电子与固体物质的作用..docx

电子与固体物质的相互作用随着扫描电镜、透射电镜、电子探针、俄歇电子能谱仪、X射线光电子能谱仪等现代分析仪器的发展，促进了电子、X光子等辐射粒子与物质相互作用的研究。本报告就电子与物质相互作用的基本物理过程，电子与物质相互作用产生的各种信号，这些信号的特点及其在电子显微分析中的应用作一些概要介绍。1 电子散射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。为了定量地分析和研究电子的散射作用，需要引入散射截面的概念。一个电子被一个试样原子散射后偏转角等于或大于α角的几率可用原子散射截面σ(α)来度量，它可定义为电子被散射到等于或大于α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。可以将弹性散射和非弹性散射看成是相互独立的随机过程，原子散射截面是弹性散射截面与非弹性散射截面之和，即 σ(α)=σe(α)+ σi(α)（1）式中 σ (α)——原子散射截面σe(α)——原子的弹性散射截面；σi(α)——原子的非弹性散射截面。原子对电子的散射又可分为：原子核对电子的弹性散射，原子核对电子的非弹性散射和核外电子对电子的非弹性散射。下面分别予以讨论。1.1 原子核对电子的弹性散射入射电子与试样中的原子核发生碰撞时，可以用经典力学方法近似处理。当一个电子从距离为rn处通过原子序数为Z的原子核库仑电场时，将受到散射。由于核的质量远远大于电子的质量，电子散射后只改变方向而不损失能量，因此，电子受到散射是弹性散射，根据卢瑟福的经典散射模型，散射角α是：（2）式中 E0——入射电子的能量（eV）。由上式可知，试样原子序数越大，入射电子的能量越小，距原子核的距离越近，散射角α越大。显然，这是一个相当简化的模型，实际上除了要考虑原子核对电子的散射作用外，还应考虑核外电子负电荷的屏蔽作用。图1 （a）原子核对入射电子的弹性散射，（b）核外电子对入射电子的非弹性散射由图1(a)可知，在垂直于电子入射方向，以原子核为中心、rn为半径的圆面积πrn2内通过的入射电子，其散射角均大于或等于α，πrn2相当于一个核外电子对入射电子的非弹性散射截面。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。1.2 原子核对电子的非弹性散射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ΔE转变为X射线，它们之间的关系是：（3）式中 h——普朗克常熟； c——光速；ν、λ——X射线的频率与波长。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，一般称为连续辐射或韧致辐射。它本身不能用来进行成分分析，反而会在X射线谱上产生连续衬底，影响分析的灵敏度和准确度。1.3 核外电子对入射电子的非弹性散射入射电子与原子核外电子的碰撞为非弹性碰撞。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。非弹性散射机制主要有：1.3.1 单电子激发入射电子和原子的核外电子碰撞，将核外电子激发到空能级或脱离原子核成为二次电子，而原子则变成离子，此过程称为电离。入射电子在试样内产生二次电子是一个级联过程，也就是说入射电子产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。一个能量为20keV的入射电子，在硅中可以产生约3000个二次电子。但并不是所有产生的二次电子都能逸出试样表面成为信号，由于二次电子的能量较低（小于50eV），仅在试样表面10nm层内产生、且能克服几个电子伏逸出功的电子才有可能逸出。二次电子的主要特点是：对试样表面状态非常敏感，显示表面微区的形貌结构非常有效。二次电子像的分辨率较高，是扫描电镜中的主要成像手段。入射电子使固体中价电子激发到空能级或游离时损失的能量较小，使内层电子激发或游离时损失的能量相当大，因此价电子激发的几率远远大于内层电子的激发几率。价电子激发使入射电子主要产生小角度散射，内层电子激发可引起入射电子的大角度散射，但几率很小。因此单电子激发主要使入射电子受到小角度非弹性散射。1.3.2 等离子激发晶体是处于点阵固定位置的正离子和弥漫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。当入射电子经过晶体时，在其路径近旁使价电子受斥而做径向发散运动，从而在入射电子路径的附近产生带正电的区域及较远处的带负电区域，瞬时地破坏了那里的电中性。该区域的静电作用又使