表面分析技术

表面分析技术是一种统称，指利用电子、光子、离子、原子、强电场、热能等与固体表面的相互作用，测量从表面散射或发射的电子、光子、离子、原子、分子的能谱、光谱、质谱、空间分布或衍射图像，得到表面成分、表面结构、表面电子态及表面物理化学过程等信息的各种技术

技术简介

surface analysis techniques

射装置，能提供能量从红外到硬X 射线区域内连续可调的偏振度高和单色性好的强辐射源，又大大增强了光（致）发射电子能谱用于研究固体表面电子态的能力,开发了光电子衍射和表面X射线吸收边精细结构。此外，电子顺磁共振、红外反射、增强喇曼散射、穆斯堡尔谱学、非弹性电子隧道谱、椭圆偏振等，也用于某些表面分析场合，一些主要的表面分析技术的物理过程和特点如下表所示。

研究现状

各种技术的表面灵敏度并不相同，单一技术只得到表面某一方面的信息。为了对固体表面进行较全面的分析，常采用同时配置几种表面分析技术的多功能装置。目前，各种表面分析技术的定量化尚待逐步完善。

分类

低能电子衍射（LEED）

将能量在10～500电子伏范围内的低能电子束入射到待研究表面，这种低能电子的德布罗意波长（见波粒二象性）与表面原子的间距有相似数量级，表面的点阵结构对入射电子束能产生衍射作用。由于入射电子能量低，只有表面层内的原子才对入射电子起散射作用，而且散射截面很大。用荧光屏观察背向衍射束斑的分布，可得有关表面原胞的几何信息。另一方面，对任一衍射束，其束斑强度随电子束的能量（或电子波长）而变，这种变化关系可用I-V曲线表示出来（I为表征衍射束强度的电流 ，V为入射电子束的加速电压），该曲线称为低能电子衍射谱。LEED谱与表面原子的种类及其空间结构有关。LEED一直是最为有效的表面结构分析手段。

反射高能电子衍射（RHEED）

用高能电子束（10千电子伏量级）向待研究表面掠入射，在其反射方向探测和分析衍射束，从而得到关于表面结构的几何信息。

俄歇电子谱（AES）

以能量约为数千电子伏的电子束入射到晶体表面，把处于原子K壳层（见原子壳层结构）上的电子电离并留下一个空位。L壳层上的电子向下跃迁填补这个空位，同时释放出多余能量。这个跃迁过程可能是无辐射跃迁，所释放出的能量使壳层 L2,3 上的电子激发成自由态，这种二次电子称为俄歇电子(见图)。上述过程称为俄歇过程，由法国物理学家P.-V.俄歇于1925 年发现。俄歇电子数按能量的统计分布称俄歇电子谱，每种元素有各自的特征俄歇电子谱，故可用来决定化学成分。俄歇电子谱常被用来分析和鉴定固体表面的吸附层、杂质偏析及催化机制研究等。

光电子能谱（XPS或UPS）

用X射线或紫外线入射到固 体表面，表面原子的内层电子吸收入射光子的能量后逸出表面成为自由电子，这实际上是一种光电效应。光电子可来源于原子的不同壳层，其动能包含了原子内层电子所处能量状态的信息。光电子数按其动能的统计分布称光电子能谱，它携带了原子内有关电子状态的丰富信息。利用光电子能谱可判别表面原子的种类和决定表面电子态。根据入射光子的波长可分为X射线光电子能谱（XPS）和紫外线光电子能谱（UPS）两类。自同步辐射源出现后，光电子能谱分析法更得到了迅速发展。

出现电势谱（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。

能量损失谱（ELS）

以数百电子伏的电子束入射到表面，由于入射电子与表层内各种元激发（见固体物理学）的相互作用而引起能量损失，这种能量损失携带了各类元激发的有关信息。利用能量损失谱可获得关于表面原子振动模式、等离子振荡、能带间跃迁等多方面的信息。

离子中和谱（INS）

当正离子接近固体表面时，固体内的电子可借助于隧道效应穿越表面势垒跃入正离子的空电子态而使正离子中和。此过程所释放的能量可将固体中其他电子激发到自由空间。分析这些发射出来的电子的能量分布可了解表面电子态的分布，以及确定由于吸附外来原子而引起的表面电子态的变化等。隧道效应只发生在表面的单原子层，故INS是各种谱代中取样深度最浅的一种。

二次离子谱（SINS）

以能量为103电子伏的惰性气体离子轰击表面，再用质谱仪分析从表面溅射出来的二次离子，就可确定表面成分，SINS具有极高的分析灵敏度。

扫描隧道显微镜（STM）

以很细的金属探针接近固体表面时，固体中的电子借助于隧道效应克服表面势垒到达探针，从而形成隧道电流。隧道电流的大小取决于针尖至表面原子的距离，距离近时电流大，距离远时电流小。令探针在固体表面上扫描，扫描时针尖与表面间保持一极小的距离，根据隧道电流的变化就可显示出表面层中的原子排列情况 。STM的最大优点是不需任何外来粒子束或射线束，因而不会破坏样品表面，也不存在由于入射线的波动性而造成的对分辨率的限制。STM是新发展起来的能直接观察表面结构的新技术。