第六章電子與物質(zhì)的交互作用

1、 O人射電子 原子屮的核外電子或二次電子第六章電子與物質(zhì)的交互作用6.1散射散射：當一束聚焦電子沿一定方向射到樣品上時，在樣品物質(zhì)原子的庫侖電場作用下，入射電子方向?qū)l(fā)生改變，稱為散射彈性散射：電子只改變運動方向，基本上無能量變化。非彈性散射：電子運動方向改變， 能量也有不同程度的衰減。6.1.1原子核對電子的彈性散射當入射電子從距原子核rn處經(jīng)過時，由于原子核的正電荷的吸引作用， 入射電子偏離入射方向。此即原子核對 電子的彈性散射散射角 n與瞄準距離G、核電荷數(shù)Ze及入射電子的能量E 0之間的關系為:E 0 rn可見，原子序數(shù)越大，電子能量越小，距核越近，則散射角越大 除原子核對電子的散射外

2、，核外電子帶負電荷，對原子核的彈性散 射有屏蔽作用。由于原子對電子的散射比對 X射線的散射強得多，因此，電子在 物質(zhì)內(nèi)部的穿透深度要比 X射線小得多。作用：原子核對電子的彈性散射是電子衍射及成像的基礎。6.1.2原子核對電子的非彈性散射 非彈性散射發(fā)生后，電子運動方向改變，能量也有不同程度的損失， 損失的能量 E轉(zhuǎn)化為相應的X射線的能量：E= h = he/可見，能量損失越大，X射線的波長越短。不利影響：產(chǎn)生的 X 射線是連續(xù)的無特征波長的 X 射線，不能反 映樣品結(jié)構(gòu)或成分特征， 反而產(chǎn)生背景信號， 影響成分分析的靈敏度和 準確度，對 X 射線衍射不利。作用：連續(xù) X 射線譜的強度數(shù)據(jù)可用于

3、分析顆粒樣品和粗糙表面 樣品的絕對濃度。6.1.3 核外電子對入射電子的非彈性散射 散射時入射電子所損失的能量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔?部分使物質(zhì)中的原子 發(fā)生電離或形成自由載流子， 并伴隨著產(chǎn)生二次電子、 俄歇電子、 特征 X 射線、特征能量損失電子、陰極發(fā)光和電子感生電導等有用信息。不利影響：在電子衍射及透射電鏡成像中引起色差而增加背景強度 及降低圖像襯度。作用： 產(chǎn)生的電離、 陰極發(fā)光及電子云的集體振蕩等物理效應， 可 以反映樣品的形貌、 結(jié)構(gòu)及成分特征， 是各種電子顯微分析儀器的重要 信息來源。6.2高能電子與樣品物質(zhì)交互作用產(chǎn)生的電子信息6.2.1二次電子電離：入射電子與核外電子發(fā)生相互作用時

4、，使原子失去電子而變成離子，這種過程叫電離。二次電子：電離時脫離原子的電子。價電子激發(fā)：原子的最外層電子（價電子）被電離出來變成二次電 子的過程。芯電子激發(fā)：原子的內(nèi)層電子被電離出來變成二次電子的過程。價電子激發(fā)所需的能量比芯電子激發(fā)所需的能量小得多，故價電子的激發(fā)幾率遠大于內(nèi)層電子的激發(fā)幾率。二次電子的主要特點：1對樣品表面形貌敏感二次電子的產(chǎn)額（發(fā)射效率）SE與入射電子束的入射角：有下列關 系：式中Ise為二次電子電流強 度，山為入射電子電流強度當樣品表面不平時，入 射角：不同，二次電子的強 度相應改變，用檢測器檢測 樣品上方的二次電子，則得 到形貌襯度圖像，這種圖像 就能反映出樣品表面形

