第二章-電子與物質(zhì)相互作用

1、現(xiàn)代電子顯微分析技術(shù)傅茂森傅茂森20152015第二章 電子與物質(zhì)的相互作用入射光入射光相互作用相互作用觀察者觀察者可見光可見光 光反射折射光反射折射雙目鏡雙目鏡MBNd(h k l)321(b)()2sinhklhkldnX射線衍射射線衍射X射線射線電子計數(shù)器電子計數(shù)器樣品(厚)電子與樣品相互作用入射電子入射電子二次電子二次電子背散射電子背散射電子可見光可見光特征特征X射線射線俄歇電子俄歇電子吸收電子吸收電子透射電子透射電子非彈性散非彈性散射電子射電子彈性散射電子彈性散射電子樣品(薄)軔致輻射軔致輻射X射線射線3.1 電子的彈性散射電子的散射：電子的散射：電子與物質(zhì)的電子與物質(zhì)的原子核與核外

2、電子原子核與核外電子發(fā)生相互作用，使入射電子的發(fā)生相互作用，使入射電子的 方向或能量改變方向或能量改變，有時還發(fā)生，有時還發(fā)生電子消失、重新發(fā)射或產(chǎn)生別種電子消失、重新發(fā)射或產(chǎn)生別種 粒子、改變物質(zhì)性態(tài)粒子、改變物質(zhì)性態(tài)等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為等現(xiàn)象，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為電子的散射電子的散射電子的彈性散射：電子的彈性散射：電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，僅電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，僅方向改變而能量不變方向改變而能量不變電子的非彈性散射：電子的非彈性散射：電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，電子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，方向與能量均發(fā)生變化方向與能量均發(fā)生變化3.1.1 盧瑟福散射理論盧瑟福散射理論將原子核對電子的相互作用與核外電

3、子的相互將原子核對電子的相互作用與核外電子的相互作用看成兩個完全孤立的獨立過程，作用看成兩個完全孤立的獨立過程， 忽略核忽略核外電子對核的屏蔽效應(yīng)外電子對核的屏蔽效應(yīng)單單原子原子引起電子束偏轉(zhuǎn)示意圖引起電子束偏轉(zhuǎn)示意圖a. 原子核對入射電子的彈性散射b. 核外電子對入射電子的非彈性散射原子核對入射電子的引力原子核對入射電子的引力: :22rZeFn核外電子對電子的排斥力核外電子對電子的排斥力: :22reFe0ErZnnn原子核的正電荷原子核的正電荷入射電子的能量入射電子的能量瞄準(zhǔn)距離瞄準(zhǔn)距離散射角散射角3.1.2 彈性散射角彈性散射角 可以大于可以大于9090o o 彈性背散射電子彈性背散射

4、電子 tVZZAeNNdNA2222)11 ( 3.1.3電子彈性散射幾率電子彈性散射幾率 : 物質(zhì)的密度，物質(zhì)的密度， NA: 阿佛加德羅常數(shù)，阿佛加德羅常數(shù)，A: 原子量，原子量，V: 加速電壓，加速電壓，Z: 原子序原子序數(shù)，數(shù)， : 散射角，散射角，t: 試樣厚度試樣厚度試樣越?。ㄔ嚇釉奖。╰越?。?，原子越輕（越?。?，原子越輕（Z?。?，加速電壓越高（?。?，加速電壓越高（V大），電子的散大），電子的散射幾率越小，穿透本領(lǐng)越大。射幾率越小，穿透本領(lǐng)越大。散射強度遠大于散射強度遠大于X射線射線(103 -104 倍倍)， 穿透深度比穿透深度比X射線弱射線弱3.1.4電子彈性散射應(yīng)用電子彈性散

5、射應(yīng)用u 彈性散射下，各原子散射電子波相互干涉，使合成電子波的強度角分辨彈性散射下，各原子散射電子波相互干涉，使合成電子波的強度角分辨率受到調(diào)制，產(chǎn)生電子衍射。衍射波振幅作為空間角分布函數(shù)就是試樣內(nèi)率受到調(diào)制，產(chǎn)生電子衍射。衍射波振幅作為空間角分布函數(shù)就是試樣內(nèi)部電場電勢函數(shù)的付氏變換；部電場電勢函數(shù)的付氏變換；u 彈性衍射譜的強度以及經(jīng)電子透鏡完成的第二次付氏變換，可反映襯度彈性衍射譜的強度以及經(jīng)電子透鏡完成的第二次付氏變換，可反映襯度與試樣電勢分布成比例的高分辨結(jié)構(gòu)像；與試樣電勢分布成比例的高分辨結(jié)構(gòu)像；u 彈性散射是電子衍射譜和電子顯微像的物理依據(jù)，可提供晶體結(jié)構(gòu)及原彈性散射是電子衍射譜

