[科普中國]-表面分析

表面分析是對(duì)固體表面或界面上只有幾個(gè)原子層厚的薄層進(jìn)行組分、結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析的材料物理試驗(yàn)。也是一種利用分析手段，揭示材料及其制品的表面形貌、成分、結(jié)構(gòu)或狀態(tài)的技術(shù)。

表面分析概況自20世紀(jì)60年代中期金屬型超高真空系統(tǒng)和高效率微弱信號(hào)電子檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展，導(dǎo)致70年代初現(xiàn)代表面分析儀器商品化以來，至今已產(chǎn)生了約50種表面分析技術(shù)。表面分析技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力來自兩個(gè)方面，一方面是由于表面分析對(duì)了解表面性能至關(guān)重要，而表面性能又日益成為現(xiàn)代材料的至關(guān)重要的指標(biāo)。另一方面，也來自科學(xué)家和工程師對(duì)探索未知的追求。從實(shí)用表面分析的角度看，在眾多的表面分析技術(shù)中，有四種技術(shù)在過去的十幾年內(nèi)由世界上幾家公司不斷改進(jìn)，巳發(fā)展為成熟的分析工具。它們是俄歇電子譜（AES），X射線光電子譜（XPS），二次離子質(zhì)譜（SIMS）和離子散射譜（ISS），它們已應(yīng)用滲透到材料研究的許多領(lǐng)域。

表面分析的主要內(nèi)容表面科學(xué)研究的是表面和與表面有關(guān)的宏觀和微觀過程，從原子水平認(rèn)識(shí)和說明表面原子的化學(xué)、幾何排列、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、電子態(tài)等性質(zhì)及其與表面宏觀性質(zhì)的聯(lián)系。表面分析的主要內(nèi)容有：

（1）表面化學(xué)組成：表面元素組成，表面元素的分布，表面元素的化學(xué)態(tài)，表面化學(xué)鍵，化學(xué)反應(yīng)等；可用技術(shù)：XPS（X- ray Photoelectron Spectroscopy，X射線光電子能譜）、AES（Auger Electron Spectroscopy，俄歇電子能譜）、SIMS（Secondary Ion Mass Spectroscopy，二次離子質(zhì)譜）、ISS（ Ion Scattering Spectroscopy，離子散射譜）。

（2）表面原子結(jié)構(gòu)：表面層原子的幾何配置，確定原子間的精確位置。表面弛豫，表面再構(gòu)，表面缺陷，表面形貌；可用技術(shù)：LEED（Low Energy ElectronDiffraction，低能電子衍射）、RHEED（Reflection High - Energy Electron Diffrac-tion，反射式高能電子衍射）、EXAFS（Extended X- ray Absorption Fine Structure，擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜）、SPM（Scanning Probe Microscope，掃描探針顯微鏡）、FIM（Field Ion Microscope，場離子顯微鏡）。

（3）表面原子態(tài)：表面原子振動(dòng)狀態(tài)，表面吸附（吸附能、吸附位）、表面擴(kuò)散等；可用技術(shù)：EELS（Electron Energy Loss Spectroscopy，電子能量損失譜）、RAIRS（Reflection Absorption InfraRed Spectroscopy，反射吸收紅外譜）。

（4）表面電子態(tài)：表面電荷密度分布及能量分布（DOS）、表面能級(jí)性質(zhì)、表面態(tài)密度分布、價(jià)帶結(jié)構(gòu)、功函數(shù)、表面的元激發(fā)?？捎眉夹g(shù)：UPS（UltravioletPhotoelectron Spectroscopy，紫外光電子能譜）、ARPES（Angle Resolved PhotoEmis-sion Spectroscopy，角分辨光電子能譜）、STM（Scanning Tunneling Microscope，掃描隧道顯微鏡）。

20世紀(jì)60年代全金屬超高真空（UHV）技術(shù)商品化后，極大地促進(jìn)了表面和界面科學(xué)的發(fā)展，開發(fā)了多種表面分析技術(shù)，這些技術(shù)覆蓋了電子和離子譜、表面結(jié)構(gòu)測(cè)定方法以及原子成像方法等，可用以從原子、分子的微觀尺度七獲取更多表面組成與性質(zhì)的基本知識(shí)。白70年代以來，隨著世界范匍內(nèi)的半導(dǎo)體工業(yè)、微電子技術(shù)和航天技術(shù)的興起，對(duì)表面、界面科學(xué)和分析的重視和需求達(dá)到r李前的地步，也推動(dòng)了表面科學(xué)和技術(shù)的迅速和持續(xù)發(fā)展。表面發(fā)生的過程對(duì)從半導(dǎo)體技術(shù)到異相催化等各個(gè)領(lǐng)域具有極大的實(shí)用性和重要意義，對(duì)同體表面相關(guān)的問題的研究逐漸成為基礎(chǔ)科學(xué)研究的前沿。1

表面分析系統(tǒng)表面分析系統(tǒng)包括x射線光電子能譜（XPS）儀和紫外光電子能譜（UPS）儀，利用表面分析系統(tǒng)，可從原子層面上分析陰極材料的凈化效果，分析激活前后陰極表面原子的構(gòu)成和排列，進(jìn)而可較深入地研究陰極的激活機(jī)制和NEA特性的形成機(jī)制。下面簡單介紹激活評(píng)估實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的表面分析子系統(tǒng)：

x射線光電子能潛（XPS）儀采用的是Perkin Elmer公司生產(chǎn)的PHl5300 ESCA系統(tǒng)。

其主要性能指標(biāo)如下：

（1）峰值靈敏度可達(dá)105計(jì)數(shù)/稱（半高寬為0.8 eV），峰值靈敏度>106計(jì)數(shù)/稱（半高寬為1.0 eV）；

（2）表面分析審的極限真空度