低能离子散射的分析

表面扩散是指原子、离子、分子以及原子团在固体表面沿表面方向的运动。

当固体表面存在化学势梯度场，扩散物质的浓度变化或样品表面的形貌变化时，就会发生表面扩散。

表面原子是在周期势中断的平面上移动，因而，表面扩散与体内扩散固然有许多相同之处，但也有自身特点。

主要是扩散率高，在晶须生长实验中，观察到的表面扩散率高达1厘米2/秒,这已与气相扩散过程相近，表面扩散过程与表面的取向有关，用场离子显微镜观察到单个铼原子在铱的(111)、(113)平台上的异质表面扩散激活能分别为0.52eV及1.17eV，差别很大；表面状态如吸附物质的存在，也会强烈影响表面扩散。

热振动能量的涨落可能使表面原子获得足够的能量克服表面势垒，变成近邻位置上的吸附原子，这是最简单的完整晶体表面自扩散。

在实际晶体表面上存在各种类型的缺陷，根据表面条件，表面原子可以在平台上或沿台阶移动；表面原子也可填充到表面空位上，引起空位的迁移；或发生更加复杂的扩散过程。

研究表面扩散的实验方法主要是放射性示踪、物质传递、场离子显微镜及场发射等技术。

人们运用这些实验方法测定表面扩散系数,用以研究表面动力学过程,确定表面势。

表面扩散与烧结、晶体生长、薄膜工艺、蠕变等密切相关。

但对表面扩散过程机理的了解有待深入。

表面物理学发展极为迅速的领域。

表面物理学是固体表面附近的几个原子层内具有许多异于体内的对称性质。

表面物理学研究在超高真空下（10-10～10-11Torr），这几个原子层内原子的排列情况、电子状态、吸附在表面上的外来原子或分子以及在表面几个原子层内的外来杂质的电子状态和其他物理性质。

实验上是通过电子束、离子束、原子束、光子、热、电场和磁场等与表面的相互作用而得到有关表面结构、表面电子态、吸附物的品种、结合的类型和成键的取向等信息。

例如：由于偏析造成化学成分与体内不同，原子排列情形不同，表明能吸附外来原子或分子形成有序或无序的覆盖层等表面物理学-内容表面结构理想的晶体表面具有二维周期性，其单位网格由基矢a1和a2决定,根据对称性的要求，可能形成的二维单位网格有五种，如图1所示，这五种格子常称为二维布喇菲格子。

物质结构的表征方法一、按表征任务分类材料结构的表征就其任务来说主要有三个，即成分分析、结构测定和形貌观察。

1.1 化学成分分析材料的化学成分分析除了传统的化学分析技术外，还包括质谱、紫外、可见光、红外光谱分析，气、液相色谱，核磁共振，电子自旋共振、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电子谱、二次离子质谱，电子探针、原子探针(与场、离子显微镜联用)、激光探针等。

在这些成分分析方法中有一些已经有很长的历史，并且已经成为普及的常规的分析乎段。

如质谱已是鉴定未知有机化合物的基本手段之一，其重要贡献是能够提供该化合物的分子量和元素组成的信息。

色谱中特别是裂解气相色谱( PGC)能较好显示高分子类材料的组成特征，它和质谱、红外光谱、薄层色谱,凝胶色谱等的联用，大大地扩展了其使用范围。

红外光谱在高分子材料的表征上有着特殊重要地位。

红外光谱测试不仅方法简单，而且也由于积累了大量的已知化合物的红外谱图及各种基团的特征频率等数据资料而使测试结果的解析更为方便。

核磁共振谱虽然经常是作为红外光谱的补充，但其对聚合物的构型及构象的分析，对于立构异构体的鉴定，对于共聚物的组成定性、定量及序列结构测定有着独特的长处。

许多信息是其他方法难以提供的。

需要特别提及的是，近年来由于对材料的表面优化处理技术的发展，对确定表面层结构与成分的测试需求迫切。

一种以X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子散射谱仪为代表的分析系统的使用日益重要。

其中X射线光电子能谱（XPS）也称为化学分析光电子能谱（ESCA），是用单色的软X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。

