第三章粒子(束)與材料的相互作用

1、Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 第三章第三章 粒子（束）與材料的相互作用粒子（束）與材料的相互作用 第一節(jié)第一節(jié) 電子束與材料的相互作用電子束與材料的相互作用 第二節(jié)第二節(jié) 離子束與材料的相互作用離子束與材料的相互作用 Huaihua University Chemistry and chemical eginee

2、ring DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 第一節(jié)第一節(jié) 電子束與材料的相互作用電子束與材料的相互作用一、散射一、散射 二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號 三、電子激發(fā)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象三、電子激發(fā)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and c

3、hemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 入射電子入射電子照射固體時，與固體中粒子的相互作用照射固體時，與固體中粒子的相互作用包括：包括： （1）入射電子的散射；）入射電子的散射； （2）入射電子對固體的激發(fā)；）入射電子對固體的激發(fā)； （3）受激發(fā)粒子在固體中的傳播。）受激發(fā)粒子在固體中的傳播。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical eginee

4、ring DepartmentMaterial modern analysis method 一、散射一、散射 p當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射到固體上時，在固體原子當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射到固體上時，在固體原子的庫侖電場作用下，入射電子方向?qū)l(fā)生改變，這種現(xiàn)的庫侖電場作用下，入射電子方向?qū)l(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為（象稱為（電子電子）散射散射。 p有有散射彈性散射彈性和和非彈性散射非彈性散射之分。之分。 p原子中的原子中的原子核原子核和和核外電子核外電子對入射電子均有散射作用。對入射電子均有散射作用。 對比：物質(zhì)對對比：物質(zhì)對X射線的散射射線的散射Huaihua University Chemis

5、try and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 瞄準(zhǔn)距離瞄準(zhǔn)距離散射角散射角核電荷數(shù)或核電荷數(shù)或原子序數(shù)原子序數(shù)注意：電子經(jīng)注意：電子經(jīng)過原子核和電過原子核和電子時偏轉(zhuǎn)方向子時偏轉(zhuǎn)方向不同不同!入射方向與入射方向與散射方向之散射方向之間的夾角間的夾角電子入射方向與電子入射方向與原子核或電子之原子核或電子之間的距離間的距離電子衍射及成像的基礎(chǔ)電子衍射及成像的基礎(chǔ) 電子散射示意圖電子

6、散射示意圖與原子核作用與原子核作用與核外電子作用與核外電子作用Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 1. 原子核對入射電子的散射原子核對入射電子的散射 p有有彈性散射彈性散射和和非彈性散射。非彈性散射。 p散射損失的能量散射損失的能量 p散射角散射角（2 ）即散射電子運動方向與入射方向之間的夾角。）即散射電子運動方向與入

7、射方向之間的夾角。 p非彈性散射損失的能量非彈性散射損失的能量 E轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為X射線射線，它們之間的關(guān)系是，它們之間的關(guān)系是 式中，式中，h是普朗克常數(shù)，是普朗克常數(shù)，c是光速，是光速， 及及 分別是分別是X射線的頻率與波長。射線的頻率與波長。 此此X射為連續(xù)射為連續(xù)X射線，沒有特征性射線，沒有特征性。電子的初始能量電子的初始能量散射基元散射基元(原子核原子核)的的質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)(質(zhì)質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)與中子數(shù)之和子數(shù)之和)半散射角半散射角cEhhHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua Univers

8、ity Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 當(dāng)入射電子與原子中電子的作用成為主要過程時，由于作用粒子的質(zhì)量相同，散射后入射電子的能量發(fā)生顯著變化，這種過程稱為非彈性散射。 在非彈性散射過程中，入射電子把部分能量傳遞給原子，引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象。因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為電子激發(fā)。電子激發(fā)是非電磁輻射激發(fā)的一種形式。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department

