材料研究方法B课件：第2章 电子束与物质作用产生的信号（第一章）

电子显微镜中国地质大学(武汉)材化学院TheFacultyofMaterialScience&Chemistry,ChinaUniversityofGeosciences2第二章电子束与物质作用产生的信号第三章扫描电子显微镜的结构及工作原理第四章扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第一章电子光学基础3第二章电子束与物质作用产生的信号4

只有了解上述物理信息的产生原理及所代表的含义，才能设法检测它们、利用它们。

扫描电子显微镜(SEM)

透射电子显微镜(TEM)

电子探针(EPMA)

分别侧重于对上述某一方面或几方面的信息进行测量分析的。5§2.1二次电子及其成像钛酸铋钠粉体的六面体形貌20000×绿泥石1、二次电子的产生原理

二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。 由于原子核外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成自由电子。6

那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。

78（1）二次电子发生在材料表面5-10nm的区域，能量为0-50eV，大部分为2－3eV。因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的自由电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，从样品中发射出来，成为二次电子。2、二次电子的特点

（2）二次电子产额： 二次电子产额与以下三个因素有关：

a、样品的成分 不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个差别较小。

9b、入射电子的能量与加速电压

10所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能量的电压上。11

c、入射电子束与试样表面法线之间的夹角入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系：

δ＝k/cosθδ：二次电子产额；k：比例常数

θ：电子束与试样表面法线之间的夹角可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，二次电子产额也越大。12Why?13产生上述规律的原因：随着θ角的增加,入射电子束在样品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；10nms1s2s3θ=0°θ=30°θ=60°S=d/cosθ

，s1<s2<s3d随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多，从而二次电子的产额增大。1415形貌衬度原理

由于试样表面凹凸不平，各点所产生的二次电子数量不等，这样就可形成试样外貌的二次电子像。 衬度:指像面上相邻部分间的黑白对比度或颜色差16在扫描电镜中，二次电子检测器一般是装在入射电子束轴线垂直的方向上。小颗粒尖端侧面凹槽实际样品中二次电子的激发过程示意图17 通过一定的方式控制电子束，在样品表面的一个微小区域，逐点轰击样品，二次电子接收器（探测器）也相应地逐点收集。把以上收集到的信号转化成图像的方式，即得到二次电子像－－形貌像。收集到信号多时，形貌像上表现为亮度大，否则为阴影。183、二次电子检测原理4、二次电子像举例19硅-碳-氮纳米材料陶瓷沿晶断裂20珍珠祖母绿高岭石埃洛石215、二次电子像的优点：（1）分辨率高，最高可达10Å；（2）放大倍数灵活，几十到100万倍可调；（3）景深大，是光学显微镜的几百倍，所以立体感强；（4）反差对比度好，图象细节清楚；（5）可以与成分分布状态结合观察，综合分析。22

背散射电子：电子束轰击样品表面时，被样品弹射回来的方向不固定的一部分入射电子。

弹性背散射电子：被原子核反弹回来的，散射角大于90度的入射电子，其能量基本无变化（数千到数万eV）。

非弹性背散射电子：入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。能量范围很宽，从数十eV到数千eV。§2.2背散射电子231、背散射电子的特点

从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。 产生范围:100nm-1μm深度。

能量：能量损失较小，其能量大多与入射电子能量相当，在几十—几千eV。24

二次电子与背散射电子能量比较25

二次电子信号在原序数Z>20后，其信号强度随Z变化很小。

（2）背散射电子产额Z<40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。26

背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为:式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。27 SiO2和SnO2，前者的平均原子序数为15.3，后者的为27.3，因此后者的背散射强度明显大于前者。Example

因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中物质相态的差别。背散射电子像亦称为成分像。2、背散射电子成像原理(原子序数衬度原理）

样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。2829

另外,背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射电子像也被称为有影像;背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。

背散射电子成像分辨率一般为50-200nm。303、背散射电子像Animageofa(Cu,Al)alloyformedusingbackscatteredelectronimaging.ThelightareaisCuandthedarkareaisAl.31ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子像。由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2

相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石－斜锆石共析体，基体灰色相为莫来石。32

透射电子是指电子束轰击样品时能透过薄样品（1μm以下）的入射电子。这种透射电子是由直径很小（<10nm）的高能电子束照射薄样品时产生的，因此，透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定的。

§2.3透射电子33

入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号即由吸收电子提供。 §2.4吸收电子34

吸收电子的产额与背散射电子相反，样品的原子序数越小，背散射电子越少,吸收电子越多;反之样品的原子序数越大，则背散射电子越多，吸收电子越少。入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度与入射电子强度之间的关系

ib+is+iα+it=i0 ib－背散射电子信号

is－二次电子信号

iα－吸收电子信号强度

it－透射电子信号强度35两边除以i0，改写成

η＋δ＋α＋τ＝1

η＝ib/i0，叫做背散射系数

δ＝is/i0，叫做二次电子产额（或发射）系数

α＝iα/i0，叫做吸收系数；

τ＝it/i0，叫做透射系数。36铜样品η、δ、α及τ系数与ρt之间关系（入射电子能量E0=10keV）

吸收电子信号能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。

吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。吸收电子像与背散射电子像成反像. 吸收电子像分辨率低，约为0.1-1μm。3738吸收电子图像奥氏体铸铁的显微组织

(a)背散射电子像(b)吸收电子像39

特征X射线是高能电子激发原子的内层电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征X射线。§2.6特征X射线40

特征X射线的一般发射深度为0.5-5μm范围.

由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，因而对不同元素电子跃迁所产生的特征X射线能量（或波长）不同。

只要测出特征X射线波长，或测出特征X射线光子的能量，便可确定原子序数Z，即可确定特征X射线发射区所含的化学元素。41特征X射线的检测:

波长色散法（WDS)：测定特征X射线波长，进行成分分析。

能量色散法（EDS)：测定特征X射线能量进行成分分析。特征X射线成分分析方法:

点分析:测定样品上某个指定点的化学成分

线分析:测定某种元素沿给定直线分布的情况

面分析:测定某种元素的面分布情况42§2.7俄歇电子e43 当入射电子束照射样品时，俄歇电子与特征X射线同时产生。可是X射线的发射几率随原子序数减小而减小。相反，俄歇电子发射几率却显著增大，而且原子序数较小的元素的俄歇电子谱简单易识。

因此，俄歇电子能谱适合于表面层轻元素和超轻元素的分析。

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俄歇电子能量低，平均自由程非常短（一般为5Å－20Å),尽管入射电子束能激发出大量俄歇电子，而实际上只有极表面3-5Å范围的俄歇电子才能从样品表面发射出来，工作真空过低，往往使分析结果失真。因此,尽管俄歇电子1925年被发现，直到1967年，高真空（大于10-9帕)技术的获得和高灵敏度电子分析仪器的制成，才使俄歇电子作为表面分析的一种重要信息进入了实用阶段。俄歇电子能谱仪必须保持高真空（大于10-9帕)

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一些不导电的样品，在高能电子的作用下，可发射出可见光信号，称之为阴极荧光。它是由这些物质的价电子，在受激态和基态之间能级跃迁直接释放的波长比较长、能量比较低的光波，波长在可见光范围内。

利用阴极荧光现象研究物体中发光微粒，确定物质的发光区域及光波波长，也可分析晶体结构、环