第十一電子與物質(zhì)的相互作用課件

1電子與物質(zhì)的相互作用一、電子與物質(zhì)的相互作用二、電子散射三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1電子與物質(zhì)的相互作用一、電子與物質(zhì)的相互作用2一、電子與物質(zhì)的相互作用（1）運動的微觀粒子具有波動性，電子波的波長與質(zhì)量m、運動速度v、動量p之間的關(guān)系由德布羅意波動方程給出：（2）電子速度與電壓的關(guān)系對v0＝0的電子，在加速電壓U的作用下，速度達(dá)到v，則動能E為：1.1電子的波長2一、電子與物質(zhì)的相互作用（1）運動的微觀粒子具有波動性，電3（3）電子波長與加速電壓的關(guān)系（4）電子波長的相對論校正一、電子與物質(zhì)的相互作用1.1電子的波長3（3）電子波長與加速電壓的關(guān)系（4）電子波長的相對論校正一4表不同加速電壓下的電子能量與波長U/kVEk/MeV速度v/cλ/nm1000.10.5480.003702000.20.6950.002513000.30.7770.001974000.40.8280.001646000.60.8880.001268000.80.9210.00103100010.9410.00087200020.9790.00050300030.9890.00036一、電子與物質(zhì)的相互作用1.1電子的波長4表不同加速電壓下的電子能量與波長U/kVEk/MeV速51.2電子與物質(zhì)的相互作用電子束照射到試樣上，入射電子與試樣原子的原子核和核外電子發(fā)生彈性散射、或非彈性散射過程，并激發(fā)出多種反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的物理信號，主要有背散射電子、透射電子、吸收電子、二次電子、俄歇電子、連續(xù)X射線、特征X射線、陰極發(fā)光、衍射電子等（99%轉(zhuǎn)變?yōu)闊幔瑑H1%轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硇盘枺?。一、電子與物質(zhì)的相互作用51.2電子與物質(zhì)的相互作用電子束照射到61.2電子與物質(zhì)的相互作用透射和掃描電鏡獲取的信息分別為：（1）TEM：電子束斑直徑2~10μm，樣品厚度0.2~0.5μm，采用的是透射的彈性散射電子進(jìn)行顯微成像或者相干衍射獲得電子衍射譜；（2）SEM：電子束斑直徑數(shù)nm，樣品厚度很大，采用的是隨著電子束在樣品表面掃描過程中所產(chǎn)生的背散射電子、二次電子、俄歇電子、吸收電子、特征X射線、陰極發(fā)光等。一、電子與物質(zhì)的相互作用61.2電子與物質(zhì)的相互作用透射和掃描電鏡獲取的信息分別為7二、電子散射電子散射：當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時，在原子庫侖電場作用下，入射電子方向改變，稱為電子散射。電子散射分為：彈性散射：電子只改變方向，而能量基本無損失。非彈性散射：電子不但改變方向，能量也有不同程度的減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光、特征X射線和二次電子發(fā)射等。波動性（假設(shè)入射電子波是相干的），電子散射分為：相干散射：保持入射電子的位相和波長；非相干散射：沒有確定的位相關(guān)系；7二、電子散射電子散射：當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時8二、電子散射散射角：散射電子的運動方向與原入射電子方向之間的夾角。前散射：散射角小于90?；包括彈性散射、布拉格散射即衍射，及非彈性散射；前彈性散射角通常較小（1?~10?），前彈性散射角越大，非相干的程度就越大。非彈性散射總是非相干的。背散射：散射角大于90?；原子對電子散射表現(xiàn)為：（1）原子核對電子散射：主要為彈性散射，原子核質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，強(qiáng)庫侖作用；部分非彈性散射，連續(xù)X射線；（2）核外電子對電子散射：主要為非彈性散射，產(chǎn)生熱、光、特征X射線、二次電子等；8二、電子散射散射角：散射電子的運動方向與原入射電子方向之間9二、電子散射原子核對電子的彈性散射彈性散射一個運動的電子靠近孤立的原子時，由于原子核庫侖力的作用，電子將向原子核方向偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角--θn，θn的大小取決于距離rn

