表面分析技術是一種統稱，指利用電子、光子、離子、原子、強電場、熱能等與固體表面的相互作用，測量從表面散射或發射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、光譜、質譜、空間分布或衍射圖像，得到表面成分、表面結構、表面電子態及表面物理化學過程等信息的各種技術
基本介紹
- 中文名：表面分析技術
- 外文名：surface analysis techniques
- 原理：利用電子、光子等與固體相互作用
- 首創時間：20世紀60年代
- 分類：9種
- 主要技術：電子態及表面物理化學信息的技術
技術簡介,研究現狀,分類,
技術簡介
surface analysis techniques
利用電子、光子、離子、原子、強電場、熱能等與固體表面的相互作用，測量從表面散射或發射的電子、光子、離子、原子、分子的能譜、光譜、質譜、空間分布或衍射圖像，得到表面成分、表面結構、表面電子態及表面物理化學過程等信息的各種技術，統稱為表面分析技術。在20世紀60年代超高真空和高分辨高靈敏電子測量技術建立和發展的基礎上，已開發了數十種表面分析技術，其中主要有場致發射顯微技術、電子能譜、電子衍射、離子質譜、離子和原子散射以及各種脫附譜等類。70年代後期建立的同步輻射裝置，能提供能量從紅外到硬X 射線區域內連續可調的偏振度高和單色性好的強輻射源，又大大增強了光（致）發射電子能譜用於研究固體表面電子態的能力,開發了光電子衍射和表面X射線吸收邊精細結構。此外，電子順磁共振、紅外反射、增強喇曼散射、穆斯堡爾譜學、非彈性電子隧道譜、橢圓偏振等，也用於某些表面分析場合，一些主要的表面分析技術的物理過程和特點如下表所示。
研究現狀
各種技術的表面靈敏度並不相同，單一技術只得到表面某一方面的信息。為了對固體表面進行較全面的分析，常採用同時配置幾種表面分析技術的多功能裝置。目前，各種表面分析技術的定量化尚待逐步完善。
分類
低能電子衍射（LEED）
將能量在10～500電子伏範圍內的低能電子束入射到待研究表面，這種低能電子的德布羅意波長（見波粒二象性）與表面原子的間距有相似數量級，表面的點陣結構對入射電子束能產生衍射作用。由於入射電子能量低，只有表面層內的原子才對入射電子起散射作用，而且散射截面很大。用螢光屏觀察背向衍射束斑的分布，可得有關表面原胞的幾何信息。另一方面，對任一衍射束，其束斑強度隨電子束的能量（或電子波長）而變，這種變化關係可用I-V曲線表示出來（I為表征衍射束強度的電流 ，V為入射電子束的加速電壓），該曲線稱為低能電子衍射譜。LEED譜與表面原子的種類及其空間結構有關。LEED一直是最為有效的表面結構分析手段。
反射高能電子衍射（RHEED）
用高能電子束（10千電子伏量級）向待研究表面掠入射，在其反射方向探測和分析衍射束，從而得到關於表面結構的幾何信息。
俄歇電子譜（AES）
以能量約為數千電子伏的電子束入射到晶體表面，把處於原子K殼層（見原子殼層結構）上的電子電離並留下一個空位。L殼層上的電子向下躍遷填補這個空位，同時釋放出多餘能量。這個躍遷過程可能是無輻射躍遷，所釋放出的能量使殼層 L2,3 上的電子激發成自由態，這種二次電子稱為俄歇電子(見圖)。上述過程稱為俄歇過程，由法國物理學家P.-V.俄歇於1925 年發現。俄歇電子數按能量的統計分布稱俄歇電子譜，每種元素有各自的特徵俄歇電子譜，故可用來決定化學成分。俄歇電子譜常被用來分析和鑑定固體表面的吸附層、雜質偏析及催化機制研究等。
光電子能譜（XPS或UPS）
用X射線或紫外線入射到固 體表面，表面原子的內層電子吸收入射光子的能量後逸出表面成為自由電子，這實際上是一種光電效應。光電子可來源於原子的不同殼層，其動能包含了原子內層電子所處能量狀態的信息。光電子數按其動能的統計分布稱光電子能譜，它攜帶了原子內有關電子狀態的豐富信息。利用光電子能譜可判別表面原子的種類和決定表面電子態。根據入射光子的波長可分為X射線光電子能譜（XPS）和紫外線光電子能譜（UPS）兩類。自同步輻射源出現後，光電子能譜分析法更得到了迅速發展。
出現電勢譜（APS）
以一定能量的電子束入射到固體表面，入射電子使原子的內層電子激發而出現空位，測量產生空位所需的最低能量（對應入射電子的最低加速電勢）。空位的產生可通過填補這個空位所涉及的俄歇過程或發射軟 X射線過程來探測 ，前者稱俄歇出現電勢譜，後者稱軟X射線出現電勢譜 。俄歇電子或軟X光子的能量與原子的殼層結構有關，並因元素而異，故利用出現電勢譜可鑑別原子種類。
能量損失譜（ELS）
以數百電子伏的電子束入射到表面，由於入射電子與表層內各種元激發（見固體物理學）的相互作用而引起能量損失，這種能量損失攜帶了各類元激發的有關信息。利用能量損失譜可獲得關於表面原子振動模式、等離子振盪、能帶間躍遷等多方面的信息。
離子中和譜（INS）
當正離子接近固體表面時，固體內的電子可藉助於隧道效應穿越表面勢壘躍入正離子的空電子態而使正離子中和。此過程所釋放的能量可將固體中其他電子激發到自由空間。分析這些發射出來的電子的能量分布可了解表面電子態的分布，以及確定由於吸附外來原子而引起的表面電子態的變化等。隧道效應只發生在表面的單原子層，故INS是各種譜代中取樣深度最淺的一種。
二次離子譜（SINS）
以能量為103電子伏的惰性氣體離子轟擊表面，再用質譜儀分析從表面濺射出來的二次離子，就可確定表面成分，SINS具有極高的分析靈敏度。
掃描隧道顯微鏡（STM）
以很細的金屬探針接近固體表面時，固體中的電子藉助於隧道效應克服表面勢壘到達探針，從而形成隧道電流。隧道電流的大小取決於針尖至表面原子的距離，距離近時電流大，距離遠時電流小。令探針在固體表面上掃描，掃描時針尖與表面間保持一極小的距離，根據隧道電流的變化就可顯示出表面層中的原子排列情況 。STM的最大優點是不需任何外來粒子束或射線束，因而不會破壞樣品表面，也不存在由於入射線的波動性而造成的對解析度的限制。STM是新發展起來的能直接觀察表面結構的新技術。
