§3.1 薄膜材料的表征技术

3.1.1 主要表征方法和用途

为得到纳米薄膜材料的原子结构，可以采用X射线衍射（X-ray diffraction，简称XRD）、低能电子衍射（low-energy electron diffraction，简称LEED）、扫描电子显微镜（scanning electron microscope，简称SEM）、扫描隧道显微镜（scanning tunnelling microscope，简称STM）、原子力显微镜（atomic force microscope，简称AFM）、TEM等手段，获知薄膜材料中原子排列是否有序.若有序，是长程有序还是短程有序？若是长程有序，它的晶格点阵和晶面间距是如何的？这些可以通过分析衍射信息得到.若想知道薄膜材料的原子结构形貌像，可以利用各类显微镜获得.

要想知道纳米薄膜材料的成分组成情况，可以采用X射线光电子能谱学（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）、俄歇电子能谱学（Auger electron spectroscopy，简称AES）、出现电势能谱学（appearance potential spectroscopy，简称APS）等手段，使材料受到外界粒子（电子或光子）的轰击而发射电子，通过分析这些电子所带有的能量信息，来确定材料由什么元素组成.通过分析能谱图中谱线的化学位移或物理位移，还能知道更多各元素间相互结合的情况.

纳米薄膜材料的表征除需要研究原子结构外，还要研究其电子结构.电子结构又分能带结构和电子态等，这些研究可以利用紫外光电子能谱学（ultraviolet photoelectron spectroscopy，简称UPS）、角分解光电子能谱学（angular resolved photoelectron spectroscopy，简称ARPES）、拉曼（Raman）散射谱等手段来进行.

对材料的原子结构、电子结构和成分而言表征手段是多样的，究竟选择哪种表征手段最为合适，要视纳米薄膜材料本身的情况而定.例如，如果纳米薄膜材料的导电性不好，想要获得原子像可以选用原子力显微镜；如果纳米薄膜材料在事先（即已经完成薄膜制备）没有制作好透射电子显微镜的样品，而后来想知道此材料的原子结构形貌像，那么可以选用扫描电子显微镜或扫描隧道显微镜.

一台表征分析设备往往具有多种功能.例如，透射电子显微镜同时具有电子衍射的功能；扫描电子显微镜往往可以同时通过次级电子发射的能量分析来判断样品的成分组成；有的低能电子衍射设备同时具有俄歇电子能谱仪的功能.

表征设备中的探测源可以是电子束、光子束、离子束或中性粒子.设备中的附加环境可能涉及电场、磁场、超高真空等，有时也需要提供温度（加热或低温）环境.

常用的纳米薄膜材料表征分析方法的名称及主要用途见表3-1.

表3-1 常用的纳米薄膜材料表征分析方法名称及主要用途

3.1.2 入射粒子与固体表面的相互作用

当入射粒子［如电子、离子、光子（电磁波）等］与固体（材料）表面相互作用后，可产生其自身的透射、散射、反向散射，也可产生材料的电子、离子、光电子、光子等的发射，如图3-1所示.

图3-1 入射粒子与固体表面相互作用的模式图

入射粒子通过与固体（材料）的相互作用而发生的散射可分为以下两种：

（1）弹性散射：入射粒子和散射粒子的总能量在散射前后是守恒的，它们只是改变了运动方向.

（2）非弹性散射：入射粒子和散射粒子的总能量在散射前后是不守恒的，总能量的一部分转变为其他能量形式，例如激发出材料内部的电子或引起材料的晶格振动等.

一般情况，若入射粒子速度u_p大于材料内部电子轨道运动速度u_e，则以非弹性散射为主；若u_pu_e，则以弹性散射为主^［1］.在俄歇电子能谱和X射线光电子能谱中，可以认为非弹性散射是主要的.

在能量为100～10 000 eV的入射电子作用下，材料中被激发出的次级电子逸出深度约为0.5～3 nm^［2］，也就是说，在这个入射电子能量范围所进行的分析是材料表面分析.高能电子或离子入射材料，其激发的深度较深，波及的范围也较大，它可以产生联级效应，除材料表面分析所需要的信息外，还带有材料体内的信息.