的大小2.1電子散射截面與電子散射能力式中，U為加速電壓，Z為原子序數(shù)9二、電子散射原子核對電子的彈性散射彈性散射一個運動的電子靠10二、電子散射核質(zhì)量電子的質(zhì)量，此偏轉(zhuǎn)可視為彈性散射，則偏轉(zhuǎn)角θn-----彈性散射角在(rn)2

圓面積內(nèi)的散射，散射角θn，稱(rn)2為散射角大于θn的原子核彈性散射截面彈性散射是電子衍射及成像的基礎(chǔ)原子核對電子的彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力10二、電子散射核質(zhì)量電子的質(zhì)量，此偏轉(zhuǎn)可視為彈性散射，11二、電子散射核外電子的非彈性散射一個運動的電子靠近孤立的原子中的電子時，由于電子庫侖力的排斥作用，電子將向反方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角--θe，θe的大小取決于re的大小非彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力式中，U為加速電壓11二、電子散射核外電子的非彈性散射一個運動的電子靠近孤立的12二、電子散射入射電子受核外電子的散射，電子偏轉(zhuǎn)時有能量的變化，此偏轉(zhuǎn)可視為非彈性散射在(re)2

圓面積內(nèi)的散射，散射角θe，稱(re)2為散射角大于θe的非彈性散射截面核外電子的非彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力12二、電子散射入射電子受核外電子的散射，電子偏轉(zhuǎn)時有能量的13二、電子散射散射截面：電子被散射的機(jī)會2.1電子散射截面與電子散射能力式中，r為散射中心的有效半徑，實際代表了電子與散射中心的距離。散射截面σ具有面積的單位，但不代表一個實際的物理面積。散射截面越大，電子散射的機(jī)會就越多，散射截面反應(yīng)了電子的散射能力。13二、電子散射散射截面：電子被散射的機(jī)會2.1電子散射截14二、電子散射電子—電子的散射截面：2.1電子散射截面與電子散射能力電子—原子核散射截面：加速電壓越高，電子散射截面越小，電子被散射機(jī)會就越少；散射角越大，電子散射截面越小，電子被散射機(jī)會就越少；非彈性散射截面主要取決于加速電壓；彈性散射截面與原子序數(shù)密切相關(guān)；14二、電子散射電子—電子的散射截面：2.1電子散射截面與15二、電子散射

一個孤立原子的總散射截面σ是所有彈性散射σn和非彈性散射σe的和：2.1電子散射截面與電子散射能力由核外電子引起的非彈性散射與原子核產(chǎn)生的彈性散射之比：隨著原子序數(shù)的增加，彈性散射所占的比重增加；對于輕元素，非彈性散射占據(jù)很大部分；對于TEM電子能量，彈性散射幾乎總是占主要部分。15二、電子散射一個孤立原子的總散射截面σ是所有彈性散射16二、電子散射

單位體積中包含N個原子的電子散射截面Q：電子束通過單位面積單位厚度試樣所產(chǎn)生的電子散射幾率2.1電子散射截面與電子散射能力Qt包含了影響散射幾率的所有因素，式中ρ×t稱為樣品的質(zhì)厚；在特定的樣品點所發(fā)生的電子散射數(shù)量取決于該點處樣品的厚度和密度，與其他性質(zhì)關(guān)系不大；隨著樣品質(zhì)厚的增加，電子的散射幾率增加；非相干彈性散射是非晶材料TEM成像的物理依據(jù)，質(zhì)厚是重要因素；式中，N0為阿伏伽德羅常數(shù)，A為原子量，ρ為密度，N0ρ=NA試樣厚度為t的散射幾率為：16二、電子散射單位體積中包含N個原子的電子散射截面Q：17二、電子散射

