离子散射谱

背景知识

离子散射谱分析(ISS)为离子束被表面散射的一种技术。测量出散射离子的动能，所观察的谱峰对应于离子对样品表面原子的弹性散射。样品表面上每一元素产生 一个不同动能的峰，这是因为入射离子和原子之间的动量传递而导致。所以，初始“静止”原子被离子碰撞后出现反冲，导致散射离子损失一部分能量。损失能量的 大小依赖于原子与离子的相对质量。

理论计算

下列方程显示了散射峰能量与其它量的关系

Es = Kinetic energy of the scattered ion 被散射离子动能
M1 = Relative atomic mass of the scattered ion 被散射离子相对原子质量
Eo = Kinetic energy of the primary ion beam 入射离子能量
M2 = Relative atomic mass of the scattering surface atom 散射表面原子的相对质量
θ = Scattering angle 散射角

对于给定的仪器，θ 同时为一常量（赛默飞科技ESCALAB 250Xi能谱仪为130°，因为离子枪与接受透镜之间的夹角为50°）。M1为给定气体离子源的常量，通常为He，但有时也用Ne、Ar或其它气体。在 给定的实验中Eo通常为常量。所以，用上述方程从谱峰位置，可以计算出散射离子的质量M2，或者计算出给定原子的谱峰位置。

有时在开始实验时 Eo未知。可以用标准样品校正能量Eo。标准样品最好为纯金属元素例如金，M2已知。一旦测量出标准样品的散射峰能量，只剩下一个未知量Eo，就可以计算 出来。如果Eo 已知，ISS的主要目的通常是建立散射峰能量Es与原子质量M2之间的关系。该方程可以简化为(M2/M1)的二次方程。

令M= (M2/M1)，E = (Es/Eo)，C = cos θ，S = sin θ，则导出下列方程：

重新整理得到下列方程。如果入射离子能量已知，则可用此方程从ISS谱峰能量计算出散射原子的质量。

实验样品

举 一个入射离子能量未知的例子。能量~1keV的He+离子与金基体散射，用ESCALAB 250Xi采集散射谱。在877eV动能处观察到的强峰属于金。因此M1 = 4, M2 = 197, θ = 130°, Es = 877eV，则用前面第一部分的方程可以计算出Eo如下：

=937
精确计算出入射离子束能量为937eV。
这样就可以确定其它散射能量峰的质量。用下列方程可以分析762eV处的弱峰：
E = Es/Eo = 762 / 937 = 0.813
C = cos 130° = -0.643
S = sin 130° = 0.766

代入这些值得到M2为63.7，所以此峰来自铜。比值Es/Eo随表面原子量和入射离子的性质而变化。

Ion Scattering Spectra

例如采用能量970 eV的He+离子和散射角度 130°，得到Cu, Ag 和 Au样品的散射谱。所有样品经过适当刻蚀，剥离表面大部分碳和氧污染。在铜和银的ISS谱中可见一些残留氧，位于～400eV KE。在Ag上出现一些小峰位于～60 eV。在ISS的低KE区对应被溅射出来的Ag离子，在0-200eV KE 之间强度较大。