材料特性表征：第7节 电子与固体物质的相互作用

1、材料特性表征Characteristic Technique of Materials第三章 电子显微分析第二节 电子与固体物质的相互作用第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.3 自由载流子2.4 各种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.1 电子散射当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固体物质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变，这种现象称为散射。2.1 电子散射按照电子的动能是否有变化可以把散射分成两大类：(1) 弹性散射: 只改变方向，动能不变(2) 非弹性散射: 方向和动能都改变2.1 电子散射

2、弹性散射：elastic scattering如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电子符合布拉格定律。携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息。在电子显微镜中用于分析材料的结构。2.1 电子散射非弹性散射:inelastic scattering如果在散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变，则这种散射称为非弹性散射。在非弹性散射情况下，非弹性散射电子损失了部分能量，方向也有微小变化。可用于电子能量损失谱，提供成分和化学信息。也能用于特殊成像或衍射模式。 2.1 电子散射原子对电子的散射可以分成三种情况：(1) 原子核对电子的弹性散

3、射(2) 原子核对电子的非弹性散射(3) 原子核外电子对电子的非弹性散射2.1.1 原子核对电子的弹性散射入射电子与原子核发生弹性碰撞时: m(原子核)m(电子), 电子只改变方向,不改变能量,相等于弹性碰撞式中为散射角，Z为原子序数，e为 电子电荷，E0 为入射电子能量，rn 为电子距原子核距离2.1.1 原子核对电子的弹性散射入射电子与原子核发生弹性碰撞时: m(原子核)m(电子), 电子只改变方向,不改变能量,相等于弹性碰撞表明: Z大, E0小, r小, 散射角大 应用: 由于弹性散射的电子能量等于或者接近于入射电子能量E0, 因此是透射电镜中成像和衍射的基础.2.1.2 原子核对电子

4、的非弹性散射能量损失转变为X射线，由于能量损失不固定，X射线波长无特征值。波长是连续的，不能用来分析，反而在X射线谱上产生连续背底，影响分析的灵敏度和准确度。入射电子与原子核发生弹性碰撞时，除了受核的库仑电场的作用发生大角度弹性散射外，入射电子也可以被库仑电势制动而减速，成为一种非弹性散射。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射 单电子激发：二次电子 等离子激发 声子激发入射电子与核外电子的碰撞为非弹性散射，此时入射电子运动方向改变，能量受到损失，而原子则受到激发。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射 单电子激发 入射电子与核外电子的碰撞,将核外电子激发到空能级或者脱离原子核成为二次

5、电子，而原子则成为离子，此过程称为电离。二次电子：发生非弹性散射时，被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。特点：级联过程 能量低 50ev 主要为小角度非弹性碰撞2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射 单电子激发 入射电子与核外电子的碰撞,将核外电子激发到空能级或者脱离原子核成为二次电子，而原子则成为离子，此过程成为电离。二次电子：发生非弹性散射时，被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。特点：对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。分辨率高，可达5-10nm。应用：扫描电子显微镜成像主要手段。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射等离子激发: 晶体是处于点阵固定

6、位置的正离子和漫散在整个空间的价电子云组成的电中性体，因此可以把晶体看成是等离子体，入射电子会引起价电子的集体振荡，价电子的这种集体振荡的能量是这种能量量子称为等离子。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射等离子激发: 晶体是处于点阵固定位置的正离子和漫散在整个空间的价电子云组成的电中性体，因此可以把晶体看成是等离子体，入射电子会引起价电子的集体振荡，Ep有固定值,随不同元素以及成分而异，称为特征能量损失。损失后能量后的电子称为特征能量损失电子。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射等离子激发: 晶体是处于点阵固定位置的正离子和漫散在整个空间的价电子云组成的电中性体，因此可以把晶体看成

7、是等离子体，入射电子会引起价电子的集体振荡，应用: 电子能量损失谱进行成分分析，称之为能量分析电子显微术选择有特征能量的电子成像，称之为能量选择电子显微术声子激发 晶格振动的能量也是量子化的，它的能量量子称之为声子。2.1.3 原子核外电子对电子的非弹性散射入射电子和晶格的作用可以看作是电子激发声子（或吸收声子）的碰撞过程。碰撞后，电子发生大角度散射，能量变化甚微，动量改变可以相当大。0.03eV。2.1 电子散射样品电子束核电子和电子的非弹性散射二次电子， SEM样品表面形状原子核和电子的弹性散射透射电子， TEM第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程