當(dāng)考慮電子的波動性時，能量（波長）不變的彈性散射波可以相互干涉得到加強(qiáng)或減弱。電子衍射：由于固體晶體中的原子排列具有周期性，各原子彈性散射的電子波相互干涉，在相干散射加強(qiáng)的方向上產(chǎn)生電子衍射束。電子衍射譜：在透射電鏡中，電子衍射束被電磁透鏡聚焦放大投影到熒光屏上，形成規(guī)則排列的斑點或線條。2.2相干彈性散射和電子衍射相干彈性散射是電子束在晶體中產(chǎn)生電子衍射現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)；相干彈性散射是指原子位置的相關(guān)性，即晶體中原子的周期性排列；17二、電子散射當(dāng)考慮電子的波動性時，能量（波長）不變的18二、電子散射電子衍射：電子衍射與X射線衍射一樣，遵從衍射產(chǎn)生的必要條件（布拉格方程+選擇反射、衍射矢量方程或厄瓦爾德圖解等）和消光規(guī)律。電子衍射的特點：（1）入射電子是直接被試樣原子所散射，不是場與場之間的交換，電子散射強(qiáng)度比X射線衍射強(qiáng)度要高得多。（2）電子波長比X射線波長短得多，電子衍射的布拉格角比X射線衍射的布拉格角小得多；2.2相干彈性散射和電子衍射18二、電子散射電子衍射：2.2相干彈性散射和電子衍射19三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)

當(dāng)一束細(xì)聚焦的電子束入射到樣品上時，入射電子和樣品物質(zhì)將發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，產(chǎn)生彈性散射和非彈性散射。入射電子非彈性散射所損失的能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，小部分使物質(zhì)中原子發(fā)生電離或形成自由載流子，并伴隨著產(chǎn)生各種有用信息。

相互作用區(qū)形狀和大小主要是在掃描電鏡分析時考慮（電子束斑直徑數(shù)nm）。19三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)20三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子與物質(zhì)的相互作用區(qū)：即電子在樣品中的擴(kuò)散區(qū)，就是在散射的過程中，入射電子在樣品中穿透的深度和側(cè)向擴(kuò)散的范圍。橫向擴(kuò)散：彈性散射使入射電子運動方向發(fā)生偏離，引起電子在樣品中的橫向擴(kuò)散；深度擴(kuò)散：非彈性散射不僅使入射電子改變運動方向，同時也使其能量不斷衰減，直至被樣品所吸收，從而限制了電子在樣品中的擴(kuò)散范圍。相互作用區(qū)的形狀、大?。褐饕Q于作用區(qū)內(nèi)樣品物質(zhì)元素的原子序數(shù)、入射電子的能量（加速電壓）和樣品的傾斜角效應(yīng)。20三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子與物質(zhì)的相互作用區(qū)：即電21三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.1原子序數(shù)的影響電子—原子核彈性散射截面：高原子序數(shù)樣品：電子在單位距離內(nèi)經(jīng)歷的彈性散射比低原子序數(shù)樣品更多，其平均散射角也較大。電子運動的軌跡更容易偏離起始方向，在固體中的穿透深度也隨之減少；低原子序數(shù)樣品：電子偏離原方向的程度較小，穿透得較深；形狀明顯地隨原子序數(shù)而改變，從低原子序數(shù)的梨型（滴狀）變?yōu)楦咴有驍?shù)的近似半球型。21三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.1原子序數(shù)的影響電子—22三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.2入射電子能量的影響對于同一物質(zhì)的樣品，作用區(qū)的尺寸正比于入射電子的能量；隨著入射電子能量的增大，相互作用區(qū)的橫向和縱向尺寸隨之成比例地增大，其形狀無明顯的變化。22三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.2入射電子能量的影響對23四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1.背散射電子

(Backscatteringelectron簡稱B.E)概念：背散射電子是被固體樣品反彈回來的入射電子，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同程度的損失。23四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1.背散射電子

(24四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號特點：總的來說，背散射電子的能量較高，等于或接近入射電子的能量。其產(chǎn)率隨試樣原子序數(shù)的增大而增大。用途：在掃描電鏡和電子探針中，用背散射電子可以獲得試樣的表面形貌像和成分像。SiC晶須增韌ZrB2復(fù)合材料的顯微組織24四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號特點：總的來說，背散射25四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號2．二次電子

(Secondaryelectron簡稱S.E)概念：在入射電子的撞擊下，核外電子脫離原子核的束縛，逸出試樣表面成為自由電子稱為二次電子。特點：二次電子的能量較低(小于50eV)，產(chǎn)生范圍?。▋H在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生）；產(chǎn)率與試樣的表面形狀密切相關(guān)，對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，能很好地反映試樣的表面形貌。用途：在掃描電鏡中用來獲取試樣的表面形貌像。25四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號2．二次電子