对于固体样品，XPS可以探测2~20个原子层深度的范围。

目前已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表向分析的不可缺少的工具之一:俄歇电子能谱（AES）是用一束汇聚电子束，照射固体后在表面附近产生了二次电子。

由于俄歇电子在样品浅层表面逸出过程中没有能量的损耗，因此从特征能量可以确定样品元素成分，同时能确定样品表面的化学性质。

物质结构的表征方法一、按表征任务分类材料结构的表征就其任务来说主要有三个，即成分分析、结构测定和形貌观察。

1.1 化学成分分析材料的化学成分分析除了传统的化学分析技术外，还包括质谱、紫外、可见光、红外光谱分析，气、液相色谱，核磁共振，电子自旋共振、X射线荧光光谱、俄歇与X射线光电子谱、二次离子质谱，电子探针、原子探针(与场、离子显微镜联用)、激光探针等。

在这些成分分析方法中有一些已经有很长的历史，并且已经成为普及的常规的分析乎段。

如质谱已是鉴定未知有机化合物的基本手段之一，其重要贡献是能够提供该化合物的分子量和元素组成的信息。

色谱中特别是裂解气相色谱( PGC)能较好显示高分子类材料的组成特征，它和质谱、红外光谱、薄层色谱,凝胶色谱等的联用，大大地扩展了其使用范围。

红外光谱在高分子材料的表征上有着特殊重要地位。

红外光谱测试不仅方法简单，而且也由于积累了大量的已知化合物的红外谱图及各种基团的特征频率等数据资料而使测试结果的解析更为方便。

核磁共振谱虽然经常是作为红外光谱的补充，但其对聚合物的构型及构象的分析，对于立构异构体的鉴定，对于共聚物的组成定性、定量及序列结构测定有着独特的长处。

许多信息是其他方法难以提供的。

需要特别提及的是，近年来由于对材料的表面优化处理技术的发展，对确定表面层结构与成分的测试需求迫切。

一种以X射线光电子能谱、俄歇电子能谱、低能离子散射谱仪为代表的分析系统的使用日益重要。

其中X射线光电子能谱（XPS）也称为化学分析光电子能谱（ESCA），是用单色的软X射线轰击样品导致电子的逸出，通过测定逸出的光电子可以无标样直接确定元素及元素含量。

对于固体样品，XPS可以探测2~20个原子层深度的范围。

目前已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表向分析的不可缺少的工具之一:俄歇电子能谱（AES）是用一束汇聚电子束，照射固体后在表面附近产生了二次电子。

由于俄歇电子在样品浅层表面逸出过程中没有能量的损耗，因此从特征能量可以确定样品元素成分，同时能确定样品表面的化学性质。

LEED/低能衍射电子分析方法LEED 分析原理低能电子衍射（LEED ）的原理与X 射线衍射相似，不同的是X 射线穿入固体的深度较深，一般在微米量级，因此所求的结构是穿入深度内的平均值，属于体内结构。

电子也具有波动性，低能电子（5~500eV ）的波长和晶格常数接近，当它与晶体相互作用时也发生衍射，但是相互作用很强，散射自由程只有2-5个原子层，因此从LEED 得到信息的是晶体的表面结构，是研究单晶表面层原子排列的一种有效方法。

低能电子，能量为5~500eV ，波长为3~0.5Å。

它们很容易被原子散射，仅能透入晶体几个原子层，是研究表面结构的理想手段。

周期排列的表面原子将成为这种电子波的衍射光栅，电子打到晶体表面上会产生一些衍射电子束。

衍射束的分布和强度与入射电子的能量、入射方向和表面原子的排列情况有关，因而能提供表面结构的信息。

单色低能电子束轰击样品表面，其发出的不同能量的出射电子分布如图所示。

其中区域Ⅰ为几个电子伏特宽的窄峰，为入射电子经弹性碰撞的散射峰；区域Ⅱ为20~30电子伏特的宽峰，是入射电子经多次非弹性碰撞后的次级电子；位于区域Ⅰ、Ⅱ之间的区域Ⅲ是激发与电离损失的特征峰和俄歇电子峰。

