什么是表面分析?

什么是表面分析?

[拼音]：biaomian fenxi

[外文]：surface analysis

对固体表面或界面上只有几个原子层厚的薄层进行组分、结构和能态等分析的材料物理试验。表面分析方法有数十种，常用的有离子探针、俄歇电子能谱分析和X射线光电子能谱分析，其次还有离子中和谱、离子散射谱、低能电子衍射、电子能量损失谱、紫外线电子能谱等技术，以及场离子显微镜分析等。这些表面分析方法的基本原理，大多是以一定能量的电子、离子、光子等与固体表面相互作用，然后分析固体表面所放射出的电子、离子、光子等，从而得到有关的各种信息。

离子探针分析

又称离子探针显微分析。它是利用电子光学方法将某些惰性气体或氧的离子加速并聚焦成细小的高能离子束来轰击试样表面，使之激发和溅射出二次离子，用质谱仪对具有不同质荷比(质量／电荷)的离子进行分离，以检测在几个原子深度、数微米范围内的微区的全部元素，并可确定同位素。它的检测灵敏度高于电子探针(见电子探针分析)，对超轻元素特别灵敏，可检测 10-19 克的痕量元素，其相对灵敏度达 10-6～10-9。分析速度快，可方便地获得元素的平面分布图像。还可利用离子溅射效应分析表面下数微米深度内的元素分布。但离子探针定量分析方法尚不成熟。

1938年就有人进行过离子与固体相互作用方面的研究，但直到60年代才开始生产实用的离子探针分析仪。离子探针分析仪的基本部件包括真空系统、离子源、一次离子聚焦光学系统、质谱仪、探测和图像显示系统、样品室等。离子探针适用于超轻元素、微量和痕量元素的分析以及同位素的鉴定。广泛应用于金属材料的氧化、腐蚀、扩散、析出等问题的研究，特别是材料氢脆现象的研究，以及表面镀层和渗层等的分析。

俄歇电子能谱分析

用电子束 （或X射线）轰击试样表面，使其表面原子内层能级上的电子被击出而形成空穴，较高能级上的电子填补空穴并释放出能量，这一能量再传递给另一电子，使之逸出，最后这个电子称为俄歇电子。1925年法国的P.V.俄歇首先发现并解释了这种二次电子，后来被人们称为俄歇电子，但直到1967年俄歇电子能谱技术才用于研究金属问题。通过能量分析器和检测系统来检测俄歇电子能量和强度，可获得有关表面层化学成分的定性和定量信息，以及化学状态、电子态等情况。在适当的实验条件下，该方法对试样无破坏作用，可分析试样表面内几个原子层深度、数微米区域内除氢和氦以外的所有元素，对轻元素和超轻元素很灵敏。检测的相对灵敏度因元素而异，一般为万分之一到千分之一。绝对灵敏度达10-3单层（1个单层相当于每平方厘米约有1015个原子），相当于约10-16～10-14克。可方便而快速地进行点、线、面元素分析以及部分元素的化学状态分析。结合离子溅射技术，可得到元素沿深度方向的分布。

俄歇电子能谱仪器的结构主要包括真空系统、激发源和电子光学系统、能量分析器和检测记录系统、试验室和样品台、离子q等。

俄歇电子能谱分析在机械工业中主要用于金属材料的氧化、腐蚀、摩擦、磨损和润滑特性等的研究和合金元素及杂质元素的扩散或偏析、表面处理工艺及复合材料的粘结性等问题的研究。

X射线光电子能谱分析

以一定能量的X射线辐照气体分子或固体表面，发射出的光电子的动能与该电子原来所在的能级有关，记录并分析这些光电子能量可得到元素种类、化学状态和电荷分布等方面的信息。这种非破坏性分析方法，不仅可以分析导体、半导体，还可分析绝缘体。除氢以外所有元素都能检测。虽然检测灵敏度不高，仅达千分之一左右，但绝对灵敏度可达2×10-3单层。

这种分析技术是由瑞典的K.瑟巴教授及其合作者建立起来的。1954年便开始了研究，起初称为化学分析用电子能谱(简称ESCA)，后普遍称为X射线光电子能谱（简称XPS）。主要包括：真空系统、X射线源、能量分析器和检测记录系统、试验室和样品台等。这种分析方法已广泛用于鉴定材料表面吸附元素种类，腐蚀初期和腐蚀进行状态时的腐蚀产物、表面沉积等；研究摩擦副之间的物质转移、粘着、磨损和润滑特性；探讨复合材料表面和界面特征；鉴定工程塑料制品等。

参考书目

染野 檀、安盛岩雄编，郑伟谋译：《表面分析》，科学出版社，北京，1980。