(Sec26四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號26四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號27四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號27四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號28四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號3．吸收電子

(Absorptionelectron簡稱A.E)概念：被試樣吸收掉的入射電子稱為吸收電子。特點：吸收電子的數(shù)量與試樣的厚度、密度、組成試樣的原子序數(shù)有關(guān)。試樣的厚度越大、密度越大，原子序數(shù)越大，吸收電子的數(shù)量就越多。如果試樣足夠厚，電子不能透過試樣，那么入射電子I0與背散射電子IB、二次電子IS和吸收電子IA之間有以下關(guān)系I0=IB+IS+IA

故吸收電子像是二次電子像、背散射電子像的負(fù)像。用途：在掃描電鏡中，可以用其獲取試樣的形貌像、成分像。28四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號3．吸收電子

(Abs29四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Transmissionelectron簡稱T.E)概念：穿透試樣的入射電子稱為透射電子。特點：透射電子的數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān)。試樣厚度越小，加速電壓越高，透過試樣的電子數(shù)量就越多。試樣比較薄的時候，由于有透射電子存在，電子數(shù)量的關(guān)系為I0=IB+IS+IA+IT用途：（1）透射電子是透射電子顯微鏡要檢測的主要信息，用于高倍形貌像觀察，高分辨原子、分子、晶格像觀察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。29四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Tra30四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Transmissionelectron簡稱T.E)用途：（2）透射電子中，除了有能量與入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮油?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子。其中有些特征能量損失ΔE的非彈性散射電子和分析區(qū)域的成分有關(guān)，可以用特征能量損失電子配合電子能量分析器進(jìn)行微區(qū)成分分析。30四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Tra31四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號5．連續(xù)X射線

與X射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線的原理一樣，不同的是，這里作陽極的不是磨光的金屬表面，而是試樣。當(dāng)電子束轟擊試樣表面時，有的電子可能與試樣中的原子碰撞一次而停止，而有的電子可能與原子碰撞多次，直到能量消耗殆盡為止。每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長的X射線，由于各次碰撞的時間和能量損失不同，產(chǎn)生的X射線的波長也不相同，加上碰撞的電子極多，因此將產(chǎn)生各種不同波長的X射線——連續(xù)X射線。

連續(xù)X射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予扣除。31四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號5．連續(xù)X射線32四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號6．特征X射線

電子束與固體物質(zhì)作用會產(chǎn)生特征X射線，這與X射線管產(chǎn)生特征X射線的過程和原理相同。

特征X射線的波長決定于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。每種元素都有自己特定的特征X射線譜。

特征X射線是電子探針微區(qū)成分分析所檢測的主要信號。32四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號6．特征X射線33四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號7．俄歇電子(augerelectron)

由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。如圖所示，入射電子使試樣中某原子的內(nèi)層(如K層)電子激發(fā)(打飛)后，外層電子(如L2層電子)將回躍到內(nèi)層(K層)來填補空位，多余的能量(△E=EL2-EK)不是以特征X射線的形式釋放出來，而是傳給了外層(如L3層)的電子，使之激發(fā)。這個過程稱為俄歇作用，由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。33四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號7．俄歇電子(auge34四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號34四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號35四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號俄歇電子與特征X射線一樣，具有特定的能量和波長，其能量和波長取決于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。因此每種元素都有自己的特征俄歇能譜。俄歇電子的能量較低，一般是50~1500eV，逸出深度4~20?，相當(dāng)于2~3個原子層。這種電子能反映試樣的表面特征。因此,檢測俄歇電子可以對試樣表面成分和表面形貌進(jìn)行分析。35四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號俄歇36四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號8．熒光X射線

由X射線激發(fā)產(chǎn)生的次級X射線稱為熒光X射線。其產(chǎn)生機(jī)理與X射線管產(chǎn)生X射線的機(jī)理是一樣的，不同的是熒光X射線以X射線作激發(fā)源。