LEED 的信息来源为垂直样品表面的入射电子经弹性碰撞后的散射峰，即区域Ⅰ内的信息。

图1 单色低能电子束轰击样品表面发出的电子分布图低能电子在晶体表面衍射，当电子束加速电压V 不太高时，其波长λ与电压之间的关系为：2/12/125.12)150(λVV == 但当加速电压很高时，上述式子必须作如下修正：)10489.0-1(5.212λ6-2/1V V×= 当V=150V 时，λ=1Å，它恰与晶体原子间距同数量级，这时晶格上的原子对电子产生衍射。

已知LEED 电子束垂直样品表面入射，若电子束波长为λ、二维晶格周期为d ，则由布拉格公式：λθn d =cos求得衍射束的位置。

材料近代物理测试方法第一部分表面分析技术第1章表面分析技术概论第2章俄歇电子能谱第3章 X射线光电子谱第4章二次离子质谱第5章低能电子衍射第6章低能离子散射第7章原子探针场离子显微镜第8章扫描隧道显微镜一、概述一般用途，应用实例，样品，局限性分析时间，与其它技术的对照二、基本原理三、离子散射谱仪1、离子枪，2、能量分析器3、可调样品架，4、真空系统5、离子流检测系统四、ISS信息性质的进一步认识1、峰的位置2、半高峰宽和质量分辨率3、定量分析五、应用实例l、ISS用于研究合金表面成分2、ISS用于吸附层的研究第5章低能离子散射一、概述离子散射术(简称ISS)又称低能离子散射术(LEISS)，由Smith在1967年所首次提出，其原理如图所示。

用低能(几千电子伏以下)惰性气体离子与样品表面原子进行弹性碰撞。

根据弹性散射理论，散射离子的能量分布和角分布与表面原子的原子量有确定关系。

在一定角度用能量分析器即可测得表面元素组分及表面结构信息。

这是一种重要的表面分析手段。

ISS的特点是：(1)信息来自最表层，且能探测表面结构；(2)不同元素灵敏度变化范围在一个量级以内；(3)对表面损伤很小，是一种准无损分析；(4)谱峰有一定宽度，质量分辨高不高；(5)定量分析有一定困难；(6)检测灵敏度在10-3量级；(7)常与其它表面分析技术结合，可共用离子枪、能量分析器等，成为一种很有特色的分析手段。

一般用途(1) 鉴别固体表面元素；(2) 半定量测定表面元素的原子浓度。

应用实例(1) 鉴别表面锈蚀物和腐蚀物；(2) 通过惰性气体离子溅射测定成分深度分布和膜厚度；(3) 研究合金及化合物组分在表面上的偏析；(4) 用18O研究氧化；(5) 确定超薄层覆盖层的范围；(6) 研究吸附层的解析；(7) 鉴别极性晶体的晶面。

样品形态：粉末状固体或具有平的固体表面(金属、陶瓷、矿石、腐蚀物、薄膜等)。

尺寸：平直表面样品或颗粒汾末样品最大尺寸是2×1×0.5cm，最小尺寸由探针束的尺寸决定，一般是0.05cm。

leis低能离子散射谱
低能离子散射谱是指当能量较低的离子与固体表面相互作用时产生的散射现象。

这种散射过程可以提供有关物质表面和表面下结构的重要信息。

以下从几个角度来解释低能离子散射谱：
1. 原理，低能离子散射谱是通过将能量较低的离子轰击固体表面，然后测量散射出的离子能量和角度分布来获得表面和表面下结构信息的一种实验手段。

当离子与固体表面相互作用时，会发生散射现象，根据散射出的离子能量和角度分布可以推断出固体表面的结构信息。

2. 应用，低能离子散射谱在材料科学、表面物理学和固体表征等领域有着广泛的应用。

通过分析离子散射谱，可以了解固体表面的晶体结构、原子排列、表面缺陷和吸附物种等信息，对材料的表征和研究具有重要意义。

3. 技术，低能离子散射谱技术包括离子能量分析、离子角度分析和散射事件的统计分析等步骤。

在实验上，需要使用离子束和能量分析器来进行实验测量，并通过数据处理和分析来得到离子散射谱。

4. 发展，随着科学技术的发展，低能离子散射谱已经衍生出多
种变种技术，如反射高能电子衍射（RHEED）、低能电子衍射（LEED）等，这些技术在固体表面和薄膜研究中得到了广泛应用。

