第三章-粒子(束)與材料的相互作用

1、第三章 粒子（束）與材料的相互作用教學(xué)目的：1、掌握粒子（束）與材料之間的相互作用； 2、掌握粒子（束）與材料之間的相互作用產(chǎn)生的信號； 3、掌握粒子（束）與材料之間的相互作用產(chǎn)生的信號而派生出來的測試方法。教學(xué)重點：1、粒子（束）與材料之間的相互作用產(chǎn)生的信號； 2、粒子（束）與材料之間的相互作用產(chǎn)生的信號而派生出來的測試方法； 3、其它的測試方法。教學(xué)難點：1、粒子（束）與材料之間的相互作用； 2、粒子（束）與材料之間的相互作用產(chǎn)生的信號。第一節(jié) 電子束與材料的相互作用入射電子照射固體時，與固體中粒子的相互作用包括： （1）入射電子的散射； （2）入射電子對固體的激發(fā)； （3）受激發(fā)粒子在

2、固體中的傳播。 一、散射 當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射到固體上時，在固體原子的庫侖電場作用下，入射電子方向?qū)l(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為（電子）散射。 有散射彈性和非彈性散射之分。 原子中的原子核和核外電子對入射電子均有散射作用。 1. 原子核對入射電子的散射 有彈性散射和非彈性散射。 散射損失的能量 Emax=2.1710-3E0Asin2 3-1散射角（2q）即散射電子運動方向與入射方向之間的夾角。 非彈性散射損失的能量DE轉(zhuǎn)化為X射線，它們之間的關(guān)系是 3-2式中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，n及l(fā)分別是X射線的頻率與波長。 此X射為連續(xù)X射線，沒有特征性。 當(dāng)入射電子與原子中電子的作用成為主要過

3、程時，由于作用粒子的質(zhì)量相同，散射后入射電子的能量發(fā)生顯著變化，這種過程稱為非彈性散射。在非彈性散射過程中，入射電子把部分能量傳遞給原子，引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象。因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為電子激發(fā)。電子激發(fā)是非電磁輻射激發(fā)的一種形式。2. 核外電子對入射電子的散射 原子中核外電子對入射電子的散射作用是一種非彈性散射。 在非彈性散射過程中，入射電子所損失的能量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔糠质刮镔|(zhì)產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象，如原子電離、自由載流子、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(dǎo)等。 因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為電子激發(fā)

4、。 3. 散射截面 入射電子被原子核散射時，散射角2q的大小與瞄準(zhǔn)距離（電子入射方向與原子核的距離）rn、原子核電荷Ze以及入射電子的加速電壓V有關(guān)，其關(guān)系為 2=ZeVrn 或 rn=ZeV(2) 3-3 prn2叫做彈性散射截面，用sn表示。 當(dāng)入射電子與核外電子作用時，散射角2q為 2=eVre 或 re=eV(2) 3-4 pre2為核外電子的非彈性散射截面，用se表示。 對一個原子序數(shù)為Z的孤立原子，彈性散射截面為sn，非彈性散射截面則為所有核外電子非彈性散射截面之和Zse，則 sn/Zse=Z 3-5因此，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大。 4. 電子吸收 由于庫倫相互作用，

5、入射電子在固體中的散射比X射線強得多，同樣固體對電子的“吸收”比X射線吸收快得多。隨著激發(fā)次數(shù)的增多，入射電子的動能逐漸減小，最終被固體吸收（束縛）。電子吸收：由于電子能量衰減而引起的強度（電子數(shù)）衰減。 不同于X射線的“真吸收”。電子被吸收時所達(dá)到的深度稱為最大穿入深度（R）。 二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號 1. 電子與固體作用產(chǎn)生的信號 圖3-1 入射電子束與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射現(xiàn)象IR為背散射電子流，它是入射電子與固體作用后又離開固體的總電子流。被散射電子主要由兩部分組成，一部分是被樣品表面原子反射回來的入射電子，另一部分是入射電子進(jìn)入固體后通過散射連續(xù)改變前進(jìn)方向，最后又從樣品表面發(fā)射出

6、去的入射電子。背散射電子的最大信息深度約為電子最大穿入深度的一半。Is表示二次電子流，它包括入射電子從固體中直接擊出的原子核外電子和激發(fā)態(tài)原子退回基態(tài)（退激發(fā)）時產(chǎn)生的電子發(fā)射（如俄歇電子）。 前者為（真）二次電子，它們的能量較低，強度按能量連續(xù)分布；后者為特征二次電子，它們的能量取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，取一些分立的能量值。當(dāng)背散射電子返回到樣品表面層，并具有足夠的能量連續(xù)產(chǎn)生電子激發(fā)時，對二次電子發(fā)射也有貢獻(xiàn)。Ix表示電子激發(fā)誘導(dǎo)的X射線輻射強度。在入射電子發(fā)生非彈性碰撞過程中，x射線通過兩種截然不同的過程產(chǎn)生。入射電子在原子實（原子核和束縛電子，即失去價電子的正離子）的庫侖場中減速，產(chǎn)生

7、能量連續(xù)的X射線，其能量從0延伸到入射電子能量值。當(dāng)電子激發(fā)使原子內(nèi)層電離，外層電子跳到內(nèi)層填充空穴，這個躍遷過程伴隨能量的變化，原子以發(fā)射特征x射線或一個俄歇電子的形式釋放能量。IE表示表面元素發(fā)射的總強度。盡管在材料分析中入射電子的能量不足以把固體原子直接擊出，但電子能量可能引起一些固體的表面原子電離，使表面元素活化乃至解吸，這種現(xiàn)象又稱為電子輻照分解。電子束可引起部分氧化物、多數(shù)氟化物和幾乎所有的有機物的輻照分解。IA為樣品吸收電流。入射電子在固體中傳播時，能量逐漸減小，最后會失去全部動能，被樣品“吸收”。AT為透射電子流。當(dāng)樣品的厚度小于入射電子的平均穿入深度使，一部分入射電子穿過樣品

