第二章-电子与物质相互作用

1、现代电子显微分析技术傅茂森傅茂森20152015第二章 电子与物质的相互作用入射光入射光相互作用相互作用观察者观察者可见光可见光 光反射折射光反射折射双目镜双目镜MBNd(h k l)321(b)()2sinhklhkldnX射线衍射射线衍射X射线射线电子计数器电子计数器样品(厚)电子与样品相互作用入射电子入射电子二次电子二次电子背散射电子背散射电子可见光可见光特征特征X射线射线俄歇电子俄歇电子吸收电子吸收电子透射电子透射电子非弹性散非弹性散射电子射电子弹性散射电子弹性散射电子样品(薄)轫致辐射轫致辐射X射线射线3.1 电子的弹性散射电子的散射：电子的散射：电子与物质的电子与物质的原子核与核外

2、电子原子核与核外电子发生相互作用，使入射电子的发生相互作用，使入射电子的 方向或能量改变方向或能量改变，有时还发生，有时还发生电子消失、重新发射或产生别种电子消失、重新发射或产生别种 粒子、改变物质性态粒子、改变物质性态等现象，这种现象统称为等现象，这种现象统称为电子的散射电子的散射电子的弹性散射：电子的弹性散射：电子与物质发生相互作用，仅电子与物质发生相互作用，仅方向改变而能量不变方向改变而能量不变电子的非弹性散射：电子的非弹性散射：电子与物质发生相互作用，电子与物质发生相互作用，方向与能量均发生变化方向与能量均发生变化3.1.1 卢瑟福散射理论卢瑟福散射理论将原子核对电子的相互作用与核外电

3、子的相互将原子核对电子的相互作用与核外电子的相互作用看成两个完全孤立的独立过程，作用看成两个完全孤立的独立过程， 忽略核忽略核外电子对核的屏蔽效应外电子对核的屏蔽效应单原子单原子引起电子束偏转示意图引起电子束偏转示意图原子核对入射电子的弹性散射a.核外电子对入射电子的非弹性散射原子核对入射电子的引力原子核对入射电子的引力: :22rZeFn核外电子对电子的排斥力核外电子对电子的排斥力: :22reFe0ErZnnn原子核的正电荷原子核的正电荷入射电子的能量入射电子的能量瞄准距离瞄准距离散射角散射角3.1.2 弹性散射角弹性散射角 可以大于可以大于9090o o 弹性背散射电子弹性背散射电子 t

4、VZZAeNNdNA2222)11 ( 3.1.3电子弹性散射几率电子弹性散射几率 : 物质的密度，物质的密度， NA: 阿佛加德罗常数，阿佛加德罗常数，A: 原子量，原子量，V: 加速电压，加速电压，Z: 原子序原子序数，数， : 散射角，散射角，t: 试样厚度试样厚度试样越薄（试样越薄（t越小），原子越轻（越小），原子越轻（Z小），加速电压越高（小），加速电压越高（V大），电子的散大），电子的散射几率越小，穿透本领越大。射几率越小，穿透本领越大。散射强度远大于散射强度远大于X射线射线(103 -104 倍倍)， 穿透深度比穿透深度比X射线弱射线弱3.1.4电子弹性散射应用电子弹性散射应用u

5、 弹性散射下，各原子散射电子波相互干涉，使合成电子波的强度角分辨弹性散射下，各原子散射电子波相互干涉，使合成电子波的强度角分辨率受到调制，产生电子衍射。衍射波振幅作为空间角分布函数就是试样内率受到调制，产生电子衍射。衍射波振幅作为空间角分布函数就是试样内部电场电势函数的付氏变换；部电场电势函数的付氏变换；u 弹性衍射谱的强度以及经电子透镜完成的第二次付氏变换，可反映衬度弹性衍射谱的强度以及经电子透镜完成的第二次付氏变换，可反映衬度与试样电势分布成比例的高分辨结构像；与试样电势分布成比例的高分辨结构像；u 弹性散射是电子衍射谱和电子显微像的物理依据，可提供晶体结构及原弹性散射是电子衍射谱和电子显

6、微像的物理依据，可提供晶体结构及原子排列信息。子排列信息。3.2 电子的非弹性散射核外电子核外电子与入射电子的相互碰撞几乎与入射电子的相互碰撞几乎全是非弹性散射全是非弹性散射，入射电子，入射电子损失能损失能量量，大部分转变为热能大部分转变为热能，还可产生以下机制：，还可产生以下机制：3.2.1 特征特征X射线射线高能电子束高能电子束原子内层原子内层(K层层)原子电离原子电离(电子逸出，形成空穴电子逸出，形成空穴)外层向下跃迁外层向下跃迁发射特征发射特征X射线射线1k (z)莫塞莱定律莫塞莱定律成分分析成分分析-EDS/WDS3.2.2 二次电子二次电子u 入射电子与核外电子相互作用，使原子电离

