弹性散射分析

弹性散射分析

伟大的物理学家卢瑟福，依靠他的天才和勤奋，创立了弹性散射分析方法，为以后科学的发展奠定了分析基础。卢瑟福在久享盛名的英国剑桥大学卡文迪许实验室工作期间，在向原子世界的进军过程中，曾几次创下了惊世的辉煌业绩。1896年放射性铀被贝克勒耳发现，这立即引起了卢瑟福的深切关注。他从与居里夫妇不同的角度研究放射性：不是着重研究哪些元素有放射性，而是致力于研究放射出来的射线到底是什么。没过多久，他于1899年在实验中发现铀放出的射线可以分做两部分，一部分可以穿透约0．02毫米厚的铝片，他取名叫α射线；另一部分穿透能力比较强，能穿透大约0．5毫米厚的铝片，取名叫β射线。α射线带正电荷，实际上是氦原子核；β射线带负电荷，实际上是电子束。后来又发现铀放射产物镭还放出穿透力更强的γ射线，γ射线的性质与X射线相似。卢瑟福和另一英国科学家索迪合作研究发现，有些放射性元素会变成另一种放射性元素。1902年，卢瑟福和索迪提出了解释放射性现象的元素蜕变假说。他们认为，放射性现象和一般化学反应不一样，不是原子之间结合方式的变化，而是原子本身发生了变化。一种原子放出α、β或γ射线，变成了另一种新的原子。卢瑟福的观点表明，原子不但是可以分割的，原子结构亦是十分复杂的。由于上述贡献，卢瑟福于1908年荣获诺贝尔化学奖。

卢瑟福没有就此停住向原子王国探索的脚步。他指导助手盖革和马斯登进行用α射线透射薄金属片的实验。

卢瑟福的α粒子散射实验不仅为人类的重大发现——原子核的存在提供了有力的依据，同时也成为近30年蓬勃发展和广泛应用的新型核分析技术——背散射分析和沟道技术的理论基础。为了纪念他，通常人们称大角度的弹性散射分析技术为卢瑟福背散射分析技术。

一、卢瑟福背散射与沟道分析原理

（一）背散射分析技术简介

带电粒子弹性散射分析，包括卢瑟福背散射谱（简称为RBS）分析和前向弹性反冲分析。自1967年背散射技术首次成功地用于月球土壤成分分析以来，已发展成十分成熟的核分析技术。

背散射分析方法简便、可靠，不需要对比标准样品就可得到定量的分析结果，不必用剥层办法破坏样品的宏观结构就能获得深度分布信息。

它是固体表面层元素成分、杂质含量和浓度分布分析，以及薄膜厚度、界面特性分析不可缺少的手段，与弹性反冲分析结合，能分析从轻到重的各种元素。背散射与沟道技术的组合应用还能给出晶体的微观结构、缺陷、损伤及其深度分布等信息。

近年来，背散射分析技术已成为许多科研院所、大学实验室和电子工业部门的一种常规分析手段。它在半导体材料、光电材料、金属材料，各种薄膜材料以及材料改性等研究领域中有着广泛的应用，对新材料、新器件的研制和新能源的开发起着推动作用。

（二）卢瑟福背散射分析原理

当一束具有一定能量的离子入射到靶物质时，大部分离子沿入射方向穿透进去，并与靶原子的电子碰撞逐渐损失其能量；只有小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射，即卢瑟福背散射。

探测这些背散射粒子，能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信息。一质量为m的带电粒子，以一定的能量E_o入射到靶上，与静止的靶原子M碰撞，发生了动量和能量的转移，入射粒子损失了能量向不同的角度散射。如果入射粒子的能量远比原子在靶物质中的化学结合能大，但又不足以引起核反应和核共振时，可以用简单的两个原子之间的弹性碰撞来描述它们之间的相互作用。

根据能量和动量守恒定律，可以求得在θ方向散射的粒子能量E₁，人们定义碰撞后与碰撞前的能量之比K为运动学因子，当m和θ一定时，K＝K（M），又因入射粒子的能量E₀为已知，根据测量到的表面层散射出来的粒子能量，就可以确定靶材料的质量数M，定出靶材料的组成元素。

将入射粒子与靶原子的每次碰撞形成的一个被探测粒子的平均几率定义为微分散射截面，用表示。测定散射粒子的产额（即散射谱的高度）就可以进行靶原子含量的定量分析。

入射粒子打到靶上，不仅由于库仑散射而损失能量，而且在入射和出射的途径上通过电离和激发，将能量传递给靶原子中的电子，由于电子的阻止作用损失了能量。

显然，对于不同厚度的靶，入射粒子被电子阻止损失的能量是不同的，反映在背散射能谱上就是不同程度地向低能方向拓宽。能量宽度正比于靶厚度和离子在靶物质中背散射能量损失因子。

