卢瑟福背散射(RBS)在材料表征中的应用

材料表征中卢瑟福背散射表征手段的原理及运用

卢瑟福背散射能谱分析

材料表征中卢瑟福背散射表征手段的原理及运用

卢瑟福背散射能谱分析Ernest Rutherford 1908年诺贝尔化学奖 30 August 1871 – 19 October 1937

材料表征中卢瑟福背散射表征手段的原理及运用

卢瑟福背散射能谱分析卢瑟福背散射（ 卢 福背散射 Rutherford Backscattering Spectrometry，简称RBS）的理论 简称 的 论 基础是入射离子与靶原子核之间的大角度库仑散射。入射离子一般用MeV量 级的 粒子，。 （1）入射离子与靶原子核发生弹性碰撞，损失一些能量，通过对散射离子 的能量的测定可定性确定靶原子的质量； （2）发生碰撞时，靶的原子浓度和散射截面决定了散射离子的产额，测定 散射离子的产额可确定靶的原子浓度； （3）入射离子在散射前、后穿透靶物质要损失一些能量，测定散射离子的 能谱，可以确定靶原子沿着深度的分布。 离子能量低于靶原子发生核反应阈能条件下，入射离子和靶原子核之间发 生弹性碰撞而被散射。通过测定散射离子的能谱，即可对样品中所含元素 作定性、定量和深度分析。散射还与晶体的好坏有关，通过测定沟道谱可 以对样品的晶体性进行判断，进行缺陷测定等等。

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卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速 装置 离子束筛选装置 聚焦装 装置、离子束筛选装置、聚焦装 置、样品室、探测器等等。 离子束产生后经过加速、筛选和 聚焦后达到样品上被散射，经过 探测器得到RBS能谱。

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卢瑟福背散射能谱分析RBS分析设备包括离子源、加速 装置 离子束筛选装置 聚焦装 装置、离子束筛选装置、聚焦装 置、样品室、探测器等等。 离子束产生后经过加速、筛选和 聚焦后达到样品上被散射，经过 探测器得到RBS能谱。

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卢瑟福背散射能谱分析RBS analysis of a thin GaAs layer on a Si substrate, by alpha particles with an energy of f typically ll 2‐3 MeV. The h energy of f backscattered b k d particles l determine d the mass of the target atom. Particles scattered from below the surface lose energy at a measurable rate; hence the energy scale yields the depth of the scattering of the particle. The peak width of the Ga or As signal is proportional to the areal density or thickness of the GaAs film.

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卢瑟福背散射能谱分析RBS分析的优点： 1、提供深度信息。可以提供成分和深度的信息。一般的深度分析分 辨率为 150 Å左右；比较精细的分析包括细致的样品和探测器准直 可以达到 50 Å的分辨率 Å的分辨率。 2、比较适合于薄膜分析。RBS对于薄膜分析非常有用，可以程序化 地分析厚度在微米 纳米级的薄膜 地分析厚度在微米－纳米级的薄膜。 3、快速分析。一般情况下，RBS分析可以在10分钟左右完成。 4、高灵敏度。RBS 对于重元素非常敏感，可以精确测定单层薄膜的 信息；对于轻元素敏感度差一些。 5、计算简单。RBS能谱比较容易解释。目前各种计算和模拟软件都 比较成熟。如：RUMP、Simnra等等。 较成熟 如 等等

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卢瑟福背散射能谱分析的原理与RBS分析有关的几个物理概念： （1）描述背散射离子的能量与靶原子质量数、入射离子质量 数 数、入射离子的能量和入射角度之间的关系的运动学因子K， 射离子 能 射角度 关 动学 子 与定性分析有关； （2）描述在某一个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率 （2）描述在某 个散射角度上入射离子被靶原子散射的几率 的散射截面 ，它决定于入射离子的靶原子的原子序数、质 量数、入射离子的能量和入射角度等，是定量分析的基础。 （3）入射离子和散射离子的能量损失 （4）阻止截面（阻止本领）和布拉格定律 阻止截面的引入是因为入射离子或者散射离子在具体的靶 中能量损失难以查到。阻止本领可以用来解释离子能量的损 失，也是深度分析的基础。

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1、运动学因子 运动学因子KRBS 分析的理论基础是入射离子与靶原子核之间的大 角度弹性散射，是中心力场中的经典散射过程。利用 弹性碰撞理论：体系的动量和能量守恒，得到下式：K称为运动学因子从上式可以看出：动力学因子K只是与入射离子和靶 原子核的质量以及散射角度 有关。 在实验中，E0，Mp和 都是可以测定的，为已知量。 因此，只要测定了E1即可确定Mr。这是进行定性分析 的基本原理。

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1、运动学因子 运动学因子K定性分析的质量分辨率 定性分析的质量分辨率： K称为运动学因子动力学因子K在入射 角度为180o时与靶原 子质量的关系（入射 离子为 粒子）。从右图中可以看出，随着靶的原子质量 的增加，dK/dMr逐渐减小。这说明，利 用RBS测定轻元素时，其质量分辨率高； 测定重元素时，其质量分辨率低。（注 意：探测器的能量分辨率，动力学因子 都对质量分辨率有影响）。

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1、运动学因子 运动学因子K定性分析的质量分辨率： K称为运动学因子 随着靶 子质 随着靶原子质量的增加，动力 增 动力 学因子的dK/dMr逐渐减小。这 说明，利用RBS测定轻元素时， 其质量分辨率高；测定重元素 时，其质量分辨率低。（注意： 探测器的能量分辨率，动力学 因子都对质量分辨率有影响）。质量分辨率决定于： （1）被原子序数相邻的靶原子散射的 离子的能量差值； （2）探测器本身的能量分辨率。 只有被两种不同的靶原子散射的离子的 能量差值大于探测器的能量分辨率时， 能量差值大于探测器的能量分辨率时 靶原子才能被分辨出来。所以，提高质量分辨率的方法 所以 提高质量分辨率的方法 有： 1、提高入射离子的能量； o附近； 2、将探测器固定在180 将探测器固定在 附近 3、使用质量较大的离子； 4、提高探测器的能量分辨率。

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1、运动学因子 运动学因子KK称为运动学因子 从上式可以看出：动力学因子K只 是与 射离 和靶原 核的质量以 是与入射离子和靶原子核的质量以 及散射角度 有关。 在实验中，E0，Mp和 都是可以测 定的 为已知量 因此 只要测定 定的，为已知量。因此，只要测定 了E1即可确定Mr。这是进行定性 分析的基本原理。 Left： Energy spectrum of helium ions scattered from surface atoms (full curve) and from atoms in a thin layer (dashed curve). 靶原子的质量越大，散射离子的 靶原子的质量越大 散射离子的 能量越大，产额也越高。 背散射离子的产额与什么有关呢？

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2、散射截面 散射截面 定量分析的基础－散射截面 定量分析的基础 散射截面 ： 假设Q为射到单元素薄靶上的入射离子总 数，d 为位于 散射角的探测器处的微分 立体角，dQ为探测器接收到的散射离子 数，N为靶原子的体积密度，t为靶的厚度， t为靶原子的面积密度即质量密度，定义 Nt 微分截面为： 在RBS分析中，探测器 分析中，探测器 …… 此处隐藏：3076字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……