表面分析（四）

表面分析方法

表面分析方法有數十種，常用的有離子探針、俄歇電子能譜分析和X射線光電子能譜分析，其次還有離子中和譜、離子散射譜、低能電子衍射、電子能量損失譜、紫外線電子能譜等技術，以及場離子顯微鏡分析等。

離子探針分析

離子探針分析，又稱離子探針顯微分析。它是利用電子光學方法將某些惰性氣體或氧的離子加速并聚焦成細小的高能離子束來轟擊試樣表面，使之激發和濺射出二次離子，用質譜儀對具有不同質荷比（質量/電荷）的離子進行分離，以檢測在幾個原子深度、數微米范圍內的微區的全部元素，并可確定同位素。它的檢測靈敏度高于電子探針（見電子探針分析），對超輕元素特別靈敏，可檢測10^-10g的痕量元素，其相對靈敏度達 10^-10～10^-19g。分析速度快，可方便地獲得元素的平面分布圖像。還可利用離子濺射效應分析表面下數微米深度內的元素分布。但離子探針定量分析方法尚不成熟。

1938年就有人進行過離子與固體相互作用方面的研究，但直到60年代才開始生產實用的離子探針分析儀。離子探針分析儀的基本部件包括真空系統、離子源、一次離子聚焦光學系統、質譜儀、探測和圖像顯示系統、樣品室等。離子探針適用于超輕元素、微量和痕量元素的分析以及同位素的鑒定。廣泛應用于金屬材料的氧化、腐蝕、擴散、析出等問題的研究，特別是材料氫脆現象的研究，以及表面鍍層和滲層等的分析。

俄歇電子能譜分析

俄歇電子能譜分析， 用電子束 （或X射線）轟擊試樣表面，使其表面原子內層能級上的電子被擊出而形成空穴，較高能級上的電子填補空穴并釋放出能量，這一能量再傳遞給另一電子，使之逸出，最后這個電子稱為俄歇電子。1925年法國的P.V.俄歇首先發現并解釋了這種二次電子，后來被人們稱為俄歇電子，但直到1967年俄歇電子能譜技術才用于研究金屬問題。通過能量分析器和檢測系統來檢測俄歇電子能量和強度，可獲得有關表面層化學成分的定性和定量信息，以及化學狀態、電子態等情況。在適當的實驗條件下，該方法對試樣無破壞作用，可分析試樣表面內幾個原子層深度、數微米區域內除氫和氦以外的所有元素，對輕元素和超輕元素很靈敏。檢測的相對靈敏度因元素而異，一般為萬分之一到千分之一。絕對靈敏度達10^-4單層（1個單層相當于每平方厘米約有10²³個原子）。可方便而快速地進行點、線、面元素分析以及部分元素的化學狀態分析。結合離子濺射技術，可得到元素沿深度方向的分布。

俄歇電子能譜儀器的結構主要包括真空系統、激發源和電子光學系統、能量分析器和檢測記錄系統、試驗室和樣品臺、離子槍等。

俄歇電子能譜分析在機械工業中主要用于金屬材料的氧化、腐蝕、摩擦、磨損和潤滑特性等的研究和合金元素及雜質元素的擴散或偏析、表面處理工藝及復合材料的粘結性等問題的研究。

X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜分析，以一定能量的X射線輻照氣體分子或固體表面，發射出的光電子的動能與該電子原來所在的能級有關，記錄并分析這些光電子能量可得到元素種類、化學狀態和電荷分布等方面的信息。這種非破壞性分析方法，不僅可以分析導體、半導體，還可分析絕緣體。除氫以外所有元素都能檢測。雖然檢測靈敏度不高，僅達千分之一左右，但絕對靈敏度可達2×10^-3單層。

這種分析技術是由瑞典的K.瑟巴教授及其合作者建立起來的。1954年便開始了研究，起初稱為化學分析用電子能譜（簡稱ESCA），后普遍稱為X射線光電子能譜（簡稱XPS）。主要包括：真空系統、X射線源、能量分析器和檢測記錄系統、試驗室和樣品臺等。這種分析方法已廣泛用于鑒定材料表面吸附元素種類，腐蝕初期和腐蝕進行狀態時的腐蝕產物、表面沉積等；研究摩擦副之間的物質轉移、粘著、磨損和潤滑特性；探討復合材料表面和界面特征；鑒定工程塑料制品等。