1 引言

    表面工程是在傳統(tǒng)表面技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用材料科學(xué)、冶金學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、摩擦學(xué)等學(xué)科的原理、方法及最新成就發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科。表面工程通過(guò)研究材料表面與界面的特征、性能、改性過(guò)程和相應(yīng)方法，利用各種物理、化學(xué)或機(jī)械的工藝過(guò)程改變基材表面狀態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)或形成特殊的表面覆層，優(yōu)化材料表面，以獲得原基材表面所不具備的某些性能，達(dá)到特定使用條件對(duì)產(chǎn)品表面性能的要求，獲得高裝飾性、耐腐蝕、抗高溫氧化、減摩、耐磨、抗疲勞性及光、電、磁等多種表面特殊功能。它最突出的技術(shù)特點(diǎn)是勿需整體改變材質(zhì)而能獲得原基材所不具備的某些特性，獲得如超細(xì)晶粒、非晶態(tài)、超飽和固溶體、多重結(jié)構(gòu)、多相彌散結(jié)構(gòu)等薄膜材料。它的另一技術(shù)特點(diǎn)是選材廣，具有極大的靈活性，通過(guò)不同的處理工藝，可在金屬、有機(jī)、無(wú)機(jī)材料表面制備出單金屬、合金、陶瓷、有機(jī)高分子材料、類金剛石、金剛石、非晶態(tài)等多種薄膜層。近年來(lái)，表面工程的研究得到迅速發(fā)展，不僅取得了豐碩的科研成果，而且隨著在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛，也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
    薄膜材料的性能主要由材料成分、顯微組織、相結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài)所決定，而其成分、顯微組織、相結(jié)構(gòu)和界面狀態(tài)又與表面處理技術(shù)和工藝有關(guān)。因此，分析薄膜材料的成分、顯微組織、相結(jié)構(gòu)和界面狀況，并研究其與薄膜的性能、處理工藝之間的關(guān)系，是提高工藝水平、保證薄膜層質(zhì)量的重要途徑。近年來(lái)，表面和界面的電子顯微分析技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，為研究薄膜材料的微觀狀態(tài)提供了眾多的分析測(cè)試手段，本文簡(jiǎn)要地討論幾種表面分析技術(shù)的特點(diǎn)及其在薄膜材料成分、形貌和晶體結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用，供薄膜材料研究工作者參考。

    2 薄膜材料的成分分析

    由于下述原因，在一般情況下很難采用化學(xué)分析的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜材料成分的分析。①薄膜材料的質(zhì)量很小，取樣很困難；②化學(xué)分析法得到的結(jié)果是一個(gè)平均值，無(wú)法解釋薄膜材料的成分、工藝和性能之間的相互關(guān)系。這是因?yàn)楸∧げ牧系某煞滞俏^(qū)不均勻分布，所以必須選用微區(qū)成分分析方法對(duì)薄膜材料進(jìn)行微區(qū)成分分析。
    2.1 電子探針X射線顯微分析
    電子探針X射線顯微分析（EPMA, Electron Probe Microanalyser）是目前比較理想的一種微區(qū)成分分析手段。
    電子探針儀利用高能電子與固體物質(zhì)相互作用的原理，通過(guò)能量足夠高的一束細(xì)聚焦電子束轟擊樣品表面，在一個(gè)有限的深度和側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)，激發(fā)產(chǎn)生特征X射線信號(hào)，它們的波長(zhǎng)（或能量）和強(qiáng)度是表征該微區(qū)內(nèi)所含元素及其濃度的重要信息，采用適當(dāng)?shù)淖V儀和檢測(cè)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)可達(dá)到成分分析的目的。