8、2.3 自由载流子2.4 各种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.2 内层电子激发的驰豫过程当内层电子被运动电子轰击脱离原子后,原子处于高度激发状态,它将跃迁到能量较低状态，这个过程称作驰豫过程。(1)辐射跃迁，即特征（标识）X射线发射；(2)非辐射跃迁，即俄歇电子。X射线 ：当入射电子与原子中内层电子发生非弹性散射时也会损失其部分能量，这部分能量将激发内层电子电离，芯电子激发，在此过程中除了产生二次电子外还伴随着X射线光子产生，失掉内层电子的原子处于不稳定的较高能量状态，依据一定的选择定则向能量较低的量子态跃迁，跃迁的过程中将可能发射具有特征能量的X射线光子，用于分析材

9、料的成分。入射电子X射线光子非弹性背散射电子二次电子2.2 内层电子激发的驰豫过程2.2.1 特征（标识）X射线发射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.2.1 特征（标识）X射线发射Z是原子序数，对于每一个元素，都有特定的X射线波长。可以根据特征X射线的波长及强度进行试样中的元素的定性和定量分析，也可以利用特征X射线成X射线的像。（能谱仪和波谱仪）2.2 内层电子激发的驰豫过程2.2.2 俄歇电子俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量如果不是以X射线光子的形式放出，而是将能量传递给一个最外层电子，该电子获得能量挣脱原子核束缚，并逸出样品表面，成为自由电子，这样的

10、自由电子称为俄歇电子。2.2 内层电子激发的驰豫过程2.2.2 俄歇电子俄歇电子产额或俄歇跃迁几率决定俄歇谱峰强度，直接关系到元素的定量分析。俄歇电子与特征X射线是两个互相关联和竞争的发射过程。2.2 内层电子激发的驰豫过程样品电子束二次电子样品表面形状特征X射线样品内部成分俄歇电子样品表面化学成分透射散射电子第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.3 自由载流子2.4 各种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.3 自由载流子当高能量的入射电子照射到半导体，绝缘体和磷光体上时,不仅可在内层电子激发产生电离，还可在满带中的价电子激发到

11、导带中去，在满带和导带内产生大量空穴和电子等自由载流子，这些自由载流子进一步产生阴极荧光，电子束电导和电子束伏特效应。2.3 自由载流子2.3.1 阴极荧光 Cathodoluminescence 半导体、绝缘体和荧光体，在高能量电子束的照射下射出的可见光。 应用：阴极荧光谱线波长(颜色)和强度来鉴别生体物质和分析杂质含量。 2.3.2 电子束电导和电子生伏特在高能电子束的照射下，半导体材料中将产生自由载流子，电子束电导-在试样两端建立电位差，自有载流子向导性电极移动，产生附加电导。电子束伏特效应-自由载流子在半导体的局部电场作用下，各自运动到一定的区域积累起来,形成净空间电荷而产生电位差。2

12、.3 自由载流子2.3.2 电子束电导和电子生伏特在高能电子束的照射下，半导体材料中将产生自由载流子，电子束电导-和半导体内杂质和缺陷有关。电子生伏特-用来测量半导体少数载流子的扩散长度和寿命。2.3 自由载流子2.3 自由载流子样品电子束二次电子样品表面形状特征X射线样品内部成分俄歇电子样品表面化学成分透射电子阴极荧光束感生效应第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.3 自由载流子2.4 各种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.4 各种电信号在电子与固体物质相互作用过程中，产生的电子信号，除了二次电子、俄歇电子和特征能量损失电子