9、Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2. 核外電子對入射電子的散射核外電子對入射電子的散射 p原子中核外電子對入射電子的散射作用是一種原子中核外電子對入射電子的散射作用是一種非彈性散射非彈性散射。 p在非彈性散射過程中，入射電子所損失的能量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵩诜菑椥陨⑸溥^程中，入射電子所損失的能量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔糠质刮镔|(zhì)產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象，如，部分使物質(zhì)產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象，如原子電離原子電離、自由載流子自由載流子、二次電子二次電子、俄歇電子俄歇電子、特

10、征特征X射線射線、特征能量損失電子特征能量損失電子、陰極發(fā)光陰極發(fā)光、電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo)等。等。 p因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為電子電子激發(fā)激發(fā)。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 3. 散射截面散射截面 p入射入射電子被原子核散射電子被原子核

11、散射時，散射角時，散射角2 的大小與瞄準(zhǔn)距離的大小與瞄準(zhǔn)距離（電子入射方向與原子核的距離）（電子入射方向與原子核的距離）rn、原子核電荷、原子核電荷Ze以以及入射電子的加速電壓及入射電子的加速電壓V有關(guān)，其關(guān)系為有關(guān)，其關(guān)系為 （3-2） rn2叫做叫做彈性散射截面彈性散射截面，用，用 n表示。表示。 p當(dāng)當(dāng)入射電子與核外電子作用入射電子與核外電子作用時，散射角時，散射角2 為為 （3-3） re2為為核外電子的非彈性散射截面核外電子的非彈性散射截面，用，用 e表示。表示。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Departme

12、ntHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method p彈性散射截面為彈性散射截面為 n p非彈性散射截面則為所有核外電子非彈性散射截非彈性散射截面則為所有核外電子非彈性散射截面之和面之和Z e，則，則 n/Z e=Z p因此，因此，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越原子序數(shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大。大。對一個原子序數(shù)為對一個原子序數(shù)為Z的孤立原子的孤立原子Huaihua University Chemistry and chemical egin

13、eering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 由于庫倫相互作用，入射電子在固體中的散射比X射線強得多，同樣固體對電子的“吸收”比X射線吸收快得多。隨著激發(fā)次數(shù)的增多，入射電子的動能逐漸減小，最終被固體吸收（束縛）。4. 電子吸收電子吸收 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry

14、and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method p電子吸收電子吸收：由于電子能量衰減而引起的強度（電子數(shù)）：由于電子能量衰減而引起的強度（電子數(shù)）衰減。衰減。 p不同于不同于X射線的射線的“真吸收真吸收”。 p電子被吸收時所達到的深度稱為電子被吸收時所達到的深度稱為最大穿入深度最大穿入深度（R）。）。入射電子在固體中傳播時的能量損失曲線入射電子在固體中傳播時的能量損失曲線 （E0=1keV、3keV、5keV和和8keV）（1）入射電子的能量越大，）入射電子的能量越大，穿入深度越大。穿入深度越大。（2）電子損失

15、的能量開始迅）電子損失的能量開始迅速增加，然后迅速減小，直速增加，然后迅速減小，直至損失殆盡。至損失殆盡。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號 1.電子與固體作用產(chǎn)生的信號電子與固體作用產(chǎn)生的信號 2.電子非彈性散射平均自由程和信息深度電子非彈性散射平均自由程和信

16、息深度 3.電子能譜電子能譜 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 14 入射電子與原子相互作用產(chǎn)生的各種信息入射電子與原子相互作用產(chǎn)生的各種信息O入射電子入射電子 原子中的核外電子或二次電子原子中的核外電子或二次電子Huaihua University Chemistry and chemical egineering

17、 DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 彈性散射和非彈性散射同時發(fā)生。前者使電子偏離原來方向引起電子在固體中擴散；后者使電子的能量逐漸減小，直至被固體吸收，從而限制了電子在固體中的擴散范圍，這個范圍稱為電子與固體的作用區(qū)。 電子顯微鏡和其它相關(guān)分析技術(shù)檢測的各種信號和輻射正是來自這個作用區(qū)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaih

18、ua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 16 1. 電子與固體作用產(chǎn)生的信號電子與固體作用產(chǎn)生的信號入射電子束與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射現(xiàn)象入射電子束與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射現(xiàn)象透射電子透射電子流流IT背散射電子背散射電子流流IR ，包括彈，包括彈性背散射電子和非彈性背性背散射電子和非彈性背散射電子。散射電子。二次電子二次電子流流IS ，它包括（真，它包括（真）二次電子和特征二次電子）二次電子和特征二次電子（俄歇電子俄歇電子）樣品樣品吸收電流吸收電流IA電子激發(fā)誘導(dǎo)

19、的電子激發(fā)誘導(dǎo)的X射線射線輻射強度輻射強度IX 連續(xù)的連續(xù)的X射線射線 特征特征X射線射線 X射線熒光射線熒光（二次特征（二次特征X射線）射線）表面元素發(fā)射表面元素發(fā)射的總強度的總強度IE入射電子流I0 哪些是入射電子？哪些是哪些是入射電子？哪些是入射電子激發(fā)的信號？入射電子激發(fā)的信號？Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis metho

20、d IR為背散射電子流，它是入射電子與固體作用后又離開固體的總電子流。被散射電子主要由兩部分組成，一部分是被樣品表面原子反射回來的入射電子，另一部分是入射電子進入固體后通過散射連續(xù)改變前進方向，最后又從樣品表面發(fā)射出去的入射電子。 背散射電子的最大信息深度約為電子最大穿入深度的一半。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method

21、Is表示二次電子流，它包括入射電子從固體中直接擊出的原子核外電子和激發(fā)態(tài)原子退回基態(tài)（退激發(fā)）時產(chǎn)生的電子發(fā)射（如俄歇電子）。 前者為（真）二次電子，它們的能量較低，強度按能量連續(xù)分布；后者為特征二次電子，它們的能量取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，取一些分立的能量值。 當(dāng)背散射電子返回到樣品表面層，并具有足夠的能量連續(xù)產(chǎn)生電子激發(fā)時，對二次電子發(fā)射也有貢獻。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering Departm

22、entMaterial modern analysis method 從表面發(fā)射出去的二次電子流與入射電子流的比值從表面發(fā)射出去的二次電子流與入射電子流的比值（IS/I0）稱為）稱為二次電子產(chǎn)額二次電子產(chǎn)額，用，用 表示。表示。二次電子產(chǎn)額與電子能量和入射角的普遍關(guān)系二次電子產(chǎn)額與電子能量和入射角的普遍關(guān)系入射角入射角 越大越大， 越大；電子能量增加，越大；電子能量增加， 開始增加，達極大開始增加，達極大值后反而減少值后反而減少.Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University C

23、hemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method Ix表示電子激發(fā)誘導(dǎo)的X射線輻射強度。在入射電子發(fā)生非彈性碰撞過程中，x射線通過兩種截然不同的過程產(chǎn)生。入射電子在原子實（原子核和束縛電子，即失去價電子的正離子）的庫侖場中減速，產(chǎn)生能量連續(xù)的X射線，其能量從0延伸到入射電子能量值。當(dāng)電子激發(fā)使原子內(nèi)層電離，外層電子跳到內(nèi)層填充空穴，這個躍遷過程伴隨能量的變化，原子以發(fā)射特征x射線或一個俄歇電子的形式釋放能量。Huaihua University Chemistry and chemical eg

24、ineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method IE表示表面元素發(fā)射的總強度。盡管在材料分析中入射電子的能量不足以把固體原子直接擊出，但電子能量可能引起一些固體的表面原子電離，使表面元素活化乃至解吸，這種現(xiàn)象又稱為電子輻照分解。電子束可引起部分氧化物、多數(shù)氟化物和幾乎所有的有機物的輻照分解。 IA為樣品吸收電流。入射電子在固體中傳播時，能量逐漸減小，最后會失去全部動能，被樣品“吸收”。 AT為透射電子流。當(dāng)樣品的厚度

