第五章.电子显微分析基础...ppt

1、1,材料科学研究方法 第五章电子显微分析基础 （电子与物质的相互作用）,2,一、电子信号在电子显微分析中的应用,3,5.1. 物质对入射电子的散射,散射定义：当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散射。 1. 散射类型 弹性散射改变轨道，能量不变 非弹性散射改变轨道，能量改变,4,5.1.1 原子核对电子的弹性散射,当入射电子从距原子核 r n处经过时，由于原子核的正电荷的吸引作用，入射电子偏离入射方向。此即原子核对电子的弹性散射 电子波通过原子不改变波矢长度(能量大小)，但可能改变波矢方向（散射）,5,散射角 n与瞄准距离r n 、

2、核电荷数Z 及入射电子的能量 E 0之间的关系为： 可见，原子序数越大，电子能量越小，距核越近，则散射角越大。 除原子核对电子的散射外，核外电子带负电荷，对原子核的弹性散射有屏蔽作用。 特点：由于原子对电子的散射比对 X 射线的散射强得多，因此，电子在物质内部的穿透深度要比X 射线小得多。 作用：原子核对电子的弹性散射是电子衍射及成像的基础。,6,5.1.1 原子核对电子的非弹性散射,电子波通过原子不但改变波矢长度(能量大小)，还可能改变波矢方向（散射）,7,5.1.2 原子核对电子的非弹性散射,结果：非弹性散射发生后，电子运动方向改变，能量也有不同程度的损失，损失的能量E 转化为相应的X 射

3、线的能量： E = h = hc / 可见，能量损失越大，X 射线的波长越短。 不利影响：产生的X 射线是连续的无特征波长的X 射线，不能反映样品结构或成分特征，反而产生背景信号，影响成分分析的灵敏度和准确度，对X 射线衍射不利。 作用：连续 X 射线谱的强度数据可用于分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度。,8,5.1.3 核外电子对入射电子的散射,（1）散射时入射电子所损失的能量部分转变为热； （2）部分使物质中的原子发生电离或形成自由载流子； （3）并伴随着产生二次电子、俄歇电子、特征X 射线、特征能量损失电子、阴极发光和电子感生电导等有用信息 不利影响：在电子衍射及透射电镜成像中引起色差

4、而增加背景强度及降低图像衬度。 作用：产生的电离、阴极发光及电子云的集体振荡等物理效应，可以反映样品的形貌、结构及成分特征，是各种电子显微分析仪器的重要信息来源。,9,5.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息,5.2.1 二次电子 5.2.1.1基本概念： 电离和二次电子：入射电子与核外电子发生相互作用时，使原子失去电子而变成离子，这种过程叫电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。 价电子激发：原子的最外层电子（价电子）被电离出来变成二次电子的过程。 芯电子激发：原子的内层电子被电离出来变成二次电子的过程。 价电子激发所需的能量比芯电子激发所需的能量小得多，故价电子的激发几率远大于内层电

5、子的激发几率。,10,5.2.1.2 价电子激发形成的二次电子特点,1. 二次电子是被入射电子在样品的导带和价带里打出来的电子，只需小的能量(E50eV)就可打出二次电子。 2. 二次电子通常不包含与元素有关的信息。如果二次电子在样品表面（510nm），则很容易逸出表面， 所以在扫描电镜中二次电子被用来表征样品表面信息。 3.对样品表面形貌敏感,11,二次电子的产额（发射效率） SE 与入射电子束的入射角 有下列关系： 式中 I SE 为二次电子电流强度， I P 为入射电子电流强度。 当样品表面不平时，入射角 不同，二次电子的强度相应改变，用检测器检测样品上方的二次电子，则得到形貌衬度图像，

6、这种图像就能反映出样品表面形貌特征。见右图。,12,（4）空间分辨率高 接近表面约 10nm以内的二次电子才能逸出表面被检测器接收，在此深度入射束尚无明显侧向扩散，检测到的信号仅反映了与入射束直径相当、很小体积范围内的形貌特征，所以，二次电子具有较高的空间分辨率。,图中，(a)电子束散射区域梨形形状；(b)重元素样品的电子束散射区域半球形状。 2-俄歇电子激发区域；4-二次电子激发区域；5-背散射电子激发区域；6-初级X 射线激发区域,13,（5）信号收集效率高 二次电子信号是以入射束的照射点为中心向四面八方发射的（相当于点光源）。但由于仪器结构设计方面的困难，二次电子信号检测器的检测部分只占

7、信号分布范围的很小一部分，这样，信号收集效率必然很低。好在二次电子能量很低，易受电场作用。因此，可在检测器上面加一个5-10kV 的正电压，就可使样品上方的绝大部分二次电子都进入检测器。 目前，二次电子是扫描电镜成像的主要手段。,14,5.2.1.3芯电子激发形成的二次电子特点,还有一类二次电子，称为快二次电子（FastSecondary Electron），这些快二次电子是从内壳层中激发出来的，它们带有很大一部分入射电子的能量(50200keV). 快二次电子对电子显微分析没有好处，它们会产生许多X射线，对正常的X射线分析带来干扰。 人们正开始研究快二次电子，想法减轻它的干扰。,15,在样品

8、上方能够测量的电子数目随能量的分布如下图（电子能谱曲线）。其中，E0 处为弹性散射峰，50eV 的低能段为二次电子峰，两峰之间是非弹性散射电子构成的背景，包括：背散射电子峰、俄歇电子峰、特征能量损失峰。背散射电子的能量分布较宽。电子显微分析仪器中利用的背散射电子是那些能量较高的（能量接近或等于E0 的电子），这些背散射电子 特点：,5.2.2背散射电子,定义： 入射电子照射样品后，发生弹性和非弹性散射，有些入射电子的累计散射角超过90，它们将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。,16,1.对样品物质的原子序数敏感 背散射电子产额随原子序数的增大而增加，如图。所以，背散射电子像的衬度与样品上各微