13、以外，还有背散射电子、透射电子和吸收电子等初次电子。2.4 各种电信号2.4.1 背散射电子: 电子射入试样后，受到原子散射，有一部分电子的总散射角大于90，重新从试样表面逸出，称为背散射电子，这个过程称为背散射。(1) 弹性背散射电子.(2) 非弹性背散射电子 单次 ;多次.入射电子弹性背散射电子非弹性背散射电子二次电子2.4 各种电信号2.4.1 背散射电子: 弹性背散射电子和非弹性背散射电子.前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。入射电子弹性背散射电子非弹性背散射电子二次电

14、子2.4 各种电信号表面出射电子：(1)二次电子，50ev(3)俄歇电子，(4)特征能量损失电子。2.4.1 背散射电子: 2.4 各种电信号2.4.1 背散射电子: 背散射电子产额随原子序数增大而增大2.4 各种电信号特点：背散射电子反应样品表面不同取向、不同平均原子量的区域差别，产额随原子序数增大而增大应用：背散射电子作为成像信号，不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数的衬度，进行定性分析2.4.1 背散射电子: 2.4.2 透射电子：当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另外一表面射出称为透射电子。特点：如果试样厚度小于电子穿透能力，透射电子主要是由弹性散射电子组

15、装，成像比较清晰，电子衍射斑点比较明锐。如果试样厚度大于电子穿透能力，透射电子中有相当一部分是非弹性散射电子，能量低于入射电子能量，而且是一个变量，经磁透镜成像后，由于色差，影响成像的清晰度。2.4 各种电信号2.4.3 吸收电子 入射电子位多次非弹性散射后，能量消失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种电子称之为吸收电子。 如果将试样和纳安表链接并接地，可以显示出吸收电子产生的吸收电流。 如果样品厚度越大，密度越大，原子序数越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。 应用： 利用吸收电流这个信号成像， 还可以分析原子序数不同的元素的定性分布2.4 各种电信号背投射电子、透射电子和吸收电

16、子等2.4 各种电信号2.4 各种电信号样品电子束二次电子样品表面形状特征X射线样品内部成分背反射电子原子种类与样品表面形貌俄歇电子样品表面化学成分透过散射电子阴极荧光样品电流，样品电性束感生效应透射电子2.4 各种电信号信号仪器电子二次电子扫描电子显微镜(SEM)弹性散射电子低能电子绕射(LEED)反射式高能电子绕射(RHEED)穿透式电子显微镜(TEM)非弹性背散射电子电子能损谱(EELS)俄歇电子俄歇电子能谱(AES)光子特征X射线能谱(EDS)波谱(WDS)可见光阴极激发光(CL)第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.3 自由载流子2.4 各

17、种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.5.1 基本概念电子束受到物质原子散射作用，偏离原来方向，向外发散，所以随着电子束进入样品深度的不断增加，入射电子的分布范围不断增大，同时动能不断降低，直至动能降低为零，最终形成一个规则的作用区域。2.5 相互作用体积2.5.1 基本概念扩散：入射电子射入固体试样，经多次散射后，完全失掉方向性，即各方向散射几率相等，称为扩散或漫反射。相互作用体积：扩散作用使电子与物质相互作用不限于电子入射方向，而具有一定体积范围，称相互作用体积。2.5 相互作用体积2.5 相互作用体积2.5.2 .相互作用形状和大小的影响因素：试样原子序数入射电子能

18、量电子束入射方向2.5 相互作用体积2.5.2 .相互作用形状和大小的影响因素：试样原子序数：轻元素试样，相互作用体积呈梨形 重元素试样，相互作用体积呈半球形2.5 相互作用体积2.5.2 .相互作用形状和大小的影响因素：入射电子能量：能量增加，体积增加，但形状基本不变2.5 相互作用体积2.5.2 .相互作用形状和大小的影响因素：电子束入射方向：倾斜入射，试样表面处相互作用体积横向尺寸增加2.5 相互作用体积相互作用体积形状和大小决定各种物理信号产生的深度和广度第二节 电子与固体物质的相互作用2.1 电子散射2.2 内层电子激发的驰豫过程2.3 自由载流子2.4 各种电信号2.5 相互作用体积2.6 信号产生的深度和广度2.6 信号产生的深度和广度可以产生信号的区域称为有效作用区，有效作用区的最深处为电子有效作用深度。但在有效作用区内的