A05電子束與物質(zhì)互作用XRF

1、材料顯微結(jié)構(gòu)分析方法1IV. 電子束與物質(zhì)的互作用 2一. 物質(zhì)對入射電子的散射 1.電子束來源及主要參數(shù) 電子槍 ：陰極（燈絲） W絲 LaB6, 發(fā)射電子 聚焦罩 -102-103伏 控制電子束質(zhì)量聚焦陽極：正高壓加速e燈絲聚焦罩陽極電子參數(shù)： 束斑直徑D： 50 1m 電流： 1012106A球面發(fā)散度：Sr=束斑面積/距離2 0.5(10-2 rad)32. 兩種類型的散射及產(chǎn)物 彈性散射改變軌道，能量不變 非彈性散射改變軌道，能量改變 4非彈性散射產(chǎn)物形貌二次電子俄歇電子連續(xù)與特征X線 長波輻射（紅外,可見,紫外）等離子激光(plasma)電子空穴對晶格振動(dòng)（聲子）內(nèi)電磁場電子結(jié)構(gòu)晶

2、體結(jié)構(gòu)成份分析 XRD XRF不同深度成份分析 (Anger譜儀)形貌(SEM)可能獲得信息53. 散射截面Q（或） 表征物質(zhì)對電子的散射能力 nt:單位體積內(nèi)物質(zhì)的粒子數(shù) QN/ntni cm2 ni:單位面積內(nèi)的入射電子數(shù) N:單位體積內(nèi)電子發(fā)生散射的次數(shù) Q：相當(dāng)于發(fā)生散射的幾率，即相當(dāng)于一個(gè)給定的互作用的有效原子截面。 6 nt =No/A 設(shè)在dx=自由程內(nèi)， 則 Q=(1/)/(No/A) 平均一個(gè)電子只發(fā)生一次散射。 或 A/(NoQ) ni=1 N=1/ 1/=1/a + 1/b + 1/c + cm-1 平均自由程 :QN/ntni cm2 7二. 彈性散射截面 散射角超過

3、0 事件的幾率。Z:原子系數(shù) QZ2 E:電子能量 (Kev) Q1/E2 E相同時(shí) QPb QFe Qc Z相同時(shí) Q10Kv Q20Kv Q30Kv 8三. 非彈性散射能量損失 固體中單位距離內(nèi)非彈性散射引起的能量損失，Bethe方程: 式中，A：是原子量 一切可能的能量損失過程中平均每次互作用的能量損失。 Em：路程中平均電子能 （Kev） J：平均電離能: 9引入阻礙本領(lǐng)概念S ：由于：可見：10四. 散射的作用體積 彈、非彈散射過程迫使原來的入射電子不斷改變方向即降低能量，運(yùn)動(dòng)軌跡是具有一定區(qū)域的彌散頒布的統(tǒng)計(jì)狀態(tài)。 互作用不足以產(chǎn)生二次輻射反應(yīng)(如特征XRay)。這樣一個(gè)區(qū)域稱為散

4、射的作用體積。11*作用體積影響因素： #作用體積形態(tài)：梨形反之：12五. 背散射電子 被、從試樣中散射出的電子 nBS:1. 背散射系數(shù): nB:背散射電子總數(shù)背散射電流iBS:入射電子總數(shù)入射電流iB:通常當(dāng)試樣有+50V偏壓時(shí)：132. 的影響因素：數(shù)目對Z敏感，(1) 原子序數(shù) 對多元素試樣： 即表明 (2)入射電子能量 受影響不大 可多次反射更多機(jī)會被散射 （從試樣中逸出） 穿透深度深不易被散射 （從試樣中逸出） 在SEM中作為元素相分析的一種依據(jù) 。 14(3) 傾斜角:試樣法線和入射e方向的夾角 （對純元素） 15變成不對稱 (4) 角分布 則： 實(shí)際試樣表面起伏，即變，探測器在