总的来说，低能离子散射谱作为一种重要的固体表面分析手段，对于研究材料的表面和界面结构具有重要意义，其在材料科学、表
面物理学和固体表征领域有着广泛的应用前景。

低能Li~+、Na~+离子在高功函金属表面散射电荷交换的理论研
究
离子在金属表面散射的电荷交换作为表面科学研究的重要组成部分,在基础研究及实际应用中都发挥着重要的作用。

它对散射离子的电荷态起着重要的作用,并且被用于探测表面电子结构。

另一方面,化学反应、电子发射和表面特性等都与之息息相关。

这些都让我们有足够的动力开展相关的理论与实验研究。

由于表面探测技术常选择碱金属离子作为表面灵敏、定量分析的探针,因此碱金属离子与固体的电荷交换决定了表面探测技术定量分析的准确度。

近期,在碱金属离子与高功函金属表面散射实验中,发现中性份额偏高,且随出射能量(垂直出射速度)和出射角度呈非单调依赖关系。

这种有效的中性化现象不能被传统的自由电子气模型解释,这让我们对离子-金属表面间的电荷交换机理产生了新的思考,促使我们对其进行了更深入的理论研究。

本文用平行速度效应和能级下移两种物理因素对Brako-Newns(BN)模型进行改进,研究了与速度和出射角相关的中性份额。

我们的计算结果指出:(1)尽管我们的表面电子结构不同,入射离子也不同,非单调的能量依赖和角度依赖的本质是相同的;(2)在较短的离子表面距离下,原子能级下移到费米能级之下是导致大出射能量(或出射角)时的高中性份额的原因,而在较小的出射能量(或出射角)时,高中性份额与远距离的中性化作用有关,但具体原因尚未可知;(3)较大的平行速度可以增强中性化作用。

平行速度效应相当于减小金属表面的功函或增大碱金属离子最外层电子的结合能,从而导致费米能级与原子能级在近距离处的交叉距离增加,进而影响最终的中性份额。

低能x线与物质的相互作用低能X射线是一种电磁辐射，具有较低的能量和频率。

当低能X射线与物质相互作用时，会产生一系列的现象和效应。

本文将从不同角度探讨低能X射线与物质的相互作用。

低能X射线与物质的相互作用主要包括散射和吸收。

散射是指当低能X射线穿过物质时，其方向的改变。

这种散射分为两种类型：弹性散射和非弹性散射。

弹性散射是指低能X射线与物质中的原子或分子发生碰撞后，能量和动量守恒，射线的能量不会改变。

而非弹性散射则是指射线与物质中的原子或分子发生碰撞后，能量和动量不守恒，导致射线的能量发生变化。

低能X射线与物质的相互作用还包括电离和激发。

电离是指低能X 射线与物质中的原子或分子相互作用，使得物质中的电子脱离原子或分子，形成正离子和自由电子。

这种电离作用可以用来测量物质的成分和结构。

激发是指低能X射线与物质中的原子或分子相互作用，使得原子或分子中的电子跃迁到较高能级，形成激发态。

激发态的原子或分子会发出特定能量的辐射，用于分析物质的性质和结构。

低能X射线与物质的相互作用还表现为衍射和干涉效应。

衍射是指低能X射线通过物质的缝隙或晶格结构时，射线会偏离原来的直线传播路径，形成衍射图样。

这种衍射现象常用于研究物质的晶体结构和缺陷。

干涉是指低能X射线通过物质时，射线会与其他射线相互干涉，形成干涉条纹。

这种干涉现象可用于研究物质的厚度和薄膜的性质。

低能X射线与物质的相互作用还涉及能量吸收和散射强度的测量。

根据物质对低能X射线的吸收和散射能力不同，可以测量物质的成分和密度。

通过测量低能X射线的吸收和散射强度，可以得到物质的衰减系数和散射截面，从而分析物质的性质和结构。

低能X射线与物质的相互作用还可以应用于医学诊断和材料检测等领域。

在医学诊断中，低能X射线被用于X射线摄影和CT扫描等影像学技术，用于检测人体内部的病变和异常。

在材料检测中，低能X射线被用于无损检测和材料分析，用于检测材料的缺陷和成分。

低能X射线与物质的相互作用涉及散射、吸收、电离、激发、衍射、干涉等现象和效应。