6、和電子顯微像的物理依據(jù)，可提供晶體結(jié)構(gòu)及原子排列信息。子排列信息。3.2 電子的非彈性散射核外電子核外電子與入射電子的相互碰撞幾乎與入射電子的相互碰撞幾乎全是非彈性散射全是非彈性散射，入射電子，入射電子損失能損失能量量，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艽蟛糠洲D(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，還可產(chǎn)生以下機制：，還可產(chǎn)生以下機制：3.2.1 特征特征X射線射線高能電子束高能電子束原子內(nèi)層原子內(nèi)層(K層層)原子電離原子電離(電子逸出，形成空穴電子逸出，形成空穴)外層向下躍遷外層向下躍遷發(fā)射特征發(fā)射特征X射線射線1k (z)莫塞萊定律莫塞萊定律成分分析成分分析-EDS/WDS3.2.2 二次電子二次電子u 入射電子與核外電子相互作用，使

7、原子電離入射電子與核外電子相互作用，使原子電離( (價帶或?qū)r帶或?qū)? )失去電子，脫離原子失去電子，脫離原子的電子稱為二次電子；的電子稱為二次電子；1/cosSESE=ISE/Ip （ISE為二次電子電流強度為二次電子電流強度，Ip為入射束電流強度）為入射束電流強度）u 二次電子產(chǎn)額二次電子產(chǎn)額SESE與入射電子束相對于樣品表面的入射角與入射電子束相對于樣品表面的入射角之間關(guān)系：之間關(guān)系：u 能量較低能量較低(50eV)，僅樣品表面僅樣品表面(510nm)二次電子能夠逸出表面；二次電子能夠逸出表面；u 當(dāng)樣品表面不平時，入射束相對于樣品表面的入射角當(dāng)樣品表面不平時，入射束相對于樣品表面的

8、入射角發(fā)生變化，二次電子發(fā)生變化，二次電子 強度相應(yīng)改變，可將樣品表面形貌特征反映出來強度相應(yīng)改變，可將樣品表面形貌特征反映出來表面形貌分析表面形貌分析-SEM/STEM3.2.3 背散射電子背散射電子u背散射電子是背散射電子是被固體樣品反射回來的入射電子，被固體樣品反射回來的入射電子，包括彈性背散射電子和非彈性背包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子的能量幾乎沒有損失，而非彈性背散射電子的能量有不散射電子。彈性背散射電子的能量幾乎沒有損失，而非彈性背散射電子的能量有不同程度的損失同程度的損失;u 能量較高能量較高(等于或接近入射電子能量等于或接近入射電子能量)，逸出深度達幾百，

9、逸出深度達幾百nm；u 背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)相關(guān)，反應(yīng)成分信息；背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)相關(guān)，反應(yīng)成分信息；;背散射電子背散射電子二次電子二次電子u 背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)相關(guān)，反應(yīng)成分信息，對形貌信息不敏感；背散射電子產(chǎn)額與原子序數(shù)相關(guān)，反應(yīng)成分信息，對形貌信息不敏感；u 背散射電子可以產(chǎn)生衍射效應(yīng)，反應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)與取向信息；背散射電子可以產(chǎn)生衍射效應(yīng)，反應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)與取向信息；原子襯度像與背散射電子衍射原子襯度像與背散射電子衍射-SEM/EBSD3.2.4 俄歇電子俄歇電子u高能入射電子使內(nèi)層電子（如高能入射電子使內(nèi)層電子（如K層）激發(fā)，在原子內(nèi)產(chǎn)生空穴。層）激發(fā)，在原子內(nèi)產(chǎn)生空穴。其他