9、区的成分密切相关； 金属中各相分布易于显示。,17,2.空间分辨率及信号收集率较低 如右图，5-背散射电子激发区域背散射电子激发区域大，空间分辨率低，只能达到100nm。 背散射电子能量大，运动方向不易偏转，检测器只能接收一定方向上的及较小立体角范围内的电子，信号收集率较低。,18,5.2.3吸收电子,定义：当样品较厚（达微米数量级），入射电子的一部分在样品内经过多次非弹性散射后，能量耗尽，既无力穿透样品，也不能逸出表面，这种电子称为吸收电子。 吸收电子与背散射电子（包括二次电子）是互补关系，即原子序数越大，背散射电子越多，则吸收电子越少，反之亦然。因此，吸收电子像的衬度正好与背散射电子像相反

10、，同样可以得到原子序数不同的元素在样品上各微区定性的分布情况。,19,5.2.4特征X 射线, 如入射的电子具有足够的能量，射到原子内壳层，例如K层，将一个电子打出去（使原子电离），留下一个空穴，这时上层的电子会跳下来填充这个空穴，而产生特征X射线。 不同原子序数Z的元素有不同的电离能(Criticalionization energy Ec)，原子序数大的元素，有较大的Ec。 特征X射线被用于透射电镜和扫描电镜中的X能谱分析（Energy Dispersive Spectrometer, EDS），它可以检测所分析的物质中含有什么元素。EDS可用于检测原子序数Z4的元素。,20,5.2.5俄

11、歇电子, 假如入射电子有足够的能量使内层电子（例如K层）激发。若其他内层电子已填满，则电子只能跑出原子以外，在原子内产生空穴，这时其他内层电子跳下来填补空穴，同时有一个内壳层电子跳出样品外形成俄歇电子。 俄歇电子的能量与电子所处的壳层有关，故俄歇电子也能给出元素的信息，俄歇电子对轻元素敏感（X射线对重元素敏感）。俄歇电子的能量为几百eV-几个keV。俄歇电子的平均自由程小于1纳米，它们只能从很靠近表面的地方逸出，故俄歇电子能给出表面的化学信息.利用俄歇电子做表面分析的仪器称为俄歇电子谱仪（AES）。表面的氧化与污染会妨碍俄歇电子谱的分析，AES必须在超高真空（UHV）下工作，电镜工作者用得较少

12、，目前已有了Auger/STEM系统。 特点 1. 适用于分析轻元素及超轻元素 轻元素及超轻元素的 X 射线产额低，而俄歇电子产额高，用于成分分析灵敏度远高于X 射线。 2. 适用于表面薄层分析 俄歇电子激发区域小，能够保持其特征能量而逸出表面的俄歇电子只限于表层以下1nm 以内的深度范围。因此，俄歇电子可用于样品表面、晶界或相界面处的成分分析。,21,5.2.6自由载流子形成的伴生效应,当入射电子进入一些半导体、磷光体和绝缘体物质时，使内层电子激发，激发过程中还可通过碰撞电离，使满带电子被激发到导带，从而在导带和满带内产生大量电子和空穴等自由载流子。自由载流子的形成会因物质的不同而伴生不同信

13、息。,22,5.2.6.1产生阴极发光,在磷光体中产生电子-空穴对后，导带中的负载流子（电子）跳回基态，同时发射光而释放能量，光的波长在可见光到红外光范围内，这种现象称为阴极发光。 大多数阴极发光材料对杂质十分敏感，任何杂质原子分布的不均匀都能造成阴极发光的强度差异，因此，阴极发光信息可用于检测杂质，灵敏度比X 射线发射光谱高三个数量级。还可用于鉴定物质相。,23,5.2.6.2产生电子感生电导,入射电子在半导体中产生电子-空穴对后，在外加电场作用下可产生附加电导，这种效应称为电子感生电导。可用于测量半导体中载流子的扩散长度和寿命。,24,若测量这种电子能量信息，可进行成分分析，则称为能量分析

14、电子显微术。 若利用这种电子信息成像，则称为能量选择电子显微术。,5.2.7入射电子和晶体中电子云相互作用,当入射电子通过晶体空间时，电子云会作发散回复运动，造成电子云的集体振荡现象，称为等离子激发。同时伴随能量损失，入射电子的能量损失随元素和成分不同而异，有特征性。如果入射电子引起等离子激发后能逸出试样表面，则这种电子称为特征能量损失电子。,25,入射电子和晶格相互作用（自学） 周期脉冲电子入射的电声效应（自学）,26,入射电子穿透厚度为几十至几百纳米的薄膜样品，被样品下方的检测器所接收，这种电子称为透射电子。 透射过试样的电子束携带着试样的成分信息。如把发射的特征X射线及俄歇谱看作是电子受

15、试样非弹性散射“弹出去”的能量的一种形式，那末交出这部分能量的入射电子将继续前进成为透射电子，通过对这些透射电子损失的能量的分析，也可以得出试样中相应区域的元素的组成，得到作为化学环境函数的核心电子能量位移的信息。这就是电子能量损失谱的基础。,5.2.8透射电子,27,5.2.8.1 透射电子的三个效应,1.质厚衬度效应 样品不同微区质量或厚度的不同，所引起的相应微区透射电子强度的不同，进而使得图像上不同区域的亮暗程度不同，这种现象称为质厚衬度效应。质厚衬度效应可以观察样品的组织形貌细节。 2.衍射效应 入射电子束相当于波长恒定的平面单色波，可以在晶体上发生如X射线一样的衍射现象，衍射规律同样满足布拉格