现代材料分析与测试技术第6章电子与物质的交互作用.ppt

第五章 电子与物质的交互作用 5.1 散 射 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，入射电子方向将发生改变，称为散射。 原子对电子的散射分为： 弹性散射 非弹性散射。 在弹性散射中，电子只改变运动方向，基本上无能量变化。 在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的衰减，衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子等。 5.1.1 原子核对电子的弹性散射 当入射电子从距原子核rn处经过时，由于原子核的正电荷Ze的吸引作用(Z是原子序数，e是电子的电荷)，入射电子偏离入射方向(见图)。 根据卢瑟福的经典散射模型，散射角θn的大小取决于瞄准距离rn、核电荷数Ze和入射电子的能量E0，其关系如下 ： 除了考虑核对电子的散射作用外，还应考虑核电子的负电荷的屏蔽作用。 这种弹性散射是电子衍射及成像的基础，原子对入射电子在θn角方向的弹性散射振幅(即散射因子)是 5.1.2 原子核对电子的非弹性散射 非弹性散射，入射电子不但改变方向，并有不同程度的能量损失，因此速度减慢。损失的能量ΔE转化为X射线，它们之间的关系是 ΔE＝hν＝hc／λ 式中，h是普朗克常数，c是光速，γ及λ分别是X射线的频率与波长。 这种散射产生连续的无特征波长值的X射线辐射 并不反映样品结构或成分的任何特征， 但会产生背景信号，影响成分分析的灵敏度和准确度。 但根据近几年的研究表明，连续谱的强度数据在分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度时是十分有用的。 5.1.3 核外电子对入射电子的非弹性散射 是一种非弹性散射 散射过程中入射电子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，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。 核外电子对入射电子的非弹性散射在电子衍射及透射电镜成像中，由于引起色差而增加背景强度及降低图像衬度，是有害的。 但是，在这种非弹性散射中产生的电离、阴极发光及电子云的集体振荡等物理效应，可以从不同侧面反映样品的形貌、结构及成分特征，为一系列电子显微分析仪器提供了重要的信息来源。 5.2 高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 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(SE) 5.2.2 背散射电子(BE) 5.2.3 吸收电子(AE) 5.2.4 特征X射线及俄歇电子 5.2.5 自由载流子形成的伴生效应 5.2.6 入射电子和晶体中电子云相互作用 5.2.7 入射电子和晶格相互作用 5.2.8 周期脉冲电子入射的电声效应 5.2.9 透射电子(TE) 5.2.1 二次电子(SE) 二次电子： 当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这种现象称为电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。 价电子激发: 如果被电离出来的二次电子是来自原子中的电子，则这种电离过程称为价电子激发； 芯电子激发 如果被电离出来的二次电子是来自原子中的内层电子，则这种电离过程称为芯电子激发。 价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。 二次电子主要特点有： 1. 对样品表面形貌敏感 这是因为二次电子产额(或发射效率)δSE与入射束相对于样品表面的入射角θ之间存在下列关系 δSE∝1／cosθ 式中δSE＝ISE／IP ISE为二次电子电流强度，IP为入射束电流强度。 用检测器收集样品上方的二次电子并使其形成反映样品上各照射点信息强度的图像，则可将样品表面形貌特征反映出来，形成所谓“形貌衬度”图像。 2.空间分辨率高 通常入射电子束进入样品表面后，由于受到原子核及核外电子的散射，其作用范围有所扩展而形成类似下图所示的分布(入射束在样品内沿纵向及侧向扩展的具体尺寸范围取决于入射电子的能量及样品物质的原子序数)。 尽管在电子的有效作用深度内都可以产生二次电子，但由于其能量很低，只有在接近表面大约10nm以内的二次电子才能逸出表面，成为可以接收的信号。 此时，由于入射束尚无明显的侧向扩展，因而这种信号反映的是一个与入射束直径相当的、很小体积范围内的形貌特征，故具有较高的空间分辨率。 目前在扫描电镜中二次电子像的分辨率一般在3－6nm之间(取决于电子枪类型及电子光学系统结构)，在透射扫描电镜中达到2－3nm。 3.信号收集效率高 二次电子由于本身能量很低，容易受电场的作用，只要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，从而使样品表面上无论是凹坑还是突起物的背向检测器的部分显示出来。 二次电子信息的上述特点使其成为扫描电子显微镜成像的主要手段。 5.2.2 背散射电子(BE) 背散射电子： 在弹性和非弹性散射过程中，有些入射电子累计散射角超过90°，这