第二章-電子與物質相互作用

1、現代電子顯微分析技術傅茂森傅茂森20152015第二章 電子與物質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射線射線電子計數器電子計數器樣品(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：電子與物質的電子與物質的原子核與核外

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)射或產生別種電子消失、重新發(fā)射或產生別種 粒子、改變物質性態(tài)粒子、改變物質性態(tài)等現象，這種現象統稱為等現象，這種現象統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：電子與物質發(fā)生相互作用，僅電子與物質發(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：電子與物質發(fā)生相互作用，電子與物質發(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外電子對核的屏蔽效應單原子單原子引起電子束偏轉示意圖引起電子束偏轉示意圖原子核對入射電子的彈性散射a.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距離瞄準距離散射角散射角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電子 t

4、VZZAeNNdNA2222)11 ( 3.1.3電子彈性散射幾率電子彈性散射幾率 : 物質的密度，物質的密度， NA: 阿佛加德羅常數，阿佛加德羅常數，A: 原子量，原子量，V: 加速電壓，加速電壓，Z: 原子序原子序數，數， : 散射角，散射角，t: 試樣厚度試樣厚度試樣越?。ㄔ嚇釉奖。╰越?。釉捷p（越?。?，原子越輕（Z小），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，穿透本領越大。射幾率越小，穿透本領越大。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電子彈性散射應用電子彈性散射應用u

5、 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制，產生電子衍射。衍射波振幅作為空間角分布函數就是試樣內率受到調制，產生電子衍射。衍射波振幅作為空間角分布函數就是試樣內部電場電勢函數的付氏變換；部電場電勢函數的付氏變換；u 彈性衍射譜的強度以及經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構像；與試樣電勢分布成比例的高分辨結構像；u 彈性散射是電子衍射譜和電子顯微像的物理依據，可提供晶體結構及原彈性散射是電子衍射譜和電子顯

6、微像的物理依據，可提供晶體結構及原子排列信息。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，大部分轉變?yōu)闊崮艽蟛糠洲D變?yōu)闊崮埽€可產生以下機制：，還可產生以下機制：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層原子內層(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，使原子電離

7、入射電子與核外電子相互作用，使原子電離( (價帶或導帶價帶或導帶) )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 二次電子產額二次電子產額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系：之間關系：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 當樣品表面不平時，入射束相對于樣品表面的入射角當樣品表面不平時，入射束相對于樣品表面的入射角發(fā)

8、生變化，二次電子發(fā)生變化，二次電子 強度相應改變，可將樣品表面形貌特征反映出來強度相應改變，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，逸出深度

9、達幾百nm；u 背散射電子產額與原子序數相關，反應成分信息；背散射電子產額與原子序數相關，反應成分信息；;背散射電子背散射電子二次電子二次電子u 背散射電子產額與原子序數相關，反應成分信息，對形貌信息不敏感；背散射電子產額與原子序數相關，反應成分信息，對形貌信息不敏感；u 背散射電子可以產生衍射效應，反應晶體結構與取向信息；背散射電子可以產生衍射效應，反應晶體結構與取向信息；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高能入射電子使內層電子（如高能入射電子使內層電子（如K層）激發(fā)，在原子內產生空穴。層）激發(fā)，在原子內產生空穴。其他內層其他

10、內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殼層電子其它內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構；，取決于原子的核外電子能級結構；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 半導體樣品在入射電子照射下，會

11、產生電子空穴對，當電子與空穴半導體樣品在入射電子照射下，會產生電子空穴對，當電子與空穴“復合復合”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 光子的產生率與半導體的能帶或半導體中雜質有關，常用于半導體與雜光子的產生率與半導體的能帶或半導體中雜質有關，常用于半導體與雜質的研究；質的研究；物質發(fā)光、雜質與晶格缺陷分析物質發(fā)光、雜質與晶格缺陷分析-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；原子序數； 損失電子數量；損失電子數量； 損失電子

12、強度；損失電子強度；形貌、結構、成分與軌道狀態(tài)分析形貌、結構、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)是指當入射電子通過電子云時，自由電子集體振動，振動持續(xù)等離子激發(fā)是指當入射電子通過電子云時，自由電子集體振動，振動持續(xù)時間時間1015秒，振動局域在納米范圍內；秒，振動局域在納米范圍內；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。 TEM

13、-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),這會使衍射斑點產生模糊的背景；這會使衍射斑點產生模糊的背景；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鍵合，也可將某些原子從晶格位電子束輻照可以打斷某些材料的化學鍵合，也可將某些原子從晶格位置碰撞出去等，這些對樣品造成破壞的作用稱為輻