    電子探針X射線顯微分析，可分析原子序數(shù)為4～92的元素。對(duì)于輕元素的分析，需要特殊條件和技術(shù)。對(duì)于原子序數(shù)大于10的元素來(lái)說(shuō)，定量分析的相對(duì)精度大約為1%。它所分析的區(qū)域很小，一般可從1立方微米到幾十立方微米，分析范圍的大小可人為調(diào)節(jié)，被測(cè)元素的絕對(duì)感量可達(dá)10的－10次方克，這是其它分析方法難以實(shí)現(xiàn)的。電子探針?lè)治鲇腥N方式：①選定樣品表面微區(qū)，作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)行定量或半定量分析，包括對(duì)其所含元素濃度進(jìn)行定量分析；②電子束可沿樣品表面選定的直線軌跡作所含元素濃度的線掃描分析；③電子束在樣品表面作面掃描，以特定元素的X射線信號(hào)調(diào)制陰極射線管熒光屏亮度，給出元素濃度分布的掃描圖像，從而獲得微區(qū)內(nèi)元素的分布狀況、薄膜表面物性及結(jié)構(gòu)特征的情況，并可一面觀察一面進(jìn)行成分分析，對(duì)于研究薄膜材料的結(jié)構(gòu)與其成份的關(guān)系是十分方便的。目前新型EPMA可在樣品微米區(qū)域進(jìn)行高靈敏的元素分析，控制系統(tǒng)全部數(shù)字化，觀察、分析只需使用鼠標(biāo)、鍵盤，操作極為簡(jiǎn)便，并可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作。因此，EPMA已成為薄膜材料研究必不可少的手段。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
    2.2 離子探針顯微分析
    離子探針顯微分析（IMMA，Ion Microprobe Mass Analysis）是一種利用質(zhì)譜儀對(duì)從固體樣品表面激發(fā)的二次離子進(jìn)行元素分析的裝置。
    離子探針顯微分析是利用離子源產(chǎn)生的一次離子加速形成能量為1～10KeV的離子束，然后將其打向樣品表面產(chǎn)生的正、負(fù)二次離子引入質(zhì)譜儀，經(jīng)放大后記錄下荷質(zhì)比（m／e）及其強(qiáng)度并根據(jù)荷質(zhì)比和強(qiáng)度進(jìn)行元素的定性和定量分析。
    使用離子探針顯微分析可進(jìn)行如下分析：①同位素分析；②輕元素高靈敏度分析；③極薄表面（約10～1000Å）的分析；④在給定適當(dāng)條件后，可作包括縱向的三維分析。
    使用離子探針作薄膜組分的定性或定量分析時(shí)，為消除樣品表面污染和吸附的影響，應(yīng)加大一次離子束進(jìn)行刻蝕，然后再縮小離子束斑直徑進(jìn)行分析。在作縱向分析時(shí)，應(yīng)考慮縱向分辨率、濃度測(cè)定、靈敏度和三維觀察等各因素，必須嚴(yán)格控制測(cè)量條件。
    離子探針顯微分析儀探測(cè)離子掃描像的能力較高，所以當(dāng)某些元素分布采用EPMA的特征X射線像所得襯度不好或難以探測(cè)時(shí)，采用離子探針顯微分析法可獲得滿意的結(jié)果。
    2.3 X射線光電子能譜分析
    X射線光電子能譜分析（XPS，X-ray Photoelectron Spectroscopy）是利用X射線源產(chǎn)生很強(qiáng)的X射線轟擊樣品，從樣品中激發(fā)出電子，并將其引入能量分析器，探測(cè)經(jīng)過(guò)能量分析的電子，作出X射線對(duì)能量的分布圖——X射線光電子能譜。它可以用于區(qū)分非金屬原子的化學(xué)狀態(tài)和金屬的氧化狀態(tài)，所以又叫做“化學(xué)分析光電子能譜法（ESCA，Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）。
    利用XPS可以進(jìn)行除氫以外全部元素的定性、定量和化學(xué)狀態(tài)分析，其探測(cè)深度依賴于電子平均自由程，對(duì)于金屬及其氧化物，探測(cè)深度為5～25Å。XPS的絕對(duì)靈敏度很高，是一種超微量分析技術(shù)，分析時(shí)所需樣品很少，一般10的－8次方克左右即可，因此XPS是薄膜材料最有效的分析手段之一。
