电子与固体物质的作用.pptx

1、电子与固体物质的相互作用,目录 Contents,1,2,3,4,5,电子散射,内层电子激发后的弛豫过程,自由载流子,电子与固体作用产生的各种信号,相互作用体积与信号产生的深度和广度,当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样内，在原子库仑电场作用下，入射电子方向改变，称为散射。原子对电子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。 在弹性散射中，电子只改变方向，基本无能量的变化。 在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的减小，转变为热、光、X射线和二次电子等。 原子对电子的散射具体分为： 原子核对电子的弹性散射； 原子核对电子的非弹性散射； 核外电子对电子的非弹性散射。,一、电子散射,当入射电子作

2、用在以原子核为中心、rn为半径的圆内时将被散射到大于的角度以外，故可用rn2来衡量一个孤立原子核把入射电子散射到大于角度以外的能力。 由于电子与原子核的作用为弹性散射，故将故将rn2叫做弹性散射截面，用n表示。,1.1 原子核对电子的弹性散射,弹性散射电子由于其能量等于或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。,入射电子运动到原子核附近，除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，入射电子损失的能量E转变为X 射线。 由于能量的损失不是固定的，这种X射线无特征波长值，能量损失越大， X射线波长越短，波长连续可变，一般称为

3、连续辐射或者韧致辐射。它本身不能用来进行成分分析，反而会在X射线谱上产生连续本底，影响分析的灵敏度和准确度。,1.2 原子核对电子的非弹性散射,同理，称re2为核外电子的非弹性散射截面，用来衡量一个孤立的核外电子把入射电子散射到角以外的能力，用e表示。 原子散射截面可定义为电子被散射到等于或者大于角的几率除以垂直入射电子方向上单位面积的原子数。量纲为面积。 原子散射截面是弹性散射截面与非弹性散射截面之和，即 ()= e()+ i(),1.3 核外电子对电子的非弹性散射,当试样原子的内层电子被运动的电子轰击脱离了原子后，原子处于高度激发状态，它将跃迁到能量较低的状态，这种过程称为弛豫过程。 弛豫

4、过程可以是辐射跃迁，即特征X射线发射；也可以是非辐射跃迁，如俄歇电子发射，这些过程都具有能量特征。 能谱仪和波谱仪就是利用X射线来进行成分分析的谱仪。,二、内层电子激发后的弛豫过程,当能量较高的入射电子照射到半导体、磷光体和绝缘体上时，不仅可使内层电子被激发产生电离，还可使满带的价电子激发到导带中去，这样就在满带和导带内产生电离，这样就在满带和导带内产生大量空穴和电子等自由载流子。 阴极荧光、电子束电导和电子束伏特效应等都是这些自由载流子产生的。,三、自由载流子,四、电子束与物质之间的作用产生的信号,高速运动的电子束轰击样品，会产生很多物理信号，主要分以下三大类： 电子信号： 1. 未散射电子

5、（透射电子） 2. 散射电子(反射电子、透过散射电子及吸收电子) 3. 激发电子(包括二次电子及俄歇电子 ) 电磁波信号： 1.X射线(包括特征及连续辐射) 2. 可见光(阴极荧光) 电动势：由半导体中电子一空穴对的产生而引起。,四、电子束与物质之间的作用产生的信号,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。 如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，则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。,4.1 二次电子(Sec

6、ondary Electron),二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV，大部分为2-3eV。 它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。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。 二次电子产额随原子序数的变化不大，它主要取决与表面形貌。 因此一般所说的电子显微镜照片即是指收集到的二次电子信号转化成的图象，简称形貌像。,4.1 二次电子(Secondary Electron),背散射电子是指被固体样品原子反射回来的

7、一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。 弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的，散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本无变化（几到几十KeV）。 非弹性背反射电子是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。,4.2 背散射电子(Back-scattered Electron),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。背散射电子的产生范围在样品的100nm-1m m深度，能量在几十-几千eV。 背散射电子成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。,背散射电子及二次电