高能電子束轟擊試樣，會產(chǎn)生特征X射線和連續(xù)X射線，特征X射線會激發(fā)另一些元素的內(nèi)層電子而產(chǎn)生次級特征X射線。這種由特征X射線激發(fā)出來的二級特征X射線，叫做特征X熒光。從樣品中發(fā)射出來的連續(xù)X射線，也會激發(fā)出一些二級X射線。這種由連續(xù)X射線激發(fā)出來的二級連續(xù)X射線叫做連續(xù)X熒光。電子探針定量分析時，必須考慮X射線熒光效應(yīng)的影響，進(jìn)行X熒光校正。36四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號8．熒光X射線37四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號9．陰極發(fā)光(熒光)

陰極熒光實際上是由陰極射線（電子束）激發(fā)出來的一種波長較長的電磁波，一般是指可見光，也包括紅外光和紫外光在內(nèi)。產(chǎn)生陰極熒光的物質(zhì)主要是那些含有雜質(zhì)元素或晶格缺陷(如間隙原子、晶格空位等)的絕緣體或半導(dǎo)體。37四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號9．陰極發(fā)光(熒光)38四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號如圖所示，入射電子束作用在試樣上，使得價帶(滿帶)上的電子激發(fā)，從價帶越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，可以是直接躍回價帶，多余的能量以電磁幅射的形式一次釋放出來，其波長由導(dǎo)帶與價帶的能級差(△E=EC-EV)決定。如果其波長在可見光的范圍，就會發(fā)出可見熒光。如果其波長比可見光短，比X光長，那樣就會發(fā)出紫外熒光。導(dǎo)帶禁帶熒光入射電子38四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號如圖39四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號

導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，也可能先躍到雜質(zhì)能級(或者說被雜質(zhì)能級捕獲)然后再從雜質(zhì)能級躍回價帶。這種情況下，其多余的能量將分兩次釋放出來，如果都是以電磁波的形式釋放，那么其波長將由導(dǎo)帶能級、價帶能級和雜質(zhì)能級來決定。如果波長在可見光范圍，就會發(fā)出可見熒光，如果波長比可見光的長，就可能發(fā)出紅外熒光。

陰極發(fā)光可用來研究礦物的發(fā)光性、所含雜質(zhì)類型和晶格缺陷等。價帶(滿帶)導(dǎo)帶禁帶熒光入射電子雜質(zhì)能級39四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號導(dǎo)帶40四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號各種物理信號的產(chǎn)生深度和廣度范圍40四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號各種物理信號的產(chǎn)生深度41四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號41四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號42四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號物理信號產(chǎn)生深度產(chǎn)生廣度用途分辨率儀器俄歇電子＜10?等于電子束作用面積表面形貌和成份像10~100?俄歇電子譜儀二次電子＜100?約等于電子束形貌像、結(jié)構(gòu)像30~100?掃描電鏡背散射電子較大大于電子束形貌像、成份像50~2000?掃描電鏡、電子探針吸收電子電子穿透深度大于電子束形貌像、成份像1000~10000?掃描電鏡、電子探針透射電子形貌像、結(jié)構(gòu)像1.4~100?透射電鏡特征X射線略小于電子穿透深度大于電子束元素定量、定性分析、元素面分布像電子探針陰極發(fā)光大于電子穿透深度遠(yuǎn)大于電子束晶體缺陷、雜質(zhì)元素分布像、晶體發(fā)光3000~10000?掃描電鏡、電子探針各種物理信號的產(chǎn)生深度、

廣度、用途和分辨率深度和廣度范圍42四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號物理信號產(chǎn)生深度產(chǎn)生廣43四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號各種物理信號的產(chǎn)生深度和廣度范圍

X射線衍射儀

電子探針儀

掃描電鏡X射線二次電子韌致輻射入射電子背散射電子陰極熒光吸收電子

俄歇電子試樣

透射電子衍射電子俄歇能譜

透射電子顯微鏡

電子衍射儀43四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號各種物理信號的產(chǎn)生深度44