    2.4 俄歇電子能譜分析
    俄歇電子能譜分析（AES，Auger Electron Spectroscopy）是利用入射電子束使原子內(nèi)層能級(jí)電離，產(chǎn)生無(wú)輻射俄歇躍遷，俄歇電子逃逸到真空中，用電子能譜儀在真空中對(duì)其進(jìn)行探測(cè)的一種分析方法。在薄膜材料化學(xué)成份的分析方面，俄歇電子能譜是應(yīng)用最為廣泛的分析方法，它能對(duì)表面5～20Å范圍內(nèi)的化學(xué)成份進(jìn)行靈敏的分析，分析速度快，能分析從Li～U的所有元素，不僅能定量分析，而且能提供化學(xué)結(jié)合狀態(tài)的情況。進(jìn)行薄膜材料的縱向成份分析時(shí)，可用氬或其它惰性氣體的離子對(duì)試樣待分析部分進(jìn)行濺射刻蝕，同時(shí)進(jìn)行俄歇電子能譜分析，從而得到薄膜材料沿縱向的元素成份分布。
    2.5 二次離子質(zhì)譜分析
    二次離子質(zhì)譜分析（SIMS，Secondary Ion Mass Spectrometry）是利用高能離子和固體相互作用，引起基質(zhì)原子和分子以中性的和帶電的兩種狀態(tài)發(fā)射出來(lái)，通過(guò)高靈敏的質(zhì)譜技術(shù)對(duì)此產(chǎn)生的帶電粒子（即二次離子）進(jìn)行檢測(cè)，從而進(jìn)行元素的分析。
    二次離子質(zhì)譜分析是一種高靈敏的元素分析技術(shù)。在某些應(yīng)用范圍，AES和XPS的檢測(cè)靈敏度不能滿足測(cè)定要求，而SIMS具有較高的檢測(cè)靈敏度，使之成為檢測(cè)痕量元素的理想方法，其檢測(cè)下限為百億分之幾的數(shù)量級(jí)，對(duì)痕量組分可以進(jìn)行深度濃度剖析，其深度分辨率小于50Å，可在微觀上（μm級(jí)）觀察表面的橫向特征。由于SIMS是一個(gè)質(zhì)譜儀，因此在所有薄膜材料分析中，只有它既能分析全元素又能鑒別元素的同位素，也能分析化合物和確定化合物的分子結(jié)構(gòu)。此外，所有與真空兼容的固體物質(zhì)都可用SIMS分析。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
    （1）表面分析
    因?yàn)镾IMS的信息深度很小，在靜態(tài)SIMS以及良好的真空（10的－8次方Pa）條件下可分析最表層的原子層。在表面分析中，可用它來(lái)識(shí)別表面物質(zhì)和研究表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程，例如識(shí)別表面污染物、表面組成及表面化學(xué)結(jié)構(gòu)。
    (2)深度剖面分析
    這或許是SIMS的最重要的應(yīng)用。用離子束連續(xù)轟擊樣品，使表面“一層接一層”地被剝離，剝離的同時(shí)檢測(cè)一種或多種元素與轟擊時(shí)間成函數(shù)關(guān)系的二次離子流。在恒定的刻蝕速度下，轟擊時(shí)間與深度成正比。然后把測(cè)得的離子電流同轟擊時(shí)間的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為濃度同深度的關(guān)系，這就是深度剖面分析法。此方法可用來(lái)研究擴(kuò)散過(guò)程和確定擴(kuò)散系數(shù)、薄膜材料的夾層結(jié)構(gòu)和摻雜及污染，還可用于研究同位素的濃度梯度等。
    （3）微區(qū)分析、面分析和三維分析
    微區(qū)分析就是對(duì)預(yù)先選定的直徑為幾個(gè)微米的區(qū)域進(jìn)行分析，這可用小直徑（＜1µm）的一次離子束來(lái)完成。元素的面分布就是確定元素在樣品表面上的分布狀態(tài)。常用的方法有兩種，即離子顯微鏡和掃描微探針?lè)āｋx子成象是將二次離子束通過(guò)質(zhì)譜儀的離子光學(xué)系統(tǒng)得到的表面離子光學(xué)像。掃描微探針是用類似于電子探針的方法，將質(zhì)譜調(diào)到某一質(zhì)量數(shù)，用細(xì)離子束對(duì)樣品掃描，得到表面的元素分布圖。用它來(lái)研究晶界沉淀、冶金和單晶的一些效應(yīng)、擴(kuò)散（橫斷面的XY特征）、薄膜材料的相特征及表面雜質(zhì)的分布。將元素的面分布和深度分析相結(jié)合，就能得到元素分布的三維信息，此信息對(duì)研究多元合金膜非常有用。