8、子的产额随原子序数的增加而增加，但二次电子增加的不明显。而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衬度，定性地成分分析。 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。,4.2 背散射电子(Back-scattered Electron),二次电子与背散射电子能谱比较,如果样品的厚度大大小于入射电子的有效穿透深度，将有相当数量的电子穿透样品，称之为透射电子。 只有透射电子显微镜可以探测这种信号。 用于观察高倍形貌、晶格条纹像，以及电子衍射、微区晶体结构分析。,4.3 透射电子(Transmitte

9、d Electron),随着入射电子与样品中原子核或核外电子发生非弹性碰撞次数的增多，电子的能量和活动能力不断降低，以致最后被样品全部吸收。 用检测电流的方式可以得到吸收电子的信号像，它是背散射电子像和二次电子像的负像。 现在一般不采用这种方式获得照片。,4.4 吸收电子(Absorption Electron),样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足以下关系： ip=ib+is+ia+it 式中：ip是入射电子强度；ib是背散射电子强度；is是二次电子强度；ia是吸收电子强度；it是透射电子强度。 将上式两边同除以ip，得： + +T=1 式中： = ib/ip，为背散射系数； = is

10、/ip，为二次电子发射系数； = ia/ip，为吸收系数； T = it/ip，为透射系数。,透射、吸收、背散射和二次电子之间的强度关系,电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系 T: 透射; : 吸收; +:背散射和二次电子,4.5 特征X射线(X ray),对特征X射线，只有能量大于EK(K激发)的电子才有可能激发初级K系特征X射线。因此激发初级K系特征X射线的深度及广 度由电子能量EEK的范围决定。对于不同元素，由于EK不同，其范围也不同。,对同一元素，激发K、 L、 M各系的特征X射线的范围也不同， 随EK、 EL、 EM依次变小而增大。特征X射线是电子探针微区成分分析所检测的主要信号

11、。 对连续辐射只要电子能量E0就可以激发，因此其产生范围较初级特征X射线为大。 X荧光是由特征X射线及连续辐射激发的次级特征辐射。X射线在固体中具有很强的穿透能力，无论是特征X射线还是连续辐射都能在试样内达到较大的范围，因此X荧光产生的范围就更大。,4.5 特征X射线(X ray),由于特征X射线范围大，不但使X射线图像分辨率低于二次电子、背散射电子和吸收电子的图像，还会使X射线显微分析的区域大于入射电子束照射的面积。,在电子跃迁的过程中，如果过剩的能量不是以X射线的形式放出去，而是把这部分能量传递给同层（或者外层）的另一个电子，并使之发射出去，该电子即为俄歇电子。,4.6 俄歇电子(Auge

12、r Electron),俄歇电子的能量较低，50-1500eV。每种元素都具有各自特征的俄歇电子能量，且俄歇电子的平均自由程很小（ 1nm左右），只有表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具有分析意义。因此俄歇电子特别适合表面层的成分分析。,半导体、磷光体和一些绝缘体，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。 主要用于物质的阴极荧光特点分析，如分析物质晶体的成长过程等。,4.7 阴极荧光(Cathodo-luminescence),电子与材料相互作用产生的信号带有材料的不同信息，由这些信号所派生出来的分析方法在下表中概括列出。 成像、获得有关晶体结构的信息、微区成分分析,各种信号的应用,相互作用的体积 当电子射入固体试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，入射电子经过多达百次以上的散射后完全失掉方向性，也就是向各个方向散射的几率相等，一般称为扩散或漫散射。 由于存在这种扩散过程，电子与物质的相互作用不限于电子入射方向，而是有一定的体积范围。此体积范围称为相互作用体积。,五、相互作用的体积和信号产生的深度和广度,相互作用体积的形状和大小 电子与固体试样相互作用体积的形状和大小与