對(duì)固體表面或界面上只有幾個(gè)原子層厚的薄層進(jìn)行組分﹑結(jié)構(gòu)和能態(tài)等分析的材料物理試驗(yàn)。表面分析方法有數(shù)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(shù)﹐以及場(chǎng)離子顯微鏡分析等。這些表面分析方法的基本原理﹐大多是以一定能量的電子﹑離子﹑光子等與固體表面相互作用﹐然后分析固體表面所放射出的電子﹑離子﹑光子等﹐從而得到有關(guān)的各種信息。
離子探針?lè)治?又稱離子探針顯微分析。它是利用電子光學(xué)方法將某些惰性氣體或氧的離子加速并聚焦成細(xì)小的高能離子束來(lái)轟擊試樣表面﹐使之激發(fā)和濺射出二次離子﹐用質(zhì)譜儀對(duì)具有不同質(zhì)荷比(質(zhì)量/電荷)的離子進(jìn)行分離﹐以檢測(cè)在幾個(gè)原子深度﹑數(shù)微米范圍內(nèi)的微區(qū)的全部元素﹐并可確定同位素。它的檢測(cè)靈敏度高於電子探針(見(jiàn)電子探針?lè)治?﹐對(duì)超輕元素特別靈敏﹐可檢測(cè) 10-19 克的痕量元素﹐其相對(duì)靈敏度達(dá) 10-6～10-9。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(yīng)分析表面下數(shù)微米深度內(nèi)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(jìn)行過(guò)離子與固體相互作用方面的研究﹐但直到60年代才開(kāi)始生產(chǎn)實(shí)用的離子探針?lè)治鰞x。離子探針?lè)治鰞x的基本部件包括真空系統(tǒng)﹑離子源﹑一次離子聚焦光學(xué)系統(tǒng)﹑質(zhì)譜儀﹑探測(cè)和圖像顯示系統(tǒng)﹑樣品室等。離子探針適用於超輕元素﹑微量和痕量元素的分析以及同位素的鑑定。廣泛應(yīng)用於金屬材料的氧化﹑腐蝕﹑擴(kuò)散﹑析出等問(wèn)題的研究﹐特別是材料氫脆現(xiàn)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 用電子束 (或X射線)轟擊試樣表面﹐使其表面原子內(nèi)層能級(jí)上的電子被擊出而形成空穴﹐較高能級(jí)上的電子填補(bǔ)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(gè)電子稱為俄歇電子。1925年法國(guó)的P.V.俄歇首先發(fā)現(xiàn)并解釋了這種二次電子﹐后來(lái)被人們稱為俄歇電子﹐但直到1967年俄歇電子能譜技術(shù)才用於研究金屬問(wèn)題。通過(guò)能量分析器和檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)俄歇電子能量和強(qiáng)度﹐可獲得有關(guān)表面層化學(xué)成分的定性和定量信息﹐以及化學(xué)狀態(tài)﹑電子態(tài)等情況。在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下﹐該方法對(duì)試樣無(wú)破壞作用﹐可分析試樣表面內(nèi)幾個(gè)原子層深度﹑數(shù)微米區(qū)域內(nèi)除氫和氦以外的所有元素﹐對(duì)輕元素和超輕元素很靈敏。檢測(cè)的相對(duì)靈敏度因元素而異﹐一般為萬(wàn)分之一到千分之一。絕對(duì)靈敏度達(dá)10-3單層(1個(gè)單層相當(dāng)於每平方厘米約有1015個(gè)原子)﹐相當(dāng)於約10-16～10-14克。可方便而快速地進(jìn)行點(diǎn)﹑線﹑面元素分析以及部分元素的化學(xué)狀態(tài)分析。結(jié)合離子濺射技術(shù)﹐可得到元素沿深度方向的分布。
俄歇電子能譜儀器的結(jié)構(gòu)主要包括真空系統(tǒng)﹑激發(fā)源和電子光學(xué)系統(tǒng)﹑能量分析器和檢測(cè)記錄系統(tǒng)﹑試驗(yàn)室和樣品臺(tái)﹑離子槍等。
俄歇電子能譜分析在機(jī)械工業(yè)中主要用於金屬材料的氧化﹑腐蝕﹑摩擦﹑磨損和潤(rùn)滑特性等的研究和合金元素及雜質(zhì)元素的擴(kuò)散或偏析﹑表面處理工藝及復(fù)合材料的黏結(jié)性等問(wèn)題的研究。
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(fā)射出的光電子的動(dòng)能與該電子原來(lái)所在的能級(jí)有關(guān)﹐記錄并分析這些光電子能量可得到元素種類﹑化學(xué)狀態(tài)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(dǎo)體﹑半導(dǎo)體﹐還可分析絕緣體。除氫以外所有元素都能檢測(cè)。雖然檢測(cè)靈敏度不高﹐僅達(dá)千分之一左右﹐但絕對(duì)靈敏度可達(dá)2×10-3單層。
這種分析技術(shù)是由瑞典的K.瑟巴教授及其合作者建立起來(lái)的。1954年便開(kāi)始了研究﹐起初稱為化學(xué)分析用電子能譜(簡(jiǎn)稱ESCA)﹐后普遍稱為X射線光電子能譜(簡(jiǎn)稱XPS)。主要包括﹕真空系統(tǒng)﹑X射線源﹑能量分析器和檢測(cè)記錄系統(tǒng)﹑試驗(yàn)室和樣品臺(tái)等。這種分析方法已廣泛用於鑑定材料表面吸附元素種類﹐腐蝕初期和腐蝕進(jìn)行狀態(tài)時(shí)的腐蝕產(chǎn)物﹑表面沉積等﹔研究摩擦副之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移﹑黏著﹑磨損和潤(rùn)滑特性﹔探討復(fù)合材料表面和界面特徵﹔鑑定工程塑料製品等。
