can be precisely controlled by the accelerating voltage, its focus method is simple,and solid material has a strong effect on the electron beam,whats more, the inelastic scattering between them can be effectively detected and calculated by the various instruments, electron beam analysis equipment is more simple than the ion beam equipment.Therefore, the electron beam has become one of the most conventional method . Appearance potential spectroscopy is an important method.of Electron beam analysis techniques.Key words:electron beam information surface analysis APS 1.引言 表面科学是上世纪70年代才发展起来的一门新兴学科，主要包括表面物理、表面化学和表面技术三方面。其是一门综合性的学科，涵盖学科知识面广，是当代材料学重要部分。近年来，表面科学得以能够迅猛发展，原因之一就是上世纪50年代实现了超高真，并在此基础上60年代以来发展了各种能谱技术。表面与界面物理作为表面科学的核心方向，广泛地与晶体学、冶金金属学、电化学、半导体技术和石油化工技术以及低温技术紧密结合起来。然而，作为表面科学的研究手段，表面技术是发展表面科学的前提保证，表面分析技术的发展才使表面科学成为可能。所以，表面技术的探究和发现是具有十分重要意义的。目前，人们在研究表面与界面时最常用的手段有电子束技术和电子能谱，离子束技术以及其他表面分析技术。在电子束技术方面，有很多方法常常被采用在表面科学各个领域，其中重要研究方法有低能电子衍射（LEED）、高能电子衍射（HEED）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外线光电子能谱（UPS）等；离子束技术方面常见的方法有离子散射谱（ISS）、二次离子质谱（SIMS）、离子中和谱（INS），还有场离子显微镜（FIM）等等2。上述各种方法各自具有不同的分析功能和特点，在实际科研中根据具体的实验要求和条件而采用不同的方法。本文中将讲到的“出现电势谱”就是电子束技术和电子能谱中的方法之一。2.出现电势谱（appearance potential spectroscopy）2.1物理原理表面分析用芯能级谱的一个大类。简称 APS。以一定能量的电子束入射到固体表面，入射电子使原子的内层电子激发而出现空位，测量产生空位所需的最低能量（对应入射电子的最低加速电势）。空位的产生可通过填补这个空位所涉及的俄歇过程或发射软 X射线过程来探测 ，前者称俄歇出现电势谱，后者称软X射线出现电势谱 。俄歇电子或软X光子的能量与原子的壳层结构有关，并因元素而异，故利用出现电势谱可鉴别原子种类。通过逐渐增强入射电子束的能量，测量试样被激发的射线或俄歇电子能量的变化以分析试样表面成分、元素电子束缚能、表面电子结构的电子能谱法。它用能量逐渐增长（501500电子伏）的电子轰击固体表面，并测定次级粒子的产额。当入射电子的能量E0超过某一阈值（相当于某一出现电势）时，就有可能激发固体原子，使某一芯能级EB上的电子跃迁到费密能级E0以上空带中的某一位置，而在该能级上留下空穴，如图1所示；然后在退激发（电子重新落入空穴）时将产生俄歇电子或相当于芯能级束缚能(EB-E0)的标识X射线,如图2所示。因此测定次级粒子流强度I与入射电子能量E0之间的关系就可以得到一种相当于测定芯能级束缚能的谱，可用作元素分析以判明固体表面的成分。由于不同元素的各个芯能级束缚能相差很大，所以APS的谱线清晰易读，不会发生混淆；加以不需要能量分析器，仪器结构比较简单，所以是一种很有用的表面分析方法。 3 32.2概述可以按所测粒子的种类分为“软 X射线出现电势谱(SXAPS)”和“俄歇电子出现电势谱(AEAPS)”两种。前者灵敏度较低，一般需要毫安级的入射电子流，因而用于测定较深的芯能级（束缚能500eV）时，可能会在样品表面造成损伤。后者灵敏度较高，只需要10A左右的入射电子流，损伤可以忽略，但缺点是较低能量(300eV)的电子出射时会由于固体原子的衍射而产生附加信息，干扰正常谱的读出。