    在薄膜材料研究中，應(yīng)用SIMS定量分析是困難的，因?yàn)镾IMS譜線復(fù)雜，造成識(shí)譜困難；而且由于離子轟擊會(huì)使樣品表面受到損害，因而屬于破壞性分析；這是SIMS目前存在的主要問(wèn)題。但SIMS在定性分析方面是非常成功的，因此在薄膜材料研究中越來(lái)越受到重視。
    2.6 核反應(yīng)分析法
    核反應(yīng)分析法（NRA，Nuclear Reaction Analysis）的基礎(chǔ)是入射粒子與靶原子發(fā)生核反應(yīng)，用它來(lái)分析樣品表層的微量元素及測(cè)定表面某種雜質(zhì)或薄膜中離子滲透到基體的離子濃度及沿深度方向的分布。利用NRA技術(shù)對(duì)薄膜材料進(jìn)行分析有如下特點(diǎn)：①定量分析精度高，誤差小；②分析靈敏度可達(dá)10的－12次方克；③可以準(zhǔn)確、快速、非破壞性分析樣品。
    2.7 背散射能譜技術(shù)
    入射離子與靶材中的原子核彈性碰撞而發(fā)生大角度（＞90°）散射的現(xiàn)象，稱為背散射。背散射能譜分析（RBS，Rutherford Backscattering Spectrometry）的主要目的是測(cè)定背散射粒子的能譜，并分析能譜信息。背散射能譜提供了元素種類信息、元素沿深度分布信息和元素濃度信息，可進(jìn)行定性、定量分析和離子縱向分布分析等。
    其它如輝光放電光發(fā)射譜儀（GDOES，Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy）、正電子湮沒(méi)譜（PAS，Positron Annihilation Spectroscopy）、低能光子輻射（LEPI，Low Energy Photon Irradiation）、紅外譜（IR，Infrared Spectroscopy）、核反應(yīng)共振（RNR，Resonance of the Nuclear Reaction）、高分辨電子能量損失譜（HREELS，High Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy）等表面分析技術(shù)也越來(lái)越多的應(yīng)用于薄膜材料的分析中。

    3 薄膜材料的組織形貌分析

    薄膜材料的組織形貌分析主要是觀察薄膜材料的微觀組織形貌，包括表面形貌、薄膜層間形貌、與基體結(jié)合界面和斷口形貌及金相組織。觀察的目的是了解薄膜材料的組織形態(tài)、界面的組織結(jié)構(gòu)（如是否脫碳等）、缺陷、晶粒尺寸等。并通過(guò)進(jìn)一步的分析，研究薄膜材料的生長(zhǎng)機(jī)理、力學(xué)性能和物理性能。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
    薄膜材料的微觀組織和形貌觀察最簡(jiǎn)單的方法是用金相顯微鏡觀察薄膜材料的表面形貌和金相組織，完整直觀地了解薄膜的形貌特征，但由于金相顯微鏡受放大倍數(shù)的限制，只能用來(lái)測(cè)量較厚膜層的厚度和觀察表面組織的概貌、大尺寸的晶粒和較大的缺陷。因此薄膜材料的組織形貌分析大多采用電子顯微分析技術(shù)。
    3.1 電子顯微分析
    “場(chǎng)發(fā)射”掃描電子顯微鏡（SEM，Scanning Electron Microscope）是利用細(xì)聚焦的電子束在樣品表面逐點(diǎn)掃描，通過(guò)同步收集從樣品表面所激發(fā)出的各種電子（主要為二次電子、背散射電子）信號(hào)來(lái)調(diào)制成像。掃描電鏡二次電子像的分辨率可達(dá)一至幾個(gè)納米，放大倍數(shù)從幾倍到五十萬(wàn)倍。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn)是景深大，薄膜材料表面有較大的凸凹不平時(shí)也能得到清晰的圖像，用于觀察薄膜材料的表面形貌和斷口形貌非常方便，是薄膜材料微觀組織形貌觀察的重要手段。以CVD金剛石膜為例，對(duì)于分析金剛石膜的表面和橫截面形貌，如金剛石顆粒大小、晶體小刻面（如{111}、{100}）擇優(yōu)取向、“菜花”狀金剛石聚集體、金剛石生長(zhǎng)螺線、金剛石刻面上顯微孔隙、顆粒之間的空隙、表面粗糙度、膜斷面的柱狀晶生長(zhǎng)方向及大小、膜厚度等觀察，采用掃描電鏡分析是最直接有效的方法。
