電子顯微分析基礎(chǔ).ppt

1、1，材料科學(xué)研究方法第5章電子顯微微分石器(電子與物質(zhì)的相互作用)，2，1，電子信號(hào)在電子顯微偏析中的應(yīng)用，3，5.1 1。散射類型彈性散射改變軌道，能量不變，非彈性散射改變軌道。能量變化，4，5.1.1原子核對(duì)電子的彈性散射，入射電子通過原子核r n時(shí)，由于原子核的正電荷吸引作用，入射電子偏離入射方向。也就是說，原子核中電子的彈性散射電磁波不通過原子改變波長(zhǎng)度(能量大小)，但波方向(散射)，5，散射角N和瞄準(zhǔn)距離r n，原子負(fù)荷z，入射電子的能量E 0之間的關(guān)系如下：可見，原子序數(shù)大小越大，電子能量越小，離原子核越近，除了對(duì)原子核中電子的散射以外，核外電子帶負(fù)電荷，對(duì)原子核的彈性散射起屏蔽作

2、用。特征：原子對(duì)電子的散射比X射線的散射強(qiáng)得多，因此電子物質(zhì)內(nèi)部的滲透深度比X射線小得多。作用：原子核對(duì)電子的彈性散射是電子衍射和成像的基礎(chǔ)。6，5.1.1原子核對(duì)電子的非彈性散射，電磁波通過原子不僅能改變波的長(zhǎng)度(能量大小)，還能改變波的方向(散射)，7，5.1.2原子核對(duì)電子的非彈性散射。結(jié)果：非彈性散射發(fā)生后的電子不利影響：生成的X射線是連續(xù)無特征波長(zhǎng)的X射線，不反映樣品結(jié)構(gòu)或成分特征，生成背景信號(hào)，影響成分分析的靈敏度和準(zhǔn)確度，不利于X-張藝興衍射。作用：連續(xù)X-張藝興光譜的強(qiáng)度數(shù)據(jù)可用于分析粒子樣品和粗糙表面樣品的絕對(duì)濃度。8，5.1.3核外電子對(duì)入射電子的散射，(1)散射時(shí)入射電子

3、損失的能量部分變?yōu)闊帷?2)部分電離物質(zhì)的原子或形成自由載流子；(3)伴隨著二次電子、俄歇電子、特征X射線、特征能量損失電子、陰極發(fā)光、電子感應(yīng)等有用信息。在電子衍射和透射電鏡圖像中發(fā)生色差，提高背景強(qiáng)度，降低圖像內(nèi)襯。作用：產(chǎn)生的電離、陰極發(fā)光和電子云的集體振動(dòng)等物理效應(yīng)可以反映樣品的形式、結(jié)構(gòu)和組成特性，是各種電子顯微鏡分析設(shè)備的重要信息源。9，5.2高能電子與樣品物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的電子信息，5.2.1第二次電子5.2.1.1的基本概念：電離和第二次電子：入射電子與核外電子相互作用時(shí)原子失去電子而變成離子的過程稱為電離，離開牙齒原子的電子稱為2價(jià)電子刺激：原子的最外層電子(價(jià)電子)被電離

4、并變成第二次電子心電子刺激：原子內(nèi)層電子電離變成二次電子的過程。價(jià)電子刺激所需的能量比核心電子刺激所需的能量小得多，因此價(jià)電子發(fā)生的概率比內(nèi)層電子的發(fā)生概率大得多。10，5.2.1.2價(jià)電子刺激形成的二次電子特性，1。二次電子是入射電子從樣品的誘導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生的電子，只要有小能量(E50eV)，就能擊中二次電子。二次電子通常不包含元素相關(guān)信息。二次電子在樣品表面(510nm)上的話，很容易離開表面，因此掃描電鏡中，二次電子用于表征樣品表面信息。3.對(duì)樣品表面形態(tài)敏感，11，二次電子的產(chǎn)量(發(fā)射效率)SE與入射電子束的入射角有以下關(guān)系：表達(dá)式中，I SE為二次電子電流強(qiáng)度，I P為入射電子電流

5、強(qiáng)度。樣品表面不平整時(shí)入射角不同，二次電子的強(qiáng)度相應(yīng)改變，通過探測(cè)器檢測(cè)樣品上的二次電子，可以得到形態(tài)襯層圖像，牙齒圖像可以反映樣品表面的形態(tài)特征。請(qǐng)參閱右圖。12，(4)空間分辨率在表面約10nm以內(nèi)的二次電子可以脫離表面檢測(cè)器。在牙齒深度，入射光束還沒有明顯的橫向擴(kuò)散。檢測(cè)到的信號(hào)僅反映與入射束直徑相似的小體積范圍內(nèi)的形態(tài)特性，因此二次電子具有較高的空間分辨率。在圖中，(a)電子束散射區(qū)域梨形；(b)重元素樣品的電子束散射區(qū)半球形狀。2-俄歇電子激發(fā)區(qū)；4-二次電子激發(fā)區(qū)；5-后向散射電子激勵(lì)區(qū)；6- 1次X-張藝興激勵(lì)區(qū)域，13，(5)信號(hào)收集效率高的次電子信號(hào)圍繞入射光束的光點(diǎn)向四面八