Thanks透射電子顯微鏡44Thanks透射電子顯微鏡45電子與物質(zhì)的相互作用一、電子與物質(zhì)的相互作用二、電子散射三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1電子與物質(zhì)的相互作用一、電子與物質(zhì)的相互作用46一、電子與物質(zhì)的相互作用（1）運動的微觀粒子具有波動性，電子波的波長與質(zhì)量m、運動速度v、動量p之間的關(guān)系由德布羅意波動方程給出：（2）電子速度與電壓的關(guān)系對v0＝0的電子，在加速電壓U的作用下，速度達(dá)到v，則動能E為：1.1電子的波長2一、電子與物質(zhì)的相互作用（1）運動的微觀粒子具有波動性，電47（3）電子波長與加速電壓的關(guān)系（4）電子波長的相對論校正一、電子與物質(zhì)的相互作用1.1電子的波長3（3）電子波長與加速電壓的關(guān)系（4）電子波長的相對論校正一48表不同加速電壓下的電子能量與波長U/kVEk/MeV速度v/cλ/nm1000.10.5480.003702000.20.6950.002513000.30.7770.001974000.40.8280.001646000.60.8880.001268000.80.9210.00103100010.9410.00087200020.9790.00050300030.9890.00036一、電子與物質(zhì)的相互作用1.1電子的波長4表不同加速電壓下的電子能量與波長U/kVEk/MeV速491.2電子與物質(zhì)的相互作用電子束照射到試樣上，入射電子與試樣原子的原子核和核外電子發(fā)生彈性散射、或非彈性散射過程，并激發(fā)出多種反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的物理信號，主要有背散射電子、透射電子、吸收電子、二次電子、俄歇電子、連續(xù)X射線、特征X射線、陰極發(fā)光、衍射電子等（99%轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，僅1%轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢硇盘枺?。一、電子與物質(zhì)的相互作用51.2電子與物質(zhì)的相互作用電子束照射到501.2電子與物質(zhì)的相互作用透射和掃描電鏡獲取的信息分別為：（1）TEM：電子束斑直徑2~10μm，樣品厚度0.2~0.5μm，采用的是透射的彈性散射電子進(jìn)行顯微成像或者相干衍射獲得電子衍射譜；（2）SEM：電子束斑直徑數(shù)nm，樣品厚度很大，采用的是隨著電子束在樣品表面掃描過程中所產(chǎn)生的背散射電子、二次電子、俄歇電子、吸收電子、特征X射線、陰極發(fā)光等。一、電子與物質(zhì)的相互作用61.2電子與物質(zhì)的相互作用透射和掃描電鏡獲取的信息分別為51二、電子散射電子散射：當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時，在原子庫侖電場作用下，入射電子方向改變，稱為電子散射。電子散射分為：彈性散射：電子只改變方向，而能量基本無損失。非彈性散射：電子不但改變方向，能量也有不同程度的減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闊?、光、特征X射線和二次電子發(fā)射等。波動性（假設(shè)入射電子波是相干的），電子散射分為：相干散射：保持入射電子的位相和波長；非相干散射：沒有確定的位相關(guān)系；7二、電子散射電子散射：當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向射入試樣時52二、電子散射散射角：散射電子的運動方向與原入射電子方向之間的夾角。前散射：散射角小于90?；包括彈性散射、布拉格散射即衍射，及非彈性散射；前彈性散射角通常較?。??~10?），前彈性散射角越大，非相干的程度就越大。非彈性散射總是非相干的。背散射：散射角大于90?；原子對電子散射表現(xiàn)為：（1）原子核對電子散射：主要為彈性散射，原子核質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子，強(qiáng)庫侖作用；部分非彈性散射，連續(xù)X射線；（2）核外電子對電子散射：主要為非彈性散射，產(chǎn)生熱、光、特征X射線、二次電子等；8二、電子散射散射角：散射電子的運動方向與原入射電子方向之間53二、電子散射原子核對電子的彈性散射彈性散射一個運動的電子靠近孤立的原子時，由于原子核庫侖力的作用，電子將向原子核方向偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)角--θn，θn的大小取決于距離rn

的大小2.1電子散射截面與電子散射能力式中，U為加速電壓，Z為原子序數(shù)9二、電子散射原子核對電子的彈性散射彈性散射一個運動的電子靠54二、電子散射核質(zhì)量電子的質(zhì)量，此偏轉(zhuǎn)可視為彈性散射，則偏轉(zhuǎn)角θn-----彈性散射角在(rn)2