5、貌特 征。見右圖。2.空間分辨率高(b)由于受到原子核及核外電子的散射， 其作入射電子束進入樣品后, 用范圍有所擴展，見下圖。圖中，(a)電子束散射區(qū)域梨形形 狀；(b)重元素樣品的電子束散射區(qū) 域半球形狀。2-俄歇電子激發(fā)區(qū)域；4-二次電子激發(fā)區(qū)域；5-背散射電 子激發(fā)區(qū)域；6-初級X射線激發(fā)區(qū) 域只有接近表面約10nm人射電子束直淪4EU2以內(nèi)的二次電子才能逸出表面被檢測器接收，在此深度二亠:入射束尚無明顯側(cè)向擴散，檢測到的信號僅反映了與入射束直徑相當、很小體積范圍內(nèi)的形貌特 征，所以，二次電子具有較高的空間分辨率。掃描電鏡中二次電子像的分辨率為3-6nm，透射電鏡為2-3nm3信號收集效

6、率高二次電子信號是以入射束的照射點為中心向四面八方發(fā)射的 （相當于點光源）。但由于儀器結(jié)構(gòu)設計方面的困難，二次電子信號檢測器的 檢測部分只占信號分布范圍的很小一部分， 這樣，信號收集效率必然很 低。好在二次電子能量很低， 易受電場作用。 因此， 可在檢測器上面加 一個 5-10kV 的正電壓，就可使樣品上方的絕大部分二次電子都進入檢 測器。目前， 二次電子是掃描電鏡成像的主要手段 。6.2.2 背散射電子入射電子照射樣品后， 發(fā)生彈性和非彈性散射， 有些入射電子的累 計散射角超過 90，它們將重新從樣品表面逸出，稱為背散射電子 。在樣品上方能夠測量的電子數(shù)目隨能量的分布如下圖 （電子能譜曲 線

7、）。其中，Eo處為彈性散射峰，v 50eV的低能段為二次電子峰， 兩峰 之間是非彈性散射電子構(gòu)成的背景， 包括：背散射電子峰、 俄歇電子峰、特征能量損失峰。背散射電子的能量分布一次電子_ 初次背畝射電*較寬。電子顯微分析儀器中 利用的背散射電子是那些能 量較高的（能量接近或等于 Eo的電子），這些背散射電子 有如下特點：對樣品物質(zhì)的原子序 數(shù)敏感背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增 大而增加，如圖。所以，背散射電子 像的襯度與樣品上各微區(qū)的成分密切 相關，金屬中各相分布易于顯示。10人射吐子束.Eu2*o廠2空間分辨率及信號收集率較低如右圖，5-背散射電子激發(fā)區(qū)域背散射電子激發(fā)區(qū)域大，空間分辨率 低，

8、只能達到100nm。而且，背散射電子能量大，運動方向 不易偏轉(zhuǎn)，檢測器只能接收一定方向上的 及較小立體角范圍內(nèi)的電子，信號收集率 較低。623吸收電子”一當樣品較厚（達微米數(shù)量級），入射電子的一部分在樣品內(nèi)經(jīng)過多次非彈性散射后，能量耗盡，既無力穿透樣品，也不能逸出表面，這種電子稱為 吸收電子。吸收電子與背散射電子（包括二次電子）是互補關系，即原子序數(shù)越大，背散射電子越多，則吸收電子越少，反之亦然。因此，吸收 UOK激垃（電離）（h） K輻射 2） KIJ.2俄戲迫.丁發(fā)射電子像的襯度正好與背散射電子像相反，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。6.2.4特征X射線及俄歇電

9、子入射電子照射樣品，內(nèi)層（K層）電子被激發(fā)（發(fā)生電離），原子處 于激發(fā)態(tài)，能量為 Ek, L2層電子填補內(nèi)層電子空位，能量由 Ek變?yōu)?El，此時，可通過兩種途徑釋放能量 Ek -El :1.產(chǎn)生X射線，即該元素的Ka輻射，其波長為EK-EL=hc汁服，不 同元素Ek和El的值不同，有特征性，心輻射波長不同，故為 特征X射線?？捎糜诔煞址治?、晶體 結(jié)構(gòu)研究等。二共電子h人射電子KI乩輻射屮也丫俄歌電子2.釋放出的能量 Ek -El使 另一核外電子電離成二次電 子，它的能量隨元素不同而不 同，這種具有特征能量的二次電子稱為 KL2L2 俄歇電子 。俄歇電子已用于俄歇電子能譜儀進行元素分 析。俄歇