6、方發(fā)射(與點(diǎn)光源相同)。但是，由于儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難，二次電子信號(hào)檢測(cè)器的檢測(cè)部分只是信號(hào)分布范圍的一小部分，因此信號(hào)采集效率必須很低。幸運(yùn)的是，二次電子能量很低，容易受到電場(chǎng)作用。因此，如果在探測(cè)器上方添加5-10kV的正電壓，樣品上的大多數(shù)二次電子就可以進(jìn)入探測(cè)器。目前，二次電子是掃描電鏡成像的主要手段。有由14，5.2.1.3芯電子刺激形成的二次電子特性，稱為高速二次電子(FastSecondary Electron)，人們開始研究快速二次電子，并考慮減輕它的干擾。15，樣品上可測(cè)量的電子數(shù)根據(jù)能量的分布在下圖(電子頻譜曲線)中。其中，E0是彈性散射峰，50eV的低功能段是二次電子棒，由

7、兩峰之間的非彈性散射電子組成的背景包括后向散射電子棒、俄歇電子峰、特征能量損失峰。后向散射電子的能量分布比較廣。電子未微分石器球中使用的白山電子是能量高的電子(能量接近E0或相同的電子)，5.2.2等散射電子的特征，定義：入射電子照亮樣品后發(fā)生彈性和非彈性散射，部分入射電子的累積散射角度超過90后再次離開樣品表面。、16，1。對(duì)樣品物質(zhì)的原子序數(shù)敏感性后向散射電子產(chǎn)量隨著原子序數(shù)的增加而增加。因此，背向散射電子圖像的襯層與樣品中每個(gè)微區(qū)的成分密切相關(guān)。金屬的各相分布很容易顯示。17，2?？臻g分辨率和信號(hào)采集率如圖所示低，5-后向散射電子激勵(lì)區(qū)后向散射電子激勵(lì)區(qū)大，空間分辨率低，只能到達(dá)100n

8、m。后向散射電子能量大，運(yùn)動(dòng)方向不容易偏轉(zhuǎn)，探測(cè)器只能接收特定方向的小立體角范圍內(nèi)的電子，信號(hào)收集率低。18，5.2.3電子吸收，定義：樣品較厚時(shí)(微米數(shù)量級(jí))，入射電子的一部分在樣品內(nèi)多次非彈性散射后能量耗盡，不能穿透樣品或離開表面。這種電子稱為吸收電子。吸收電子和反向散射電子(包括二次電子)是互補(bǔ)關(guān)系。也就是說，原子序數(shù)越大，反向散射電子越多，吸收電子就越少，反之亦然。因此，吸收電子相的里料與背向散射電子相相反，在原子序數(shù)差異不同的元素樣品中，可以得到每個(gè)微區(qū)的定性分布。19，5.2.4特征X-張藝興(例如，入射電子具有足夠的能量時(shí))，原子內(nèi)殼(例如，K層)，打電子(原子電離)，留下空穴的

9、話，上層電子跳下來填滿牙齒空穴，產(chǎn)生特征X-ray。根據(jù)原子序數(shù)z，有元素(Criticalionization energy Ec)、原子序數(shù)大元素、大Ec。特征X射線用于透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡的X頻譜分析(EDS)，檢測(cè)被分析物質(zhì)中包含的元素內(nèi)容。EDS可用于原子序數(shù)Z4的元素檢測(cè)。20，5.2.5俄歇電子，如果無線電波有足夠的能量，就能刺激內(nèi)層電子(如K層)。如果填充了其他內(nèi)部電子，電子就可以脫離原子，在原子內(nèi)產(chǎn)生空穴，此時(shí)其他內(nèi)部電子跳下來填補(bǔ)空穴，同時(shí)內(nèi)部殼電子跳出樣品外形成俄歇電子。俄歇電子與電子所在的外殼有關(guān)，因此俄歇電子也能提供元素信息，俄歇電子對(duì)輕型元素(X射線對(duì)重元