能谱曲线向低能端展宽，反映出了靶原子不同深度的分布情况。因此，由背散射能谱分析，可以获得靶原子的深度分布信息。

（三）背散射分析实验

使用强的α粒子作为分析束可以获得可靠的检测效果，α粒子多由加速器的离子源产生。为了避免在空气中的散射吸收使问题复杂化，需将α粒子束的通道及散射靶室置于真空状态中。从静电加速器获得的2MeV的4He束，经磁分析器选择后进入离子输运管道，经过两次准直后进入靶室，打到样品上。样品安装在一个可以在三维方向旋转角度并可平行移动的定角器上，用步进马达控制。α粒子束斑大小约为1mm²，束流强度为十几个mA，用束流积分仪记录。

离子管道和靶室中的真空度为10^－4帕。在散射角为160°～170°方向上放置一个金硅面垒半导体探测器，探测器对样品所张的立体角为几个msr，探测到的信号经前置放大器和抗堆积主放大器送入微机多道分析器记录能谱。

测谱前要对多道分析器进行能量刻度。测量后对实验谱进行分析计算和处理，读谱和解谱的工作量要比测谱大得多、难得多。近十几年来，已引进和开发了一些模拟计算程序，较大程度地减轻了计算量，但也需多次模拟计算才能较好逼近实验谱。

（四）沟道分析技术

这是一项利用带电粒子与单晶体的相互作用规律研究物质微观结构的分析技术新型技术。在单晶体中，原子有规则地排列，晶格原子构成一系列的晶轴和晶面。

带电粒子入射到单晶体上时，其相互作用情况与入射到无定形样品时不同，因为离子在无定形样品中相互作用几率与样品结构无关，不依入射方向的不同而改变；而带电粒子沿单晶体的一定方向入射时，却出现了新的物理现象——离子的运动受到晶轴或晶面原子势的控制，相互作用的几率与入射方向和晶轴或晶面的夹角有很大关系。这样强烈的方向效应称为沟道效应。

当入射粒子束的方向确定时，倾斜或掠向转动靶盘可达到改变入射束与晶轴夹角的目的，测量背散射产额随入射角ψ的变化就可以观察到沟道现象。若测出轴沟道半角宽，则可求出靶原子的间距即晶格常数。

二、在材料科学中的应用

建立于20世纪初期的背散射分析技术的理论基础，随着人类认知结构的变化，它的分析能力被人们逐渐认识到，但由于其他技术的限制，它还不能成为主要的分析手段。20世纪60年代以后，它在国际上的应用十分活跃，在我国较大规模的应用是20世纪80年代以后的事情。经过这30年的应用实践，背散射分析已经走向成熟和完善，特别是在材料科学研究中，已成为常规的测试分析手段。

这是由于背散射分析技术有以下的特点：能量在1～3MeV的小加速器数量迅速增加（仅我国近20年就进口或自行设计制造了近20台），使得较强的α粒子束的产生成为现实；高分辨率的半导体探测器的出现及成批生产，大大提高了探测器的性能并简化了探测手段；计算机和电子学系统日新月异的改进，使数据获取和数据处理工作变得快速、准确。背散射分析技术正在材料研究领域中发挥着越来越大的作用。

以1997年进行的关于新型光电材料GaN的分析为例来说明。GaN是继GaAs之后研制的又一重要光电材料，在发光器件的研制中有广泛用途，关于GaN的研制列入了我国“八五”和“九五”攻关重大课题，但在研究过程中很少有人用RBS和沟道技术进行测试分析。GaN生长在GaAs或Al₂O₃等衬底上，为了解决衬底与外延层的晶格失配，需先在衬底上生长一层GaN过渡层，然后再生长外延层，外延层还可以掺Al、Mg、In等元素来替代掉一部分Ga，形成三元合金。但是由于过渡层和外延层中均含有Ga和N，用常规的俄歇电子谱及X衍射等办法都很难区分。另外，外延层中掺入的Al、Mg或In量都比较少，很难测得精确值，用背散射分析方法则很容易地解决了这些问题。用Rump程序解析和模拟背散射谱时，不仅可以较为精确地给出过渡层与外延层的厚度、各元素的配比，还能画出模拟总谱和各元素的分谱，表面层、过渡层和衬底部分一目了然。

三、背散射分析的特长

背散射分析技术作为重要的核分析技术，能在20～30年内在全世界范围得到广泛的应用，是因为它具有别的分析方法不可比拟的显著特点，归结起来有以下六点：

1．可对多种元素同时分析，既可定性，又可定量。信息量大，可以分析样品的元素种类、组分配比、薄膜厚度、杂质分布和界面反应等。

2．属于不破坏样品的无损分析，既可作表面分析，又能分析表面下、埋层及多层样品。

3．对真空度要求适中，只需10^－4帕，调换样品方便、快速。

4．深度分辨好，分辨率可达到几个纳米，即几十个埃。

5．探测重元素灵敏度高，对半导体材料、冶金材料尤为适用。

6．背散射谱易于识别分析，便于掌握。