所以合理的办法是在较低能量时用SXAPS而在较高能量时用AEAPS。 从理论上说来，入射粒子也可以采用适当（相当于软X 射线波段）的光子，这样可完全避免对样品表面的损伤但鉴于单色性良好的X射线源(例如同步辐射)目前尚不普遍，有人就使用能量渐变的电子轰击金属靶所产生的赝单色X 射线源作为入射粒子，而测定俄歇电子的产额这就是所谓“X 射线光电子出现电势谱(XPAPS)”。但实验结果表明这种方法的灵敏度很低，不适于一般的表面分析。然而，如用某一元素的标识X 射线来照射另一个表面含有这一元素的样品，则后者所对应的芯能级上的电子会产生共振跃迁，而在退激发时再产生俄歇电子。具体的作法是把同一固体材料分为两块：一块作为受电子轰击的X 射线管阳极（靶），另一块作为被测样品。逐渐改变阳极电压至某一阈值（出现电势）而测定样品的出射电子产额，可得到“共振光电子出现电势谱(RPAPS) ”。由于共振跃迁具有选择性滤波功能，因此RPAPS的灵敏度和分辨率都优于一般的出现电势谱,只是样品的制备要略为复杂一些。2.3设备 在出现电势谱实验中，采用的实验仪器是出现电势谱仪，它是测量出现电势谱的能谱仪（appearance potential spectrometer）。在分析时，将试样作为阴极靶，改变阴极电位，当轰击靶的电子达到一定值时，样品上出现带有特征的X射线荧光，把阴极电位（电子束的势能）和X射线的强度作成图谱即得到APS。为了消去背底噪音，通常采用电势调制技术，实际的APS谱是软X射线强度的二阶导数与外加电压关系。目前已观察到出现电势的元素有铍、镁、硼、氮、铅和硫等三十多种。 APS可以确定靶材料的表面组分，测定束缚能、空带能态密度和表面原子的电子结构等。APS设备较简单、成本低，这是与离子束表面分析法相比的优点。目前它已成为研究金属或合金偏析、氧化、腐蚀、催化等物理化学过程的有力工具之一4。2.4谱分析由阴极发射的电子经加速与表面作用后，如果它的能量不足以把芯电子撞出来，但它把芯电子撞到倒带中距费米能为2的某一空态处。而自己也被束缚在距费米能1的空态处，则下式成立:qV+q=EB+2+1 其中，EB是电子结合能，V是阴极电势，为阴极功函数；当芯电子和电子束电子都处在费米能级时，1=2=0,这时仍有X射线发射，对应的加速电压是Va,则得到：qVa+q= EB或 qVa= EB-q式中Va是临界电压，当VVa时，就没有X射线发射出。故临界电压与电子结合能直接有关。已经发现，出现电势谱对各元素的相对灵敏度与俄歇电子谱(AES)不同，它对碳、氧、硫并不特别灵敏,却能对3d和4f过渡金属给出最佳灵敏度，因此适于作为探测这一类元素的表面分析。在能谱研究方面,APS能给出空带态密度的信息，而AES给出的是满带态密度信息,二者是互补的。从APS也能看出氧化造成的谱位移,但不如X射线光电子谱(XPS)清晰。此外,也有人用AEAPS的谱边形状来测定表面结构。这种方法称为“扩展出现电势精细结构(EAPFS)”，与扩展X 射线吸收精细结构(EXAFS)的原理相类似，由于存在问题，目前尚用得不多。 不同的表面分析方法所能观测的信息深度不同，主要分析功能也不一样。APS的典型信息深度为13nm，主要分析功能为表面组分、空电子态。下面与其它常见的电子束分析技术方法作个比较，见下表5：名称典型信息深度主要分析功能俄歇电子谱（AES）1 nm 左右表面组分电子损耗普（EELS）0.5 nm左右空电子态 表面震荡低能电子衍射谱（LEED）0.5 nm左右表面结构出现电势谱（APS）1-3nm表面组分 空电子态光电子谱（PS）0.5-2nm表面组分 电子能带 原子价态2.5应用 APS通过逐渐增强入射电子束的能量，测量试样被激发的射线或俄歇电子能量的变化以分析试样表面成分，元素电子束缚能和表面电子结构，从而可以进一步确定表面的空电子态。APS从理论上为分析材料表面与界面的物化性质提供了重要方法，在实验室可作为科研、实验的有效操作手段。在工业生产中，材料性能的实际检测和研发方法的重要选择对象。在将来的表面科学发展，APS仍将扮演重要角色。参考文献：1 恽正中，王恩信，完利祥，表面与界面物理，电子科技大学出版社，1993,P17.2 Philip Hofmann,Lecture Notes on Surface Science,Arhus University,October,2005.3 中国百科网http:/www.chinabaike.com/article/baike/wli/2008/200801111129420.html4 恽正中，王恩信，完利祥，表面与界面物理，电子科技大学出版社，1993,P185M.Pruttion编，张瑞福译，表面物理导论，浙江大学