10、電子有以下特點：1.適于分析輕元素及超輕元素 輕元素及超輕元素的 X 射線產(chǎn)額低，而俄歇電子產(chǎn)額高，用于成 分分析靈敏度遠高于 X 射線。適于表面薄層分析 俄歇電子激發(fā)區(qū)域小， 能夠保持其特征能量而逸出表面的俄歇電子 只限于表層以下 1nm 以內(nèi)的深度范圍。因此，俄歇電子可用于樣品表 面、晶界或相界面處的成分分析。6.2.5 自由載流子形成的伴生效應當入射電子進入一些半導體、 磷光體和絕緣體物質(zhì)時， 使內(nèi)層電子 激發(fā)， 激發(fā)過程中還可通過碰撞電離， 使?jié)M帶電子被激發(fā)到導帶， 從而 在導帶和滿帶內(nèi)產(chǎn)生大量 電子 和空穴 等 自由載流子 。自由載流子的形成 會因物質(zhì)的不同而伴生不同信息。1.產(chǎn)生陰

11、極發(fā)光在磷光體中產(chǎn)生電子 -空穴對后，導帶中的負載流子（電子）跳回 基態(tài)， 同時發(fā)射光而釋放能量， 光的波長在可見光到紅外光范圍內(nèi)， 這 種現(xiàn)象稱為 陰極發(fā)光 。大多數(shù)陰極發(fā)光材料 對雜質(zhì)十分敏感 ，任何雜質(zhì)原子分布的不均勻 都能造成陰極發(fā)光的強度差異，因此， 陰極發(fā)光信息可用于檢測雜質(zhì) ， 靈敏度比 X 射線發(fā)射光譜高三個數(shù)量級。還可用于鑒定物質(zhì)相。2.產(chǎn)生電子感生電導 入射電子在半導體中產(chǎn)生電子 -空穴對后，在外加電場作用下可產(chǎn) 生附加電導， 這種效應稱為 電子感生電導 ?？捎糜跍y量半導體中載流子 的擴散長度和壽命。6.2.6 入射電子和晶體中電子云相互作用 當入射電子通過晶體空間時， 電

12、子云會作發(fā)散回復運動， 造成電子 云的集體振蕩現(xiàn)象， 稱為 等離子激發(fā) 。同時伴隨 能量損失 ，入射電子的11 +1 +-r|1 11 11 +,申T 1+十1+1+1+ 11 +J 11 +4土丄 TOC o 1-5 h z 人射電干 能量損失隨元素和成分不同而異，有特征性。如果入射電子引起等離子激發(fā)后能逸出試樣表面，i- |+LI 4-|則這種電子稱為特征能量損失電子。匸寸 -I若測量這種電子能量信息，可進行成分分析，匕I腫 I =1則稱為能量分析電子顯微術。亠若利用這種電子信息成像，則稱為能量選擇電子顯微術。627入射電子和晶格相互作用（自學）6.2.8周期脈沖電子入射的電聲效應（自學）6.2.9透射電子入射電子穿透厚度為幾十至幾百納米的薄膜樣品，被樣品下方的檢測器所接收，這種電子稱為 透射電子。入射電子束照射的微區(qū)在厚度、晶體結(jié)構(gòu)或成分上有差別，則會引 起透射電子的強度、運動方向和能量分布的變化。1.質(zhì)厚襯度效應樣品不同微區(qū) 質(zhì)量或厚度 的不同，所引起的相應微區(qū)透射電子 強度 的不同， 進而使得圖像上不同區(qū)域的亮暗程度不同， 這種現(xiàn)象稱為 質(zhì)厚 襯度效應 。質(zhì)厚襯度效應可以觀察樣品的組織形貌細節(jié)。2.衍射效應入射電子束相當于波長恒定的平面單色波， 可以在晶體上發(fā)生如 X 射線一樣的衍射現(xiàn)象，衍射規(guī)律同樣滿足布拉格方程。測出產(chǎn)