導(dǎo)讀

材料表面的原子所受到的不平衡力場(chǎng)，使表面與內(nèi)部本體在結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成上有著顯著差異，因而具備*的性質(zhì)。如催化反應(yīng)往往由靠催化劑表面的原子或離子參與反應(yīng)，尤其目前較為熱門(mén)的單原子催化反應(yīng)，近年來(lái)屢登Science/Nature等期刊，因此表面單原子層的表征對(duì)于催化機(jī)理的闡述有著重要作用；此外，隨著納米科技的發(fā)展以及半導(dǎo)體集成電路對(duì)器件小型化的要求，對(duì)薄膜材料的制備提出了更高要求，因此ALD（原子層沉積）技術(shù)越來(lái)越受到研究者關(guān)注，表面單原子層的分析能夠輔助沉積效果的評(píng)價(jià)。

如何實(shí)現(xiàn)表面單原子層分析？

作為表面分析手段之一，XPS（X射線光電子能譜）技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，其檢測(cè)對(duì)象為被X射線激發(fā)出的光電子，分析深度取決于出射光電子的非彈性平均自由程，一般為~10 nm。今天，小編為大家介紹島津XPS儀器可配備的另一本領(lǐng)——ISS（離子散射譜）技術(shù)，其檢測(cè)對(duì)象為入射到材料表面并與原子發(fā)生彈性碰撞后被反彈的正離子，因此分析深度＜1 nm，為表面單原子層分析。下面小編帶您一起“觸及”表面!

島津AXIS Supra+儀器

離子散射過(guò)程

ISS技術(shù)入射源一般選用較輕的惰性氣體離子，比如氦離子，其原理如上動(dòng)畫(huà)所示，一束正離子射向表面，其中某些離子與表面上特定原子發(fā)生了簡(jiǎn)單的彈性碰撞，損失相應(yīng)的能量后被散射，在任意的固定散射角度θ下，能量損失僅僅依賴(lài)于表面原子的質(zhì)量，因此可以用于檢測(cè)表面單原子層的元素信息。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的彈性散射原理，各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)符合以下計(jì)算公式中的數(shù)學(xué)關(guān)系。

其中E0值可以用標(biāo)準(zhǔn)樣品（純金）進(jìn)行測(cè)量計(jì)算出來(lái)，因此可以由測(cè)得的散射離子能量E1進(jìn)行反推計(jì)算得到M2，即表面原子質(zhì)量，以判斷表面元素類(lèi)型。

ISS技術(shù)定性分析

XPS測(cè)試結(jié)果

在XPS分析時(shí)，通常首先對(duì)樣品進(jìn)行全譜定性測(cè)試，判斷表面元素組成，進(jìn)一步對(duì)目標(biāo)元素進(jìn)行精細(xì)譜測(cè)試分析得到某元素的化學(xué)態(tài)組成，如上圖所示，XPS譜峰往往具有較高的分辨率；ISS技術(shù)亦可實(shí)現(xiàn)材料表面＜1 nm深度的定性分析，如下圖為潔凈載玻片表面的ISS測(cè)試譜圖，可以看出表面單原子層主要由O、Na、Si、K、Ti和Zn等元素組成，多元素定性分析時(shí)ISS譜峰分辨率略遜色于XPS技術(shù)。但值得注意的是，針對(duì)不同目標(biāo)元素，如若選用合適的惰性氣體離子源（如Ne、Ar等），ISS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量分辨的同位素分析。

載玻片的ISS測(cè)試結(jié)果

ISS與XPS分析深度之差異

下圖為在Si片上通過(guò)ALD沉積制備Ti膜的XPS及ISS測(cè)試結(jié)果，由XPS結(jié)果可知，隨著沉積循環(huán)次數(shù)增加，Si基底信號(hào)逐漸減弱，沉積100個(gè)循環(huán)后仍能觀察到少量Si元素信號(hào)；ISS結(jié)果則表明在循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次后，Si元素便基本消失。此現(xiàn)象與兩種技術(shù)的分析深度相對(duì)應(yīng)，XPS分析深度~10 nm，而ISS技術(shù)則僅聚焦于表面單原子層。

Si片上原子層沉積制備Ti膜：XPS及ISS結(jié)果對(duì)比

結(jié)論

島津XPS儀器集多種本領(lǐng)于一身，可以實(shí)現(xiàn)多種功能附件的拓展。使用島津XPS可以輕松實(shí)現(xiàn)ISS功能拓展，完成材料表面單原子層的探測(cè)。目前ISS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于表面吸附、離子誘導(dǎo)解析及合金表面成分等研究中。小編此處提醒，由于該技術(shù)對(duì)表面十分敏感，因此務(wù)必保證材料表面的潔凈哦。