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粒子與固體的相互作用

摘要:[拼音]:lizi yu guti de xianghu zuoyong [英文]:interaction between particle and solid 具有一定能量的粒子碰撞固體表面或射入固體內部時產生的物理、化學現象和過程。粒子包括電子、原子、原子團、分子、離子、...


[拼音]:lizi yu guti de xianghu zuoyong

[英文]:interaction between particle and solid

具有一定能量的粒子碰撞固體表面或射入固體內部時產生的物理、化學現象和過程。粒子包括電子、原子、原子團、分子、離子、光子、中子等。電子學中的粒子主要是指電子、離子和光子。粒子能量在幾百萬電子伏以下。

粒子與固體相互作用的研究,可以追溯到1869年發現陰極射線。隨著近代物理的發展,特別是60年代末和70年代初以來,由於表面物理、薄膜技術、非晶材料以及微電子技術的發展,粒子與固體間相互作用的研究越來越受到重視。

粒子與固體相互作用的最基本的過程是能量和動量的傳遞和轉換和因此引起的入射粒子本身狀態的變化,以及固體成分、結構、狀態的變化,或由入射粒子誘導的其他物理、化學變化等。

電子與固體的相互作用

入射電子的散射、反射、吸收和衍射,是電子顯微鏡和電子衍射儀的物理基礎。利用電子轟擊下的次級發射(包括俄歇電子發射)現象,人們研製出掃描電鏡、俄歇電子能譜儀和電子倍增器。在電子轟擊下使固體內部和表面力鍵斷裂及等離子鐳射的激發可以用電子能量損失譜來分析,而其中晶格振動加劇部分則可用表面聲子譜來研究。

在電子轟擊下可以產生軔致輻射和特徵 X射線輻射,X 射線管和電子探針分析儀即利用這些現象。如果被轟擊的固體是發光材料(例如熒光粉),則輻射可見光或不可見射線。黑白和彩色映象管、示波管和其他一些顯示器件,就是利用這種現象來顯示影象、圖形、字元的。電子束轟擊所產生的熱效應,可以用於熱電子發射、電子束退火、電子束焊接、電子束切割和電子束熔鍊。

電子轟擊可以誘發物理和化學反應,例如可以使表面原子或分子脫附(電子誘導脫附)或使固體表面組分分解或聚合,也可能由此而產生某種元素的表面汙染或沉積。電子束轟擊可以使近表面層產生反應,例如可以用來使某些薄膜著色或使曝光膠曝光。

藉助自旋極化電子束與表面相互作用可以獲得更多的資訊。

光子與固體的相互作用

各種波長的光束與固體相互作用時,入射光子本身可能被反射、吸收和散射,也可能產生衍射和偏振。這類現象主要用於分析和測量儀器,例如X射線衍射儀和橢圓偏振儀等。光束的熱效應可以用於加工(例如鐳射退火、鐳射焊接、鐳射打孔),還可用於鐳射武器。

在光子的作用下,固體表面和內部會產生各種激發和馳豫過程,例如產生光電子、 俄歇電子、 光電導等。這些現象已廣泛應用於真空電子器件、固態電子器件以及表面分析儀器中,例如像增強管與變像管、光電管與光電倍增管、光電攝像管、紅外探測器、紫外光電子能譜儀、X射線光電子能譜儀等。

光子可能誘導固體表面的吸附物脫附或分解,導致吸附或強化氣相沉積,或使表面和內部產生光合成以及其他化學反應。這些現象可用於微電子技術中的光刻和X射線光刻等。

離子與固體的相互作用

離子與固體相互作用的現象和過程比較複雜。入射離子可能產生背散射或與表面原子作用而散射(低能離子散射譜),也可能進入固體內部而形成離子注入。

在離子束轟擊下,能夠從表面濺射出大量的原子、分子、原子團和各種正、負離子。濺射現象可用於刻蝕、薄膜減厚和薄膜的濺射沉積等。濺射出來的次級正、負離子的發射過程包含著電離、激發、中和、結合等一系列物理化學過程。因此,入射離子的化學性質是控制次級離子發射的重要因素。次級離子發射用於動態和靜態次級離子質譜儀,後者破壞性極小。

利用離子激發次級電子和 X射線的現象的分析儀器有離子激發俄歇譜儀、離子激發 X射線分析儀以及離子中和譜儀。

離子轟擊固體時,往往對固體表面和鄰近表面層的成分和結構產生改性作用,例如擇優濺射、嵌埋效應、誘導擴散和反應、離子注入等,都會改變近表面層的成分和組態,而級聯碰撞則會改變表面形貌和晶格取向,甚至導致無序化;也會在較深層造成大量晶格缺陷。因此應注意控制入射離子束流的能量和密度,以減小它的影響(見真空表面分析技術、真空鍍膜、離子表面處理、電子束加工、電子束與離子束微細加工、電子顯微鏡)。

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