5、表面固定處測量，就可以獲得與表面起伏相應(yīng)的信號起伏（SEM圖象原理）。 =0時(shí)，16與背散射電子數(shù)的函數(shù)關(guān)系 (1) 能量分布 因?yàn)榉菑椛⒁鸬哪芰繐p失(典型值10ev/10nm)，即分布情況不一樣。同一Eo,同一Take-off角：Z小(輕)，分布寬；Z大(重)，分布窄，更趨于W=1。同一Eo,不同Take-off角， 各逸出路徑不同，所以存在一個(gè)能量分布。 17由入射電子激發(fā)試樣原子發(fā)射出的派生電子。 小于50ev的背散射電子。六. 二次電子 1.二次電子發(fā)射系數(shù)及逸出深度 a.直接由原入射eB引起 來源：(1)發(fā)射系數(shù)：b.間接由背散射引起18(2)逸出深度特點(diǎn)： ESE小，易被吸收 。

6、逸出深度淺，只有表層可檢測。 所以SEM二次電子像有高分辨率。出射幾率： Z: 深度 19(1)原子系數(shù)Z 對Z的靈敏程度遠(yuǎn)不如 所以在SEM中觀察SEF時(shí)，不應(yīng)單純追求高Kev 2.影響二次電子的因素 (2)入射電子能量 (3)試樣傾角 所以，同一take-off接受eSE，可反映試樣起伏. 20(4)角分布 21材料顯微結(jié)構(gòu)分析X光化學(xué)分析 22一. 分析理論基礎(chǔ)及方法 理論基礎(chǔ)： 莫塞萊定率 h: plank常數(shù)K: 與馬德堡常數(shù)有關(guān) ：屏蔽常數(shù) L系 常用K系 23XRF 激發(fā)源:一次X-Ray e束 EPMA 不必導(dǎo)電，液體可 試樣： 微區(qū) 導(dǎo)電或鍍膜 Be4-U92 相對較低，幾百

7、ppm；絕對較高，10131014g 少量到百分之百 可，必須校正 照射區(qū)域： 檢測范圍：含量限制： 靈敏度： 定量分析： 展譜方式： 大面積 F9U92 (C6) 相對較高,幾-幾十ppm；絕對較低。 微量到百分之百 WDS或EDS 24 分光(展譜)原理 因試樣中所有元素的特征X線同時(shí)被激出！ 1.WDS：Wave Dispersive Spectroscopy利用波動(dòng)性 逐一展譜 2.EDS：Energy Dispersive pectroscopy 利用粒子性h 同時(shí)展譜兩種展譜方式 二.WDS分光 原理：利用Bragg方程 但幾何布置有區(qū)別。 EPMA與XRF的WDS分光原理相同，

8、試樣e束 分光晶體準(zhǔn)直光欄探測器G25例：常用分光晶體LiF 時(shí)，接收到強(qiáng)信號。 則：為 CoK1.7901 當(dāng) 分光晶體： 由Bragg方程對一定的晶體的(hkl), 有確定范圍 如：LiF 就不適用 晶體d， 必須配備多個(gè)分光晶體。 對26分光晶體選擇原則： (2) 同一元素精細(xì)結(jié)構(gòu)： 高分辨率(1) 特征譜線波長相近的元素： ADP(NH4H2PO4) (200) 7.50SiO2 (101) 6.86分光晶體：d，則 對標(biāo)準(zhǔn)晶體:d不變 分辨率越高。 大角(接近90), 小面間距晶體, 27*聚焦條件：線條不寬化，避免重疊 XRF的聚焦方式： 彎曲晶體置于聚焦圓上以繞圓心轉(zhuǎn) 探測器置于