圓面積內(nèi)的散射，散射角θn，稱(rn)2為散射角大于θn的原子核彈性散射截面彈性散射是電子衍射及成像的基礎(chǔ)原子核對電子的彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力10二、電子散射核質(zhì)量電子的質(zhì)量，此偏轉(zhuǎn)可視為彈性散射，55二、電子散射核外電子的非彈性散射一個運動的電子靠近孤立的原子中的電子時，由于電子庫侖力的排斥作用，電子將向反方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角--θe，θe的大小取決于re的大小非彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力式中，U為加速電壓11二、電子散射核外電子的非彈性散射一個運動的電子靠近孤立的56二、電子散射入射電子受核外電子的散射，電子偏轉(zhuǎn)時有能量的變化，此偏轉(zhuǎn)可視為非彈性散射在(re)2

圓面積內(nèi)的散射，散射角θe，稱(re)2為散射角大于θe的非彈性散射截面核外電子的非彈性散射2.1電子散射截面與電子散射能力12二、電子散射入射電子受核外電子的散射，電子偏轉(zhuǎn)時有能量的57二、電子散射散射截面：電子被散射的機(jī)會2.1電子散射截面與電子散射能力式中，r為散射中心的有效半徑，實際代表了電子與散射中心的距離。散射截面σ具有面積的單位，但不代表一個實際的物理面積。散射截面越大，電子散射的機(jī)會就越多，散射截面反應(yīng)了電子的散射能力。13二、電子散射散射截面：電子被散射的機(jī)會2.1電子散射截58二、電子散射電子—電子的散射截面：2.1電子散射截面與電子散射能力電子—原子核散射截面：加速電壓越高，電子散射截面越小，電子被散射機(jī)會就越少；散射角越大，電子散射截面越小，電子被散射機(jī)會就越少；非彈性散射截面主要取決于加速電壓；彈性散射截面與原子序數(shù)密切相關(guān)；14二、電子散射電子—電子的散射截面：2.1電子散射截面與59二、電子散射

一個孤立原子的總散射截面σ是所有彈性散射σn和非彈性散射σe的和：2.1電子散射截面與電子散射能力由核外電子引起的非彈性散射與原子核產(chǎn)生的彈性散射之比：隨著原子序數(shù)的增加，彈性散射所占的比重增加；對于輕元素，非彈性散射占據(jù)很大部分；對于TEM電子能量，彈性散射幾乎總是占主要部分。15二、電子散射一個孤立原子的總散射截面σ是所有彈性散射60二、電子散射

單位體積中包含N個原子的電子散射截面Q：電子束通過單位面積單位厚度試樣所產(chǎn)生的電子散射幾率2.1電子散射截面與電子散射能力Qt包含了影響散射幾率的所有因素，式中ρ×t稱為樣品的質(zhì)厚；在特定的樣品點所發(fā)生的電子散射數(shù)量取決于該點處樣品的厚度和密度，與其他性質(zhì)關(guān)系不大；隨著樣品質(zhì)厚的增加，電子的散射幾率增加；非相干彈性散射是非晶材料TEM成像的物理依據(jù)，質(zhì)厚是重要因素；式中，N0為阿伏伽德羅常數(shù)，A為原子量，ρ為密度，N0ρ=NA試樣厚度為t的散射幾率為：16二、電子散射單位體積中包含N個原子的電子散射截面Q：61二、電子散射

