導讀

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

如何實現(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）技術受到了廣泛關注，其檢測對象為被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——ISS（離子散射譜）技術，其檢測對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

離子散射過程

ISS技術入射源一般選用較輕的惰性氣體離子，比如氦離子，其原理如上動畫所示，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)生了簡單的彈性碰撞，損失相應的能量后被散射，在任意的固定散射角度θ下，能量損失僅僅依賴于表面原子的質量，因此可以用于檢測表面單原子層的元素信息。根據經典力學的彈性散射原理，各項相關參數(shù)符合以下計算公式中的數(shù)學關系。

其中E0值可以用標準樣品（純金）進行測量計算出來，因此可以由測得的散射離子能量E1進行反推計算得到M2，即表面原子質量，以判斷表面元素類型。

ISS技術定性分析

XPS測試結果

在XPS分析時，通常首先對樣品進行全譜定性測試，判斷表面元素組成，進一步對目標元素進行精細譜測試分析得到某元素的化學態(tài)組成，如上圖所示，XPS譜峰往往具有較高的分辨率；ISS技術亦可實現(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ISS譜峰分辨率略遜色于XPS技術。但值得注意的是，針對不同目標元素，如若選用合適的惰性氣體離子源（如Ne、Ar等），ISS技術可以實現(xiàn)高質量分辨的同位素分析。

載玻片的ISS測試結果

ISS與XPS分析深度之差異

下圖為在Si片上通過ALD沉積制備Ti膜的XPS及ISS測試結果，由XPS結果可知，隨著沉積循環(huán)次數(shù)增加，Si基底信號逐漸減弱，沉積100個循環(huán)后仍能觀察到少量Si元素信號；ISS結果則表明在循環(huán)次數(shù)達到50次后，Si元素便基本消失。此現(xiàn)象與兩種技術的分析深度相對應，XPS分析深度~10 nm，而ISS技術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結果對比

結論

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