    掃描電子顯微鏡的樣品制備非常簡(jiǎn)便，對(duì)于導(dǎo)電材料來(lái)說(shuō)，除要求尺寸不得超過(guò)儀器的規(guī)定范圍外，只要用導(dǎo)電膠將其粘貼在銅或鋁制的樣品座上，放入樣品室即可進(jìn)行分析。對(duì)于導(dǎo)電性差或絕緣的樣品，則需要噴鍍導(dǎo)電層。
    透射電鏡（TEM，Transmission Electron Microscope）是利用高聚焦的單色電子束轟擊樣品，通過(guò)一系列電磁透鏡將穿過(guò)樣品的電子信號(hào)放大來(lái)成像的電子光學(xué)儀器。透射電鏡放大倍數(shù)可達(dá)幾十萬(wàn)倍，分辨率一般在0.2～0.3nm，非常適合于研究和觀察薄膜材料的微細(xì)組織形貌。例如，采用橫截面（Cross section）樣品的透射電鏡觀察（明場(chǎng)像或暗場(chǎng)相），可以得到清晰的生長(zhǎng)方向上金剛石晶體的亞結(jié)構(gòu)及缺陷類型、膜厚度、界面反應(yīng)產(chǎn)物（或物相）、膜/基界面等微觀結(jié)構(gòu)的圖像。若配用選區(qū)電子衍射（SADP）可以得知不同物相（尤其是界面物相）的晶體結(jié)構(gòu)、組織結(jié)構(gòu)和相互的位向關(guān)系。而通過(guò)平面樣品的TEM觀察，可以很清晰地顯示金剛石晶粒的大小、晶粒內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)及缺陷類型、晶粒間界的微結(jié)構(gòu)信息。
    透射電子顯微鏡要求樣品對(duì)電子束“透明”，電子束穿透固體樣品的能力，主要取決于加速電壓（或電子能量）和樣品物質(zhì)原子序數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，加速電壓越高，樣品原子序數(shù)越低，電子束可以穿透的樣品厚度就越大。對(duì)于50～100kV的電子束，樣品厚度控制在1000～2000Å為宜。因?yàn)橹苽淙绱吮〉臉悠贩浅＠щy，薄膜極易從基體上剝落，所以樣品的制備需要豐富的經(jīng)驗(yàn)和技巧。
    3.2 原子力顯微鏡分析
    1982年由G.Binnig等人研制成功了世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡（STM，Scanning Tunneling Microscope），使人類第一次能觀察到物質(zhì)表面單個(gè)原子的排列狀況和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，各國(guó)科學(xué)家又先后發(fā)明了一系列新型顯微鏡，如原子力顯微鏡、摩擦力顯微鏡、靜電力顯微鏡等。
    原子力顯微鏡（AFM，Atomic Force Microscope）是根據(jù)極細(xì)的懸臂下針尖接近樣品表面時(shí)檢測(cè)樣品與針尖之間的作用力（原子力）以觀察表面形態(tài)的裝置。利用掃描器將樣品在三維方向上高精度掃描，懸臂跟蹤樣品表面細(xì)微的表面形態(tài)，利用計(jì)算機(jī)控制與處理，就可得到納米以下的分辨率、百萬(wàn)倍以上倍率的樣品表面凹凸像。與掃描電鏡相比，原子力顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是可以在大氣中高倍率地觀察薄膜材料的表面形貌。所以說(shuō)AFM的出現(xiàn)為分析和研究薄膜材料表面結(jié)構(gòu)提供了最先進(jìn)的手段，極大地推動(dòng)了薄膜材料的發(fā)展。用AFM不僅可以獲得高質(zhì)量的表面結(jié)構(gòu)信息，而且可以研究固體界面的相互作用。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    4 薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)分析

