電子與物質的交互作用

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1、2021/1/24 第二篇 電子顯微分析技術 材料現(xiàn)代分析技術 課程建設小組 1. 電子與物質的交互作用 1.1 散射的基本概念 1.2 高能電子與樣品物質交互作用 產生的電子信息 1.1 散射的基本概念 電子：是一種帶負電的基本粒子 靜止質量 me=9.110 x10-31kg 電量 q=-e (e=1.602*10-19C ) 散射 ： 當一束聚焦 電子 沿一定方向 射到樣品上時，在樣品物質原子的 庫侖電場作用下，入射電子方向發(fā) 生改變的現(xiàn)象。 1.1 散射的基本概念 彈性散射 :電子只改變運動方向，基本無能量 變化。 非彈性散射 -原子對入射電子的散射 電子不僅改變運動方向，能量也有不同

2、程 度衰減。被散射電子的波長改變，損失的能 量導致物體內部的某些激發(fā)效應，其表現(xiàn)形 式可以是次級電子、俄歇電子、標識和連續(xù) X射線、熱輻射、紫外和可見光區(qū)域的光子 等，也可以是等離子體激元的激發(fā)。 1.1 散射的基本概念 彈性散射 彈性散射 一個運動的電子靠近孤 立的原子核時，由于庫侖 力的作用，電子將向核方 向偏轉， 偏轉角 -， 的 大小取決于 rn 的大小 彈性散射 核質量 電子的質量，此偏 轉可視為 彈性散射 ，則 偏轉 角 稱為 散射角 在 (rn)2 圓面積內的散射，散 射角 ，稱 (rn)2 為散射角 大于 的 核彈性散射截面 彈性散射是電子衍射及成像 的基礎 核外電子的非彈性散

3、射 一個運動的電子靠 近孤立的電子時， 由于庫侖力的排斥 作用，電子將向反 方向偏轉，偏轉角 - -， 的大小取決 于 re 的大小 非彈性散射 核外電子的非彈性散射 電子質量 =電子的質量，電子偏轉時有能 量的變化，此偏轉可視為非彈性散射。 在 (re)2 圓面積內的散射，散射角 ， 稱 (re)2 為散射角大于 的 非彈性散射截面。 核外電子的非彈性散射 原子中核外電子對入射電子的散射所損 失的能量部分轉變?yōu)闊?，部分使物質中原子 發(fā)生電離或形成自由載流子，并伴隨著產生 各種有用信息， 如 二次電子、俄歇電子、特 征 X射線、特征能量損失電子、陰極發(fā)光、 電子感生電導 等 1.2 高能電子與

4、樣品物質交互作 用產生的電子信息 （ 1）背散射電子 定義：入射電子在試樣 內經過一次或幾次大角 度彈性散射或非彈性散 射后離開試樣表面的電 子。 （ 1）背散射電子 背散射電子的產生范圍在 0.11m，這是 由于背散射電子具有較高的能量，所以可在試樣較深 部位散射出試樣表面。 背散射電子的產額隨試樣原子序數(shù)的 增加而增加。 （ 1）背散射電子 背散射電子在試樣內部接近完全擴 散，其廣度較入射電子束直徑大若干 倍，它可從試樣較深部位逸出。 特點： 1：對樣品物質的原子序數(shù)敏感 2：分辨率及信號收集率較低 （ 2）二次電子 定義 ： 在入射電 子的轟擊下被 迫離開試樣表 面的試樣的核 外電子。

5、（ 2）二次電子 二次電子的能量小于 50 eV，所以只有試樣 表層下 510nm范圍內激發(fā)出的二次電子， 才有可能逸出試樣表面 二次電子 發(fā)射的廣度與入射電子束直徑相 差無幾，它對試樣表面形貌敏感 主要用于顯示試樣的表面形貌 （ 3）吸收電子 定義： 入射電子射入試樣后，經多 次非彈性散射后能量消耗殆盡而 形成吸收電子被試樣吸收 （ 3）吸收電子 在試樣和地之間接入 mA計進行放大，可 檢出吸收電子產生的電流 吸收電子像用于顯示樣品表面形貌和樣品 表面元素分布狀態(tài) 用吸收電流成像，同樣可以得到原子序數(shù) 不同的元素在樣品上各微區(qū)定性的分布情況 。 圖像的襯度正好與背散射電子圖像相反 （ 4）特

6、征 X射線 當試樣內原子核外的內層 電子被激發(fā)時，外層電子躍遷 而填補內層空位時就會 釋放 特征 X射線。 （ 4）特征 X射線 特征 X射線一般在試樣內的 500nm-5000nm深處發(fā)生 用 X射線探測器探測表面微區(qū)存 在的相應元素 （ 5）俄歇電子 定義： 入射電子在激發(fā)特征 X射線 過程中，若試樣中原子核外內層電 子被激發(fā)，外層電子躍遷填補內層 空位時能量的釋放將相鄰的電子激 發(fā)出去。 （ 5）俄歇電子 俄歇電子的能量在 501500eV范圍內， 只有在距離表面 1nm左右范圍內的 俄歇電子才能逸出表面 適用于做表面成分分析 如果樣品是薄膜，例如厚度為幾十 至幾百納米，比入射電子的有效

7、穿透深 度小得多，就會有相當數(shù)量的入射電子 穿透樣品。 電子的透射率隨散射體厚度的增加而減 小 （ 6）透射電子 質厚襯度效應 樣品上的不同微區(qū)無論是質量還 是厚度的差別，均可引起相應區(qū)域 透射電子強度的的改變，從而在圖 像上形成亮暗不同的區(qū)域。 由電子束穿過非晶體試樣各點的厚度不同 而產生的 由重金屬原子投影非晶體試樣引起的質量 差異而產生的 質厚襯度效應 入射電子束通常都是波長恒定的單色平面波， 照射到晶體樣品上時會與晶體物質發(fā)生彈性相干散射， 使之在一些特定的方向由于相位相同而加強，但在其 他方向卻減弱，這種現(xiàn)象稱為衍射 。 由布拉格方程： d 樣品晶體的晶面間距； 入射電子波長； 入射束與晶面的掠射角 s in2 d 衍射效應 衍射襯度效應 由于試樣各晶面相對入射束的取向不 同而引起的 衍射強度的差異