10、素敏感性)也很敏感。俄歇電子是數(shù)百eV-幾keV。俄歇電子平均自由路不到一納米，只能在離表面很近的地方逃脫，所以能提供俄歇電子表面的化學(xué)信息。進(jìn)行俄歇電子表面分析的儀器稱為俄歇電子光譜儀(AES)。表面的氧化和污染會(huì)干擾對(duì)俄歇電子光譜的分析，AES必須在超真空(UHV)下工作，前景工作者使用較少，目前有Auger/STEM系統(tǒng)。特征1。適用于輕元素及超輕元素輕元素及超輕元素分析的X-張藝興產(chǎn)量低，俄歇電子產(chǎn)量高，成分分析敏感度遠(yuǎn)高于X-射線。2.表面薄層分析俄歇電子發(fā)生區(qū)域小，可以保持特征能量和離開表面的俄歇電子(限制在表面下1nm以內(nèi)的深度范圍內(nèi))。因此，可以在樣品表面、晶界或相界面上用于俄

11、歇電子成分分析。21，5.2.6自由載流子形成的伴隨效應(yīng)，入射電子進(jìn)入部分半導(dǎo)體、磷光體、絕緣體物質(zhì)時(shí)，可以刺激內(nèi)層電子，在發(fā)生過程中，通過碰撞電離，使萬代電子產(chǎn)生到感應(yīng)帶，從而在傳導(dǎo)帶和萬代內(nèi)產(chǎn)生大量電子和空穴等自由載流子。自由載流子的形成徐璐伴隨著物質(zhì)不同的信息。22，5.2.6.1產(chǎn)生陰極發(fā)光，在磷光體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后傳導(dǎo)帶中的負(fù)載流子(電子)跳到基態(tài)(電子)，同時(shí)發(fā)射光并釋放能量。光的波長(zhǎng)在可見光到紅外線的范圍內(nèi)。這稱為陰極發(fā)光。大多數(shù)陰極發(fā)光材料對(duì)雜質(zhì)非常敏感，雜質(zhì)原子分布的不均勻性會(huì)引起陰極發(fā)光強(qiáng)度的差異，因此陰極發(fā)光信息可用于檢測(cè)雜質(zhì)，靈敏度比X射線發(fā)射光譜高3數(shù)量級(jí)。也

12、可以用于鑒定物質(zhì)上。23，5.2.6.2產(chǎn)生電子感覺傳導(dǎo)，入射電子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，然后通過家電系統(tǒng)的作用產(chǎn)生附加傳導(dǎo)，牙齒效果稱為電子感覺傳導(dǎo)?？捎糜跍y(cè)量半導(dǎo)體的載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命。24，如果測(cè)量這種電子能量信息，可以進(jìn)行成分分析，就稱為能量分析電子顯微術(shù)。如果利用這種電子信息成像，就稱為能量選擇電子顯微術(shù)。5.2.7入射電子和晶體中的電子云相互作用，當(dāng)入射電子通過晶體空間時(shí)，電子云進(jìn)行發(fā)散恢復(fù)運(yùn)動(dòng)，引起電子云的集體振動(dòng)現(xiàn)象，稱為等離子刺激。伴隨能量損失，入射電子的能量損失因元素和成分而異，并且具有特征。入射電子能產(chǎn)生等離子體，離開樣品表面，牙齒電子被稱為特征能量損失電子。25，

13、入射電子與晶格相互作用(毒理學(xué))周期脈沖電子入射的電子音響效應(yīng)(毒理學(xué))，26，入射電子穿透數(shù)十到數(shù)百納米厚的薄膜樣品，由樣品下的探測(cè)器接收。牙齒電子稱為透射電子。通過試件的電子束有試件的成分信息。如果將發(fā)射的特性X-張藝興和oshe譜看作是由詩篇的非彈性散射“發(fā)射”的能量的一種形式，那么，交出牙齒能量部分的入射電子將繼續(xù)向透射電子前進(jìn)，通過對(duì)這些透射電子損失的能量的分析，可以得出詩篇中該區(qū)域的元素配置?；瘜W(xué)環(huán)境函數(shù)核心電子能量位移可以獲取信息。這就是電子能量損失譜的基礎(chǔ)。，5.2.8透射電子，27，5.2.8.1透射電子的三個(gè)茄子效應(yīng)，1。質(zhì)量厚度襯層效果示例由于不同微觀區(qū)域的質(zhì)量或厚度的差異而產(chǎn)生的相應(yīng)微觀區(qū)域的透射電子強(qiáng)度不同，圖像不同區(qū)域的亮度也不同。這稱為質(zhì)量厚度襯層效果。質(zhì)量厚度內(nèi)襯效果可以觀察樣品的組織形態(tài)細(xì)節(jié)。2.衍射效應(yīng)入射電子束對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)恒定的平面單色波，晶體中可能發(fā)生X射線等衍射現(xiàn)象，衍射規(guī)律也滿足