    物相（簡(jiǎn)稱相）是具有某種晶體結(jié)構(gòu)并能用某化學(xué)式表征其化學(xué)成份（或有一定的成份范圍）的固體物質(zhì)。物相分析包括化學(xué)物相分析和物理物相分析兩大類，前者是用化學(xué)分析的手段（包括某些物理儀器的微區(qū)元素分析）測(cè)定物相的元素組成和含量，以求得物相的化學(xué)式，因此它僅與物相的元素組成相關(guān)，而與物相的晶體結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)；物理物相分析包括形態(tài)分析和晶體結(jié)構(gòu)分析兩方面。結(jié)構(gòu)分析又有多種方法，但以各種衍射分析最為重要，由于它們以晶體衍射現(xiàn)象為基礎(chǔ)，所以衍射相分析既可獲得物相的晶體結(jié)構(gòu)，又能獲得物相的化學(xué)式，因此衍射分析是最直接、應(yīng)用最廣泛的物理相分析方法。
    衍射分析方法包括X射線衍射、電子衍射和中子衍射三種，其中X射線衍射使用最廣，是一種比較經(jīng)典、古老的技術(shù)。近20年來(lái)，由于高功率、高精度、高穩(wěn)定性和高靈敏度X射線衍射儀的出現(xiàn)，特別是計(jì)算機(jī)應(yīng)用于衍射儀的控制和數(shù)據(jù)處理以后，在X射線衍射分析方面有了許多新進(jìn)展，如定性分析中的計(jì)算機(jī)檢索、無(wú)卡相分析、定量分析中的澤溫（Zevin）法等新方法；物相結(jié)構(gòu)分析中多晶衍射花樣指標(biāo)化的計(jì)算機(jī)方法、多晶衍射數(shù)據(jù)全結(jié)構(gòu)分析的里特韋爾德（Rietveld）方法等。由于電子衍射和透射電子顯微鏡結(jié)合使用，特別是選區(qū)衍射技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電子衍射物相分析也出現(xiàn)了新的局面，特別是單晶電子衍射花樣的物相定性分析有了很大的發(fā)展。中子衍射雖然目前只能在少數(shù)單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于結(jié)構(gòu)分析中確定輕元素原子的坐標(biāo)位置、磁結(jié)構(gòu)的測(cè)定和某些固溶體的研究具有特殊意義，因此應(yīng)用也逐漸增多。
    4.1 X射線衍射分析
    物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析最常用的方法是X射線衍射分析（XRD，X-Ray Diffraction），它是基于X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象遵守布拉格（Bragg）定律進(jìn)行分析的。在分析已知化學(xué)組成物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，可由X射線衍射峰的θ值，求出晶面間距，對(duì)照ASTM卡片，分析出被測(cè)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)。用X射線衍射分析薄膜材料的晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮薄膜厚度對(duì)分析結(jié)果的影響，當(dāng)基體材料與薄膜材料中有相同的化學(xué)成份，并且薄膜的厚度在1～2μm以下時(shí)，應(yīng)注意排除基體背底衍射峰的干擾。物理氣相沉積的薄膜，其化學(xué)組成往往偏離物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生擇優(yōu)取向，導(dǎo)致X射線衍射峰位偏移及各衍射峰的峰強(qiáng)度發(fā)生變化，這是在分析中需要注意的問(wèn)題。
    4.2 電子衍射分析
    由于電子束穿透樣品的厚度很小，因此電子衍射（ED，Electron Diffraction）是一種薄膜分析的有效手段，它是極薄（厚度為幾十或幾百埃數(shù)量級(jí)）表面物相分析的有效方法，而其他衍射法是無(wú)法比擬的。使用透射，特別是選區(qū)電子衍射分析，有如下特點(diǎn)：