9、聚焦圓上以2繞圓心轉(zhuǎn),并自轉(zhuǎn)。 符合 探測器G彎曲晶體D 28EPMA聚焦方式： 彎曲晶體以v直線運(yùn)動(dòng)探測器四葉玫瑰園軌跡運(yùn)動(dòng) 符合 以上聚焦方式可分辨如： e束 探測器G彎曲晶體 直進(jìn)Vl 29*遇下述情況，解決方案： 很小時(shí) 改為探測 ：AsK 或 L Pb L不同級別衍射線重疊 30不同級別衍射線重疊 可采取在探測器線路中加上PHA 裝置來區(qū)別解決辦法: PHA: pulse height analysiser 一定能量的光子在PHA中產(chǎn)生電離形成一電壓脈沖，這種脈沖高度與h成正比 。31晶體分光優(yōu)點(diǎn)： 分辨率高 1. 分光系統(tǒng)復(fù)雜 晶體分光缺點(diǎn)： 2. 元素逐一檢測 3. 總的靈敏度不

10、高：XRD效率低；進(jìn)到計(jì)數(shù)器就更低；立體角小。 32三.EDS X光子作用下，原子電離產(chǎn)生電子空穴對.在反向電壓下，電子空穴對載流子運(yùn)動(dòng),使負(fù)載電阻上產(chǎn)生壓降,輸出脈沖信號放大器。 鋰漂移硅檢測器： 原理： Si(Li)或Ge(Li) PN中間層_+前置放大器平均3.8ev可產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對。 所以不同Z激發(fā)檢測器的X光子能量及總強(qiáng)度不同，可作元素成份分析及定量。 33 檢測器等量放大器及主放大器 多道分析器存儲顯示（屏幕、打?。?X光子h個(gè)數(shù)(強(qiáng)度)每秒產(chǎn)生脈沖的次數(shù)通過某道的該數(shù)量的X射線強(qiáng)度定量。 X光子能量h一個(gè)光子引起的脈沖幅度高度占多道分析器某道定性。 020Kev, 10ev/

11、每道，2048道EDS優(yōu)點(diǎn)： 探測器可與試樣離得很近，效率 很高，同時(shí)展譜 分辨率較低，目前商品為150ev 。 EDS缺點(diǎn)： 34四. X光熒光定量分析 (2) 基體增強(qiáng)效應(yīng)： 被檢元素特征X射線被基體中其它元素所吸收； (1) 基體吸收效應(yīng)：不成線性關(guān)系，原因?yàn)榛w效應(yīng)。待測基體某元素基體效應(yīng)例不成線性關(guān)系。吸收限波長質(zhì)量吸收系數(shù)FeK:1.9373, K吸收:1.7433MoK:0.7107 NiK:1.6592 若測Ni？35 (1) 基本參數(shù)法：理論計(jì)算，由數(shù)學(xué)模型及計(jì)算機(jī)編程。 定量分析： (2) 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法：用經(jīng)驗(yàn)方法來確定一種元素對另一種元素的基體效應(yīng) *應(yīng)用舉例 混合物中i元

12、素的 混合物中第 i 元素的相對熒光強(qiáng)度 純i相的 n種元素試樣 令： 36：混合物中第i 元素重量百分比 ：純i元素重量百分比 K 應(yīng)是基體各元素 j對 i元素影響的總效果。 那么有： 代表j 元素(包括 i) 對i元素的基體效應(yīng) 的影響因子。 Qij：令：37有n種元素，顯然有 即把激發(fā)源的多色譜線看成某種有效波長的增強(qiáng)效應(yīng)削弱的低吸收效應(yīng)的近似處理。 關(guān)鍵求 個(gè)38試樣有A,B,C三元素， (1) 配三個(gè)wt%已知的標(biāo)準(zhǔn)試樣 應(yīng)用舉例： 找出純A,B,C三標(biāo)樣 39求第 i 元素的Ri 實(shí)驗(yàn)條件完全一致。 (2) XRF測三試樣及純A,B,C三標(biāo)樣， 40求出各： 同理求： (3) 求各元素j 對i 元素的影響因子 41對待測試樣及各純A,B,C作XRF， 求出各 (4) 實(shí)測： 應(yīng)用已求得的 42由 和 解 43作業(yè)：習(xí)題二十一習(xí)題二十四習(xí)題二十三實(shí)驗(yàn)、上課安排：實(shí)驗(yàn)： PMN-PT-PZ鐵電陶瓷的織構(gòu)的取向分布函數(shù)測定第八周