8、，在樣品的背面被接受或檢測。2. 電子非彈性散射平均自由程和信息深度 入射電子、二次電子和背散射電子在固體中傳播時，不斷經(jīng)受非彈性散射，相繼兩次非彈性散射之間電子所經(jīng)過的平均路程稱為電子非彈性散射平均自由程，用le表示。非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個重要物理量，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量有關(guān)。 圖3-2 電子非彈性散射平均自由程和信息深度入射電子產(chǎn)生的各種信息的深度和廣度范圍 (a) 電子束散射區(qū)域形狀(梨形作用體積) (b)重元素樣品的電子束散射區(qū)域形狀(半球形作用體積) 3. 電子能譜 圖3-3 電子與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射電子譜（示意圖）（1）能譜的低能端隆起

9、的峰由真二次電子（能量小于或等于50ev）構(gòu)成。用掃描電子顯微鏡做表面形貌觀測時就是收集這部分電子并用來成像。（2）在中間平滑背底上疊加著一些小峰，它們對應(yīng)俄歇電子峰或入射電子的特征能量損失峰。前者對應(yīng)俄歇電子能譜（AES），后者則構(gòu)成電子能量損失譜（EELS），它們是常規(guī)的表面分析方法。 能譜中能量等于入射能量的電子是彈性背散射電子。當(dāng)入射電子照射晶體樣品時，由于電子的波動性，受不同原子彈性散射電子之間的干涉產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象是材料電子衍射分析方法的基礎(chǔ)。電子衍射分為低能電子衍射（LEED）、發(fā)射式高能電子衍射（RHEED）和透射電子衍射（TEM）。三、電子激發(fā)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象 1.等離子體振蕩

10、當(dāng)入射電子通過金屬晶體時，入射電子軌跡周圍的電中性被破壞，迫使電子云背離入射電子軌跡徑向運動，結(jié)果在入射電子軌跡近旁形成正電荷區(qū)域，而在較遠(yuǎn)處形成負(fù)電荷區(qū)域。入射電子通過后，電子云受到正電荷的吸引，試圖恢復(fù)電中性狀態(tài)。當(dāng)電子云徑向擴散運動超過平衡位置時，就形成連續(xù)的往復(fù)運動，造成電子云的集體振蕩，稱為等離子體振蕩。伴隨著等離子體振蕩的激發(fā)，入射電子損失能量。由于等離子體振蕩的能量是量子化的，取一定的特征值。因此，在等離子體振蕩激發(fā)過程中，入射電子的能量損失也具有一定的特征值，并隨樣品成分的不同而異。 2.電聲效應(yīng) 在固體中電子能量損失的40%80%最終轉(zhuǎn)化為熱。在實際工作中，入射電子束采用掃描

11、工作模式，樣品的溫升并不嚴(yán)重。 當(dāng)用周期性脈沖電子束照射樣品時，樣品中會產(chǎn)生周期性衰減聲波（晶格振動），這種現(xiàn)象稱為電聲效應(yīng)。 用壓電器件和成像技術(shù)可將電聲效應(yīng)信息用于成像。 3.電子感生電導(dǎo) 電子在半導(dǎo)體中的非彈性散射產(chǎn)生電子-空穴對。通過外加電壓（電場）可以分離正負(fù)電荷，產(chǎn)生附加電導(dǎo)，稱為電子感生電導(dǎo)（ENIC）；而p-n結(jié)對這些自由載流子的收集作用可以產(chǎn)生附加電動勢，稱為電子感生伏特。載流子可以在整個樣品中擴散，其中少數(shù)載流子的濃度隨擴散距離x指數(shù)衰減ne-x/L，L是擴散長度。 利用這種效應(yīng)可以測量少數(shù)載流子的擴散長度和壽命。 4.陰極熒光 在本征和攙雜半導(dǎo)體中，電子-空穴可以通過雜質(zhì)

12、原子能級復(fù)合發(fā)光，即所謂陰極熒光（CL）。 陰極熒光同樣可以在一些有機熒光化合物中產(chǎn)生。 對于不同種類固體，產(chǎn)生陰極熒光的物理過程不同，而且對雜質(zhì)和缺陷的特征十分敏感。因此，陰極熒光是檢測雜質(zhì)和缺陷的有效方法，常用于鑒定物相、雜質(zhì)或缺陷的分布。 第二節(jié) 離子束與材料的相互作用一、散射 離子與固體原子的碰撞可以用臺球間的碰撞來描述。對碰撞過程的約束（來自電子的非彈性散射）可想像為在臺球桌面上有一層水，即在兩次碰撞之間也有能量損失。因此，離子的能量取決于碰撞過程和碰撞之間所經(jīng)歷的路程。 1. 彈性散射 離子彈性散射的兩大特點： 散射幾率正比于Zl和Z2的平方，因此，當(dāng)入射離子由H+變?yōu)镠e+時，散射幾率增加4倍； 散射幾率正比于1/sin4q，強烈地依賴于散射角2q，2q=90的散射幾率是2q=180的4倍。 2. 非彈性散射 離子在固體中傳播時，由于被電子非彈性散射產(chǎn)生的能量損失率稱為固體對離子的阻止功率。 與離子的種類、能量以及樣品的成分有關(guān)。 二、濺射與二次離子 1.離子濺射 能量為E0的入射離子轟擊固體時，直接