    (1)靈敏度很高，就連一個(gè)小到幾百甚至幾十埃的微晶也能給出清晰的電子衍射花樣，因此它的檢測(cè)限很低，特別適用于：①試樣量很少，如基體和薄膜表面的氧化和污染分析；②待測(cè)物相在樣品中含量很低，如晶界的微量沉淀、第二相在晶粒內(nèi)的早期預(yù)沉淀等的分析；③待測(cè)物相的尺寸非常小，如結(jié)晶開始生成的微晶的分析等。
    (2)選區(qū)和微區(qū)電子衍射一般都給出單晶電子衍射花樣，當(dāng)出現(xiàn)未知新結(jié)構(gòu)時(shí)，有時(shí)可能比X射線多晶衍射花樣易于分析。另一方面，還可以得到有關(guān)晶體取向關(guān)系的信息，如晶體生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向、析出相與基體的取向關(guān)系等。
    （3）電子衍射物相分析可以與電子顯微鏡衍射相觀察同時(shí)進(jìn)行，還能得到有關(guān)物相的大小、形態(tài)及分布等，如果電子顯微鏡附帶有能譜儀，還能給出分析區(qū)域的化學(xué)成份。
    4.3 中子衍射分析#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
    隨著核反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)步，中子衍射技術(shù)（ND，Neutron Diffraction）的應(yīng)用也日益廣泛，在物相分析和磁結(jié)構(gòu)測(cè)定方面尤為成功。但由于輻射源的限制以及衍射實(shí)驗(yàn)裝置龐大、實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，不能象X射線和電子衍射那樣使用方便和廣泛。中子衍射具有一些其他兩種衍射不具備的特點(diǎn)，因此在下列幾方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
    (1)在晶體結(jié)構(gòu)分析中，中子衍射是測(cè)定輕元素原子位置較好的方法。因?yàn)樵氐腦射線散射振幅和原子序數(shù)成正比，所以X射線在研究含氫化合物或者重元素的氧化物、碳化物時(shí)不可能得到的大量信息，采用而中子衍射的結(jié)構(gòu)分析（包括多晶試樣和單晶試樣）就較容易解決。
    (2)在薄膜材料和基體材料中，由于一些元素的X射線散射振幅相差很小而難以分辨，而中子衍射則很容易將其分開，還能識(shí)別同一元素的各種同位素。
    (3)磁結(jié)構(gòu)測(cè)定是中子衍射對(duì)固體研究的最大貢獻(xiàn)之一。由于中子輻射與具有磁矩的原子的相互作用產(chǎn)生附加的磁散射，使中子衍射成為測(cè)定晶體磁結(jié)構(gòu)唯一的衍射方法。涉及到的對(duì)象有過(guò)渡金屬及其合金、稀土金屬及其合金以及含有磁矩原子的氧化物、硫化物和鹵化物等。

    5 結(jié)語(yǔ)

    以上介紹了幾種現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)在薄膜材料成份、組織形貌和晶體結(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用情況，但沒(méi)有包括薄膜材料的機(jī)械性能、結(jié)合力和應(yīng)力的測(cè)定。從各種現(xiàn)代分析技術(shù)在薄膜材料分析中的應(yīng)用特點(diǎn)可以看出，薄膜材料的分析已不再是單一技術(shù)的使用，而應(yīng)該是多種分析測(cè)試技術(shù)的綜合運(yùn)用。這是由于每一種分析技術(shù)都具有其特長(zhǎng)，同時(shí)也存在局限性。因此，要系統(tǒng)研究薄膜材料表面或界面的結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)特性就必須了解分析測(cè)試技術(shù)（特別是現(xiàn)代分析技術(shù)）的特點(diǎn)，靈活運(yùn)用多種分析測(cè)試手段，從而獲取最直接、最全面的信息。薄膜材料分析作為表面工程的重要組成部分，相信隨著現(xiàn)代分析技術(shù)的發(fā)展和測(cè)試手段的不斷完善，隨著研究人員綜合知識(shí)水平的不斷提高以及多學(xué)科知識(shí)的綜合利用，必將得到更深入的發(fā)展。