25、小于入射電子的平均穿入深度使，一部分入射電子穿過樣品，在樣品的背面被接受或檢測。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2. 電子非彈性散射平均自由程和信息深度電子非彈性散射平均自由程和信息深度 入射電子、二次電子和背散射電子在固體中傳播時，不斷入射電子、二次電子和背散射電子在固體中傳播時，不斷經(jīng)受非彈性散射，相繼兩次非彈

26、性散射之間電子所經(jīng)過的經(jīng)受非彈性散射，相繼兩次非彈性散射之間電子所經(jīng)過的平均路程稱為平均路程稱為電子非彈性散射平均自由程電子非彈性散射平均自由程，用，用 e表示。表示。 非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個重要物理量，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量重要物理量，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量有關(guān)。有關(guān)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egin

27、eering DepartmentMaterial modern analysis method 對于單元素固體 式中： E-電子的能量（Kev）； a-固體的單原子厚度（nm） 對于無機和有機固體材料 式中： a-平均單原子層厚度（nm）單原子厚度）(41. 05382aEEe)/m(11. 049e(72. 02170222mgEEaEEe單原子厚度）Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering Depar

28、tmentMaterial modern analysis method 入射電子產(chǎn)生的各種信息的深度和廣度范圍入射電子產(chǎn)生的各種信息的深度和廣度范圍 (a) 電子束散射區(qū)域形狀電子束散射區(qū)域形狀(梨形作用體積梨形作用體積) (b)重元素樣品的電子束散射區(qū)域形狀重元素樣品的電子束散射區(qū)域形狀(半球形作用體積半球形作用體積)4-二次電子激發(fā)體積二次電子激發(fā)體積5-背散射電子背散射電子激發(fā)體積激發(fā)體積1-入射電子束入射電子束2-俄歇電子激發(fā)體積俄歇電子激發(fā)體積3-樣品表面樣品表面6-初級初級X射線激發(fā)體積射線激發(fā)體積Huaihua University Chemistry and chemical

29、 egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 25 3. 電子能譜電子能譜 電子與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射電子譜（示意圖）電子與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射電子譜（示意圖）二次電子像二次電子像掃描電鏡的主要掃描電鏡的主要成像方式成像方式俄歇電子能譜俄歇電子能譜（AES） 背散射電子像、低能電子背散射電子像、低能電子衍射（衍射（LEED）、反射式高）、反射式高能電子衍射（能電子衍射（RHEED）和）和透射電子衍射（透射電子衍射

30、（TEM） 電子能量損失譜電子能量損失譜（EELS） Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method （1）能譜的低能端隆起的峰由真二次電子（能量小于或等于50ev）構(gòu)成。用掃描電子顯微鏡做表面形貌觀測時就是收集這部分電子并用來成像。（2）在中間平滑背底上疊加著一些小峰，它們對應(yīng)俄歇電子峰或入射電子的特征能量損失峰。前者對應(yīng)俄歇電

31、子能譜（AES），后者則構(gòu)成電子能量損失譜（EELS），它們是常規(guī)的表面分析方法。 能譜中能量等于入射能量的電子是彈性背散射電子。當(dāng)入射電子照射晶體樣品時，由于電子的波動性，受不同原子彈性散射電子之間的干涉產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象是材料電子衍射分析方法的基礎(chǔ)。電子衍射分為低能電子衍射（LEED）、發(fā)射式高能電子衍射（RHEED）和透射電子衍射（TEM）。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentM

32、aterial modern analysis method 27 三、電子激發(fā)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象三、電子激發(fā)產(chǎn)生的其它現(xiàn)象 1.等離子體振蕩等離子體振蕩 2.電聲效應(yīng)電聲效應(yīng) 3.電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo) 4.陰極熒光陰極熒光Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 1.等離子體振蕩等離子體振蕩p當(dāng)入射電子通過金屬晶體時，入射