7、入射电子与核外电子相互作用，使原子电离( (价带或导带价带或导带) )失去电子，脱离原子失去电子，脱离原子的电子称为二次电子；的电子称为二次电子；1/cosSESE=ISE/Ip （ISE为二次电子电流强度为二次电子电流强度，Ip为入射束电流强度）为入射束电流强度）u 二次电子产额二次电子产额SESE与入射电子束相对于样品表面的入射角与入射电子束相对于样品表面的入射角之间关系：之间关系：u 能量较低能量较低(50eV)，仅样品表面仅样品表面(510nm)二次电子能够逸出表面；二次电子能够逸出表面；u 当样品表面不平时，入射束相对于样品表面的入射角当样品表面不平时，入射束相对于样品表面的入射角发

8、生变化，二次电子发生变化，二次电子 强度相应改变，可将样品表面形貌特征反映出来强度相应改变，可将样品表面形貌特征反映出来表面形貌分析表面形貌分析-SEM/STEM3.2.3 背散射电子背散射电子u背散射电子是背散射电子是被固体样品反射回来的入射电子，被固体样品反射回来的入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子的能量几乎没有损失，而非弹性背散射电子的能量有不散射电子。弹性背散射电子的能量几乎没有损失，而非弹性背散射电子的能量有不同程度的损失同程度的损失;u 能量较高能量较高(等于或接近入射电子能量等于或接近入射电子能量)，逸出深度达几百，逸出深度

9、达几百nm；u 背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息；背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息；;背散射电子背散射电子二次电子二次电子u 背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息，对形貌信息不敏感；背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息，对形貌信息不敏感；u 背散射电子可以产生衍射效应，反应晶体结构与取向信息；背散射电子可以产生衍射效应，反应晶体结构与取向信息；原子衬度像与背散射电子衍射原子衬度像与背散射电子衍射-SEM/EBSD3.2.4 俄歇电子俄歇电子u高能入射电子使内层电子（如高能入射电子使内层电子（如K层）激发，在原子内产生空穴。层）激发，在原子内产生空穴。其他内层其他

10、内层电子跃电子跃迁填补空穴，迁填补空穴，多余能量多余能量同时被同时被其它内壳层电子其它内壳层电子吸收而激发逸出形成俄歇电子吸收而激发逸出形成俄歇电子；u 俄歇电子与特征俄歇电子与特征X射线一样，射线一样，具有特定的能具有特定的能量和波长量和波长，取决于原子的核外电子能级结构；，取决于原子的核外电子能级结构；u 每种元素都有自己的特征俄歇能谱；每种元素都有自己的特征俄歇能谱；u 能量较低能量较低(50eV2000eV), 逸出深度逸出深度1nm;u表面敏感，超高真空；表面敏感，超高真空；外表面成分与形貌分析外表面成分与形貌分析-AES3.2.5 阴极荧光阴极荧光u 半导体样品在入射电子照射下，会

11、产生电子空穴对，当电子与空穴半导体样品在入射电子照射下，会产生电子空穴对，当电子与空穴“复合复合”时，会发射光子，称为阴极荧光；时，会发射光子，称为阴极荧光；u 光子的产生率与半导体的能带或半导体中杂质有关，常用于半导体与杂光子的产生率与半导体的能带或半导体中杂质有关，常用于半导体与杂质的研究；质的研究；物质发光、杂质与晶格缺陷分析物质发光、杂质与晶格缺陷分析-SEM-CL3.2.6 透射电子透射电子u穿透试样的入射电子称为透射电子；穿透试样的入射电子称为透射电子；u影响透射电子强度因素：影响透射电子强度因素： 样品厚度；样品厚度； 原子序数；原子序数； 损失电子数量；损失电子数量； 损失电子

12、强度；损失电子强度；形貌、结构、成分与轨道状态分析形貌、结构、成分与轨道状态分析-TEM-SAED-EELS3.2.7 等离子体激发等离子体激发u 等离子激发是指当入射电子通过电子云时，自由电子集体振动，振动持续等离子激发是指当入射电子通过电子云时，自由电子集体振动，振动持续时间时间1015秒，振动局域在纳米范围内；秒，振动局域在纳米范围内；u 等离子体激发使入射电子损失能量，这种能量损失随材料的不同而不同；等离子体激发使入射电子损失能量，这种能量损失随材料的不同而不同；u 可进行特征能量损失谱分析，亦可选择有特征能量的电子成像。可进行特征能量损失谱分析，亦可选择有特征能量的电子成像。 TEM

13、-EELS3.2.9 声子激发声子激发u 声子是指晶体振动的能量量子声子是指晶体振动的能量量子,激发声子等于加热样品；激发声子等于加热样品；u 声子激发对入射电子能量损失声子激发对入射电子能量损失(0.1eV)影响较小，但使入射电子散射增大影响较小，但使入射电子散射增大(5-15mrds),这会使衍射斑点产生模糊的背景；这会使衍射斑点产生模糊的背景；u 声子激发声子激发Z3/2，声子激发随温度的增加而增加；，声子激发随温度的增加而增加；u 声子激发对电镜工作无益，通常采用冷却样品来减小声子激发。声子激发对电镜工作无益，通常采用冷却样品来减小声子激发。3.3 辐照损伤 电子束辐照可以打断某些材料的化学键合，也可将某些原子从晶格位电子束辐照可以打断某些材料的化学键合，也可将某些原子从晶格位置碰撞出去等，这些对样品造成破坏的作用称为辐