第二章-电子与物质相互作用.ppt

现代电子显微分析技术 傅茂森 2015 第二章 电子与物质的相互作用 入射光 相互作用 观察者 可见光 光反射折射 双目镜 X射线衍射 X射线 电子计数器 样品(厚) 电子与样品相互作用 入射电子 二次电子 背散射电子 可见光 特征X射线 俄歇电子 吸收电子 透射电子 非弹性散射电子 弹性散射电子 样品(薄) 轫致辐射X射线 3.1 电子的弹性散射 电子的散射：电子与物质的原子核与核外电子发生相互作用，使入射电子的 方向或能量改变，有时还发生电子消失、重新发射或产生别种 粒子、改变物质性态等现象，这种现象统称为电子的散射 电子的弹性散射：电子与物质发生相互作用，仅方向改变而能量不变 电子的非弹性散射：电子与物质发生相互作用，方向与能量均发生变化 3.1.1 卢瑟福散射理论 将原子核对电子的相互作用与核外电子的相互作用看成两个完全孤立的独立过程， 忽略核外电子对核的屏蔽效应 单原子引起电子束偏转示意图 原子核对入射电子的弹性散射 核外电子对入射电子的非弹性散射 原子核对入射电子的引力: 核外电子对电子的排斥力: 原子核的正电荷 入射电子的能量 瞄准距离 散射角 3.1.2 弹性散射角 q 可以大于90o -弹性背散射电子 3.1.3电子弹性散射几率 ?: 物质的密度， NA: 阿佛加德罗常数，A: 原子量，V: 加速电压，Z: 原子序数， ?: 散射角，t: 试样厚度 试样越薄（t越小），原子越轻（Z小），加速电压越高（V大），电子的散射几率越小，穿透本领越大。 散射强度远大于X射线(103 -104 倍)， 穿透深度比X射线弱 3.1.4电子弹性散射应用 弹性散射下，各原子散射电子波相互干涉，使合成电子波的强度角分辨率受到调制，产生电子衍射。衍射波振幅作为空间角分布函数就是试样内部电场电势函数的付氏变换； 弹性衍射谱的强度以及经电子透镜完成的第二次付氏变换，可反映衬度与试样电势分布成比例的高分辨结构像； 弹性散射是电子衍射谱和电子显微像的物理依据，可提供晶体结构及原子排列信息。 3.2 电子的非弹性散射 核外电子与入射电子的相互碰撞几乎全是非弹性散射，入射电子损失能量，大部分转变为热能，还可产生以下机制： 3.2.1 特征X射线 高能电子束?原子内层(K层)?原子电离 (电子逸出，形成空穴)?外层向下跃迁?发射特征X射线 莫塞莱定律 成分分析-EDS/WDS 3.2.2 二次电子 入射电子与核外电子相互作用，使原子电离(价带或导带)失去电子，脱离原子的电子称为二次电子； δSE=ISE/Ip （ISE为二次电子电流强度，Ip为入射束电流强度） 二次电子产额δSE与入射电子束相对于样品表面的入射角θ之间关系： 能量较低(50eV)，仅样品表面(5~10nm)二次电子能够逸出表面； 当样品表面不平时，入射束相对于样品表面的入射角θ发生变化，二次电子 强度相应改变，可将样品表面形貌特征反映出来 表面形貌分析-SEM/STEM 3.2.3 背散射电子 背散射电子是被固体样品反射回来的入射电子，包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子的能量几乎没有损失，而非弹性背散射电子的能量有不同程度的损失; 能量较高(等于或接近入射电子能量)，逸出深度达几百nm； 背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息； 背散射电子 二次电子 背散射电子产额与原子序数相关，反应成分信息，对形貌信息不敏感； 背散射电子可以产生衍射效应，反应晶体结构与取向信息； 原子衬度像与背散射电子衍射-SEM/EBSD 3.2.4 俄歇电子 高能入射电子使内层电子（如K层）激发，在原子内产生空穴。其他内层电子跃迁填补空穴，多余能量同时被其它内壳层电子吸收而激发逸出形成俄歇电子； 俄歇电子与特征X射线一样，具有特定的能量和波长，取决于原子的核外电子能级结构； 每种元素都有自己的特征俄歇能谱； 能量较低(50eV~2000eV), 逸出深度1nm; 表面敏感，超高真空； 外表面成分与形貌分析-AES 3.2.5 阴极荧光 半导体样品在入射电子照射下，会产生电子－空穴对，当电子与空穴“复合”时，会发射光子，称为阴极荧光； 光子的产生率与半导体的能带或半导体中杂质有关，常用于半导体与杂质的研究； 物质发光、杂质与晶格缺陷分析-SEM-CL 3.2.6 透射电子 穿透试样的入射电子称为透射电子； 影响透射电子强度因素： 样品厚度； 原子序数； 损失电子数量； 损失电子强度； 形貌、结构、成分与轨道状态分析-TEM-SAED-EELS 3.2.7 等离子体激发 等离子激发是指当入射电子通过电子云时，自由电子集体振动，振动持续时间10－15秒，振动局域在纳米范围