电子与物质的交互作用

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1、 第 二 篇电 子 显 微 分 析 技 术 材 料 现 代 分 析 技 术 课 程 建 设 小 组 1. 电 子 与 物 质 的 交 互 作 用1. 1 散 射 的 基 本 概 念1. 2 高 能 电 子 与 样 品 物 质 交 互 作 用产 生 的 电 子 信 息 1. 1 散 射 的 基 本 概 念电 子 ： 是 一 种 带 负 电 的 基 本 粒 子静止质量me=9.110 x10-31kg电量q=-e (e=1.602*10-19C ) 散 射：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

2、 电 子 方 向 发生 改 变 的 现 象 。1. 1 散射的基本概念 弹 性 散 射 :电 子 只 改 变 运 动 方 向 ， 基 本 无 能 量变 化 。非 弹 性 散 射 -原 子 对 入 射 电 子 的 散 射 电 子 不 仅 改 变 运 动 方 向 ， 能 量 也 有 不 同 程度 衰 减 。 被 散 射 电 子 的 波 长 改 变 ， 损 失 的 能量 导 致 物 体 内 部 的 某 些 激 发 效 应 ， 其 表 现 形式 可 以 是 次 级 电 子 、 俄 歇 电 子 、 标 识 和 连 续 X射 线 、 热 辐 射 、 紫 外 和 可 见 光 区 域 的 光 子等 ， 也 可

3、 以 是 等 离 子 体 激 元 的 激 发 。 1. 1 散射的基本概念 弹性散射弹性散射 一个运动的电子靠近孤立的原子核时，由于库仑力的作用，电子将向核方向偏转，偏转角-， 的大小取决于rn 的大小 弹性散射核质量电子的质量，此偏转可视为弹性散射，则偏转角称为散射角在(rn)2 圆面积内的散射，散射角 ，称(rn)2 为散射角大于的核弹性散射截面 弹 性 散 射 是 电 子 衍 射 及 成 像的 基 础 核外电子的非弹性散射 一 个 运 动 的 电 子 靠近 孤 立 的 电 子 时 ，由 于 库 仑 力 的 排 斥作 用 ， 电 子 将 向 反方 向 偏 转 ， 偏 转 角 -， 的 大

4、小 取 决于 r e 的 大 小非弹性散射 核外电子的非弹性散射u电 子 质 量 =电 子 的 质 量 ， 电 子 偏 转 时 有 能量 的 变 化 ， 此 偏 转 可 视 为 非 弹 性 散 射 。u在 (re)2 圆 面 积 内 的 散 射 ， 散 射 角 ，称 (re)2 为 散 射 角 大 于 的 非 弹 性 散 射 截 面 。 核外电子的非弹性散射 原 子 中 核 外 电 子 对 入 射 电 子 的 散 射 所 损失 的 能 量 部 分 转 变 为 热 ， 部 分 使 物 质 中 原 子发 生 电 离 或 形 成 自 由 载 流 子 ， 并 伴 随 着 产 生各 种 有 用 信 息

5、， 如 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 、电 子 感 生 电 导 等 1.2 高 能 电 子 与 样 品 物 质 交 互 作用 产 生 的 电 子 信 息 （1）背散射电子 定 义 ： 入 射 电 子 在 试 样内 经 过 一 次 或 几 次 大 角度 弹 性 散 射 或 非 弹 性 散射 后 离 开 试 样 表 面 的 电子 。 （1）背散射电子背 散 射 电 子 的 产 生 范 围 在 0.11m， 这 是由 于 背 散 射 电 子 具 有 较 高 的 能 量 ， 所 以 可 在 试 样 较 深部 位 散 射