33、電子軌跡周圍的電中性被破當(dāng)入射電子通過金屬晶體時，入射電子軌跡周圍的電中性被破壞，迫使電子云背離入射電子軌跡徑向運動，結(jié)果在入射電子壞，迫使電子云背離入射電子軌跡徑向運動，結(jié)果在入射電子軌跡近旁形成正電荷區(qū)域，而在較遠(yuǎn)處形成負(fù)電荷區(qū)域。軌跡近旁形成正電荷區(qū)域，而在較遠(yuǎn)處形成負(fù)電荷區(qū)域。 p入射電子通過后，電子云受到正電荷的吸引，試圖恢復(fù)電中性入射電子通過后，電子云受到正電荷的吸引，試圖恢復(fù)電中性狀態(tài)。當(dāng)電子云徑向擴散運動超過平衡位置時，就形成連續(xù)的狀態(tài)。當(dāng)電子云徑向擴散運動超過平衡位置時，就形成連續(xù)的往復(fù)運動，造成電子云的集體振蕩，稱為往復(fù)運動，造成電子云的集體振蕩，稱為等離子體振蕩等離子體振

34、蕩。 p伴隨著等離子體振蕩的激發(fā)，入射電子損失能量伴隨著等離子體振蕩的激發(fā)，入射電子損失能量。由于等離子。由于等離子體振蕩的能量是量子化的，取一定的特征值。因此，在等離子體振蕩的能量是量子化的，取一定的特征值。因此，在等離子體振蕩激發(fā)過程中，入射電子的能量損失也具有一定的特征值體振蕩激發(fā)過程中，入射電子的能量損失也具有一定的特征值，并隨樣品成分的不同而異。，并隨樣品成分的不同而異。 在沒有外界擾動的情況下，在整個金屬晶體空間正離子與電子云保在沒有外界擾動的情況下，在整個金屬晶體空間正離子與電子云保持電中性持電中性 Huaihua University Chemistry and chemica

35、l egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2.電聲效應(yīng)電聲效應(yīng)p在固體中電子能量損失的在固體中電子能量損失的40%80%最終轉(zhuǎn)化為熱。最終轉(zhuǎn)化為熱。 p在實際工作中，入射電子束采用掃描工作模式，樣品在實際工作中，入射電子束采用掃描工作模式，樣品的溫升并不嚴(yán)重。的溫升并不嚴(yán)重。 p當(dāng)用周期性脈沖電子束照射樣品時，樣品中會產(chǎn)生周當(dāng)用周期性脈沖電子束照射樣品時，樣品中會產(chǎn)生周期性衰減聲波（晶格振動），這種現(xiàn)象

36、稱為期性衰減聲波（晶格振動），這種現(xiàn)象稱為電聲效應(yīng)電聲效應(yīng)。 p用壓電器件和成像技術(shù)可將用壓電器件和成像技術(shù)可將電聲效應(yīng)信息用于成像電聲效應(yīng)信息用于成像。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 3.電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo)p電子在電子在半導(dǎo)體半導(dǎo)體中的非彈性散射產(chǎn)生中的非彈性散射產(chǎn)生電子電子-空穴對空穴對。 p通過外加電壓

37、（電場）可以分離正負(fù)電荷，產(chǎn)生附加通過外加電壓（電場）可以分離正負(fù)電荷，產(chǎn)生附加電導(dǎo)，稱為電導(dǎo)，稱為電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo)（ENIC）；而）；而p-n結(jié)對這些結(jié)對這些自由載流子的收集作用可以產(chǎn)生附加電動勢，稱為自由載流子的收集作用可以產(chǎn)生附加電動勢，稱為電電子感生伏特子感生伏特。 p載流子可以在整個樣品中擴散，其中少數(shù)載流子的濃載流子可以在整個樣品中擴散，其中少數(shù)載流子的濃度隨擴散距離度隨擴散距離x指數(shù)衰減指數(shù)衰減n e-x/L，L是擴散長度是擴散長度。 p利用這種效應(yīng)可以測量少數(shù)載流子的擴散長度和壽命利用這種效應(yīng)可以測量少數(shù)載流子的擴散長度和壽命。Huaihua University Ch

