RBS实验
一、实验原理和实验装置:
背散射分析就是在一束单能的质子、α粒子或其他重离子束轰击固体表面时,通过探测卢瑟福背散射(弹性、散射角大于90度)离子的能量分布(能谱)和产额确定样品中元素的种类(质量数)、含量及深度分布。
基本的物理概念和计算:
1)运动学因子
运动学因子的定义:
其中E0是入射粒子动能,E1是散射粒子动能。由运动学因子公式可以看出:当入射离子种类(m),能量(E0)和探测角度(θ)一定时,E1与M成单值函数关系。所以,通过测量一定角度散射离子的能量就可以确定靶原子的质量数M。这就是背散射定性分析靶元素种类的基本原理。
但是,RBS适用于轻基体上重元素的分析,对重基体上轻元素不灵敏。
2)能量损失因子
在离子在某固体中做直线运动的过程中,离子主要通过与靶原子的电子相互作用而损失能量。定义离子在单位径迹长度上损失的能量 为比能量损失或叫作能量损失(率)。也叫作这种固体的阻止本领。定义能量损失后,可确定不同深度散射出的离子同表面散射出的离子能量之差。从而建立RBS能谱宽度和靶厚度之间的关系。对入射和出射路径的能量损失进行积分并整理得到
定义
为能量损失因子,使得
这样,由能量损失因子就可以把背散射能谱中的能量坐标换算成深度坐标,并根据不同深度处能谱高度就可以得到元素的深度分布。 这是RBS的元素深度分布原理。
单原子靶材料的原子密度为N,一定能量E的入射离子。则定义:为此种靶原子对能量E的入射离子的阻止截面 ,则有
可查表得到,一般要看的单位而选择N的单位。
二、实验内容:
1. 背散射分析系统的能量刻度
用Ge, W对横轴进行能量刻度,将RBS能谱的横轴从道数转换为能量。写出能量刻度方程。
已知运动学因子:=0.385,=0.697,KW=0.867, KAl=0.371,KCr=0.603,入射能量
1) 样品为Si衬底上的SiGe合金薄膜。Ge的前沿高h=325,前沿半高为=158,对应的道数是693,通过公式计算对应的能量
2) 样品为Si衬底上W膜。Ge的前沿高h=404,前沿半高为=214.对应的道数是870,通过公式计算对应的能量
3) 将实验得到的能量和道数输入软件,计算得到一次函数的截距和斜率(将能量单位定为keV)
截距:129.305 斜率:3.887
一次函数为 y=(3.887x+129.305 )(keV)
图1. Si衬底上SiGe合金薄膜的RBS能谱
图2. Si衬底上W膜的RBS能谱
2.后衬底上薄膜厚度的测定
样品:Si衬底上W膜。实验中,采集4.05MeV Li++为入射离子,散射角为150度时的RBS能谱。W的密度为19.29g/cm3。W对能量为3000kev、4000keV的锂离子的阻止截面ε,查表得,分别为699.785、685.405KeV*cm2/mg,
所以能量损失因子
W的后沿高度是h=464,半高对应的道数是698,带入已得到的一次函数,计算得出能量E=2842.43keV, ΔE=3511-2842.43=668.57keV.
公式求得膜厚
三、化合物薄膜化学配比的测定
样品:Si或SOI衬底上SiGe合金薄膜。采集Si或SOI衬底上分子束外延生长的SiGe薄膜靶的RBS能谱,用Ge峰和Si峰的前沿高度比较和谱宽度比较两种方法求薄膜表面Ge和Si的化学配比。
通过比较试验曲线和拟合曲线的符合程度,得到Ge和Si的原子集中度的比值大约为0.85:0.15,所以m:n=0.85:0.15
第二篇:工流实验报告
《流体力学》实验报告
《流体力学》实验报告
《流体力学》实验报告