6、出 试 样 表 面 。背 散 射 电 子 的 产 额 随 试 样 原 子 序 数 的增 加 而 增 加 。 （1）背散射电子背 散 射 电 子 在 试 样 内 部 接 近 完 全 扩散 ， 其 广 度 较 入 射 电 子 束 直 径 大 若干 倍 ， 它 可 从 试 样 较 深 部 位 逸 出 。 特 点 ：1： 对 样 品 物 质 的 原 子 序 数 敏 感2： 分 辨 率 及 信 号 收 集 率 较 低 （ 2） 二 次 电 子 定 义 ：在 入 射 电子 的 轰 击 下 被迫 离 开 试 样 表面 的 试 样 的 核外 电 子 。 （ 2） 二 次 电 子 二 次 电 子 的 能 量 小

7、 于 50 eV， 所 以 只 有 试 样表 层 下 510nm范 围 内 激 发 出 的 二 次 电 子 ，才 有 可 能 逸 出 试 样 表 面 二 次 电 子 发 射 的 广 度 与 入 射 电 子 束 直 径 相差 无 几 ， 它 对 试 样 表 面 形 貌 敏 感 主 要 用 于 显 示 试 样 的 表 面 形 貌 （ 3） 吸 收 电 子 定 义 ： 入 射 电 子 射 入 试 样 后 ， 经 多次 非 弹 性 散 射 后 能 量 消 耗 殆 尽 而形 成 吸 收 电 子 被 试 样 吸 收 （ 3） 吸 收 电 子 在 试 样 和 地 之 间 接 入 mA计 进 行 放 大 ，

8、可检 出 吸 收 电 子 产 生 的 电 流 吸 收 电 子 像 用 于 显 示 样 品 表 面 形 貌 和 样 品表 面 元 素 分 布 状 态用吸收电流成像，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。 图 像 的 衬 度 正 好 与 背 散 射 电 子 图 像 相 反 （4）特征X射线 当 试 样 内 原 子 核 外 的 内 层电 子 被 激 发 时 ， 外 层 电 子 跃 迁而 填 补 内 层 空 位 时 就 会 释 放特 征 X射 线 。 （4）特征X射线特 征 X射 线 一 般 在 试 样 内 的500nm-5000nm深 处 发 生用 X射 线 探 测 器 探 测

9、 表 面 微 区 存在 的 相 应 元 素 （5） 俄 歇 电 子定义：入 射 电 子 在 激 发 特 征 X射 线过 程 中 ， 若 试 样 中 原 子 核 外 内 层 电子 被 激 发 ， 外 层 电 子 跃 迁 填 补 内 层空 位 时 能 量 的 释 放 将 相 邻 的 电 子 激发 出 去 。 （5） 俄 歇 电 子俄歇电子的能量在501500eV范围内，只有在距离表面1nm左右范围内的俄歇电子才能逸出表面适用于做表面成分分析 如 果 样 品 是 薄 膜 ， 例 如 厚 度 为 几 十至 几 百 纳 米 ， 比 入 射 电 子 的 有 效 穿 透 深度 小 得 多 ， 就 会 有 相

10、 当 数 量 的 入 射 电 子穿 透 样 品 。电 子 的 透 射 率 随 散 射 体 厚 度 的 增 加 而 减小 （ 6） 透 射 电 子 质厚衬度效应 样品上的不同微区无论是质量还是厚度的差别，均可引起相应区域透射电子强度的的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域。 由电子束穿过非晶体试样各点的厚度不同而产生的 由重金属原子投影非晶体试样引起的质量差异而产生的质厚衬度效应 入射电子束通常都是波长恒定的单色平面波，照射到晶体样品上时会与晶体物质发生弹性相干散射，使之在一些特定的方向由于相位相同而加强，但在其他方向却减弱，这种现象称为衍射。由布拉格方程： d样品晶体的晶面间距；入射电子波长；入射束与晶面的掠射角 sin2d衍射效应 衍 射 衬 度 效 应 由 于 试 样 各 晶 面 相 对 入 射 束 的 取 向 不同 而 引 起 的 衍 射 强 度 的 差 异