38、emistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 4.陰極熒光陰極熒光p在本征和攙雜半導(dǎo)體中，電子在本征和攙雜半導(dǎo)體中，電子-空穴可以通過雜質(zhì)原空穴可以通過雜質(zhì)原子能級復(fù)合發(fā)光，即所謂子能級復(fù)合發(fā)光，即所謂陰極熒光陰極熒光（CL）。）。 p陰極熒光同樣可以在一些有機熒光化合物中產(chǎn)生。陰極熒光同樣可以在一些有機熒光化合物中產(chǎn)生。 p對于不同種類固體，產(chǎn)生陰極熒光的物理過程不同

39、對于不同種類固體，產(chǎn)生陰極熒光的物理過程不同，而且對雜質(zhì)和缺陷的特征十分敏感。因此，而且對雜質(zhì)和缺陷的特征十分敏感。因此，陰極陰極熒光是檢測雜質(zhì)和缺陷的有效方法，常用于鑒定物熒光是檢測雜質(zhì)和缺陷的有效方法，常用于鑒定物相、雜質(zhì)或缺陷的分布相、雜質(zhì)或缺陷的分布。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 電子與材料相互作用產(chǎn)生

40、的信號及據(jù)之發(fā)展起來的電子與材料相互作用產(chǎn)生的信號及據(jù)之發(fā)展起來的分析方法分析方法電子探針電子探針Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 33 第二節(jié)第二節(jié) 離子束與材料的相互作用離子束與材料的相互作用 一、散射一、散射 二、二次離子二、二次離子 動量和能量轉(zhuǎn)移是離子與固體相互作用動量和能量轉(zhuǎn)移是離子與固體相互作用的重要特

41、征。的重要特征。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 一、散射一、散射 p離子與固體原子的碰撞可以用離子與固體原子的碰撞可以用臺球間的碰撞臺球間的碰撞來描述。來描述。 p對碰撞過程的約束（來自電子的非彈性散射）可想像對碰撞過程的約束（來自電子的非彈性散射）可想像為在臺球桌面上有一層水，即在兩次碰撞之間也有能為在臺球桌面

42、上有一層水，即在兩次碰撞之間也有能量損失。量損失。 p因此，離子的能量取決于碰撞過程和碰撞之間所經(jīng)歷因此，離子的能量取決于碰撞過程和碰撞之間所經(jīng)歷的路程。的路程。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 1. 彈性散射彈性散射 離子彈性散射的兩大特點離子彈性散射的兩大特點： 散射幾率正比于散射幾率正比于Zl和和Z2的平方，

43、因此，當(dāng)?shù)钠椒?，因此，?dāng)入射離子入射離子由由H+變?yōu)樽優(yōu)镠e+時，散射幾率增加時，散射幾率增加4倍；倍； 散射幾率正比于散射幾率正比于1/sin4 ，強烈地依賴于散射角，強烈地依賴于散射角2 ，2 =90 的散射幾率是的散射幾率是2 =180 的的4倍。倍。離子離子-原子碰撞原子碰撞散射角散射角一般用一般用Ar離子離子散射后離子的能量散射后離子的能量22122121221222)(2cos)2sin(MMMMMk碰撞后離子的能量損失與靶原子的質(zhì)碰撞后離子的能量損失與靶原子的質(zhì)量有關(guān)，離子與輕元素靶原子碰撞的量有關(guān)，離子與輕元素靶原子碰撞的能量損失比與重元素靶原子碰撞的能能量損失比與重元素靶原子

44、碰撞的能量損失大量損失大。42042221sin16EeZZp Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2. 非彈性散射非彈性散射 p離子在固體中傳播時，由于被電子非彈性散射產(chǎn)離子在固體中傳播時，由于被電子非彈性散射產(chǎn)生的能量損失率稱為生的能量損失率稱為固體對離子的阻止功率固體對離子的阻止功率。 p與離子的種類、能量以及樣品的成分有關(guān)。與離子的種類、能量以及樣品的成分有關(guān)。 Huaihua University Chemistry and chemica