10、內(nèi)層其他內(nèi)層電子躍電子躍遷填補空穴，遷填補空穴，多余能量多余能量同時被同時被其它內(nèi)殼層電子其它內(nèi)殼層電子吸收而激發(fā)逸出形成俄歇電子吸收而激發(fā)逸出形成俄歇電子；u 俄歇電子與特征俄歇電子與特征X射線一樣，射線一樣，具有特定的能具有特定的能量和波長量和波長，取決于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)；，取決于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)；u 每種元素都有自己的特征俄歇能譜；每種元素都有自己的特征俄歇能譜；u 能量較低能量較低(50eV2000eV), 逸出深度逸出深度1nm;u表面敏感，超高真空；表面敏感，超高真空；外表面成分與形貌分析外表面成分與形貌分析-AES3.2.5 陰極熒光陰極熒光u 半導(dǎo)體樣品在入射電子照

11、射下，會產(chǎn)生電子空穴對，當(dāng)電子與空穴半導(dǎo)體樣品在入射電子照射下，會產(chǎn)生電子空穴對，當(dāng)電子與空穴“復(fù)合復(fù)合”時，會發(fā)射光子，稱為陰極熒光；時，會發(fā)射光子，稱為陰極熒光；u 光子的產(chǎn)生率與半導(dǎo)體的能帶或半導(dǎo)體中雜質(zhì)有關(guān)，常用于半導(dǎo)體與雜光子的產(chǎn)生率與半導(dǎo)體的能帶或半導(dǎo)體中雜質(zhì)有關(guān)，常用于半導(dǎo)體與雜質(zhì)的研究；質(zhì)的研究；物質(zhì)發(fā)光、雜質(zhì)與晶格缺陷分析物質(zhì)發(fā)光、雜質(zhì)與晶格缺陷分析-SEM-CL3.2.6 透射電子透射電子u穿透試樣的入射電子稱為透射電子；穿透試樣的入射電子稱為透射電子；u影響透射電子強度因素：影響透射電子強度因素： 樣品厚度；樣品厚度； 原子序數(shù)；原子序數(shù)； 損失電子數(shù)量；損失電子數(shù)量；

12、損失電子強度；損失電子強度；形貌、結(jié)構(gòu)、成分與軌道狀態(tài)分析形貌、結(jié)構(gòu)、成分與軌道狀態(tài)分析-TEM-SAED-EELS3.2.7 等離子體激發(fā)等離子體激發(fā)u 等離子激發(fā)是等離子激發(fā)是指當(dāng)入射電子通過電子云時，指當(dāng)入射電子通過電子云時，自由電子集體振動，振動自由電子集體振動，振動持續(xù)持續(xù)時間時間1015秒，振動局域在納米范圍內(nèi)；秒，振動局域在納米范圍內(nèi)；u 等離子體激發(fā)使入射電子損失能量，這種能量損失隨材料的不同而不同；等離子體激發(fā)使入射電子損失能量，這種能量損失隨材料的不同而不同；u 可進行特征能量損失譜分析，亦可選擇有特征能量的電子成像?？蛇M行特征能量損失譜分析，亦可選擇有特征能量的電子成像。

13、 TEM-EELS3.2.9 聲子激發(fā)聲子激發(fā)u 聲子是指晶體振動的能量量子聲子是指晶體振動的能量量子,激發(fā)聲子等于加熱樣品；激發(fā)聲子等于加熱樣品；u 聲子激發(fā)對入射電子能量損失聲子激發(fā)對入射電子能量損失(0.1eV)影響較小，但使入射電子散射增大影響較小，但使入射電子散射增大(5-15mrds),這會使衍射斑點產(chǎn)生模糊的背景；這會使衍射斑點產(chǎn)生模糊的背景；u 聲子激發(fā)聲子激發(fā)Z3/2，聲子激發(fā)隨溫度的增加而增加；，聲子激發(fā)隨溫度的增加而增加；u 聲子激發(fā)對電鏡工作無益，通常采用冷卻樣品來減小聲子激發(fā)。聲子激發(fā)對電鏡工作無益，通常采用冷卻樣品來減小聲子激發(fā)。3.3 輻照損傷 電子束輻照可以打斷某些材料的化學(xué)鍵合，電子束輻照可以打斷某些材料的化學(xué)鍵合，也也可將某些原子從可將某些原子從晶格晶格位位置置碰撞出去碰撞出去等，這些對樣品造成破壞