當(dāng)考慮電子的波動性時，能量（波長）不變的彈性散射波可以相互干涉得到加強(qiáng)或減弱。電子衍射：由于固體晶體中的原子排列具有周期性，各原子彈性散射的電子波相互干涉，在相干散射加強(qiáng)的方向上產(chǎn)生電子衍射束。電子衍射譜：在透射電鏡中，電子衍射束被電磁透鏡聚焦放大投影到熒光屏上，形成規(guī)則排列的斑點或線條。2.2相干彈性散射和電子衍射相干彈性散射是電子束在晶體中產(chǎn)生電子衍射現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)；相干彈性散射是指原子位置的相關(guān)性，即晶體中原子的周期性排列；17二、電子散射當(dāng)考慮電子的波動性時，能量（波長）不變的62二、電子散射電子衍射：電子衍射與X射線衍射一樣，遵從衍射產(chǎn)生的必要條件（布拉格方程+選擇反射、衍射矢量方程或厄瓦爾德圖解等）和消光規(guī)律。電子衍射的特點：（1）入射電子是直接被試樣原子所散射，不是場與場之間的交換，電子散射強(qiáng)度比X射線衍射強(qiáng)度要高得多。（2）電子波長比X射線波長短得多，電子衍射的布拉格角比X射線衍射的布拉格角小得多；2.2相干彈性散射和電子衍射18二、電子散射電子衍射：2.2相干彈性散射和電子衍射63三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)

當(dāng)一束細(xì)聚焦的電子束入射到樣品上時，入射電子和樣品物質(zhì)將發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，產(chǎn)生彈性散射和非彈性散射。入射電子非彈性散射所損失的能量大部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，小部分使物質(zhì)中原子發(fā)生電離或形成自由載流子，并伴隨著產(chǎn)生各種有用信息。

相互作用區(qū)形狀和大小主要是在掃描電鏡分析時考慮（電子束斑直徑數(shù)nm）。19三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)64三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子與物質(zhì)的相互作用區(qū)：即電子在樣品中的擴(kuò)散區(qū)，就是在散射的過程中，入射電子在樣品中穿透的深度和側(cè)向擴(kuò)散的范圍。橫向擴(kuò)散：彈性散射使入射電子運動方向發(fā)生偏離，引起電子在樣品中的橫向擴(kuò)散；深度擴(kuò)散：非彈性散射不僅使入射電子改變運動方向，同時也使其能量不斷衰減，直至被樣品所吸收，從而限制了電子在樣品中的擴(kuò)散范圍。相互作用區(qū)的形狀、大小：主要取決于作用區(qū)內(nèi)樣品物質(zhì)元素的原子序數(shù)、入射電子的能量（加速電壓）和樣品的傾斜角效應(yīng)。20三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)電子與物質(zhì)的相互作用區(qū)：即電65三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.1原子序數(shù)的影響電子—原子核彈性散射截面：高原子序數(shù)樣品：電子在單位距離內(nèi)經(jīng)歷的彈性散射比低原子序數(shù)樣品更多，其平均散射角也較大。電子運動的軌跡更容易偏離起始方向，在固體中的穿透深度也隨之減少；低原子序數(shù)樣品：電子偏離原方向的程度較小，穿透得較深；形狀明顯地隨原子序數(shù)而改變，從低原子序數(shù)的梨型（滴狀）變?yōu)楦咴有驍?shù)的近似半球型。21三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.1原子序數(shù)的影響電子—66三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.2入射電子能量的影響對于同一物質(zhì)的樣品，作用區(qū)的尺寸正比于入射電子的能量；隨著入射電子能量的增大，相互作用區(qū)的橫向和縱向尺寸隨之成比例地增大，其形狀無明顯的變化。22三、電子束與物質(zhì)的相互作用區(qū)3.2入射電子能量的影響對67四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1.背散射電子

(Backscatteringelectron簡稱B.E)概念：背散射電子是被固體樣品反彈回來的入射電子，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同程度的損失。23四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號1.背散射電子

(68四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號特點：總的來說，背散射電子的能量較高，等于或接近入射電子的能量。其產(chǎn)率隨試樣原子序數(shù)的增大而增大。用途：在掃描電鏡和電子探針中，用背散射電子可以獲得試樣的表面形貌像和成分像。SiC晶須增韌ZrB2復(fù)合材料的顯微組織24四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號特點：總的來說，背散射69四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號2．二次電子

(Secondaryelectron簡稱S.E)概念：在入射電子的撞擊下，核外電子脫離原子核的束縛，逸出試樣表面成為自由電子稱為二次電子。特點：二次電子的能量較低(小于50eV)，產(chǎn)生范圍?。▋H在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生）；產(chǎn)率與試樣的表面形狀密切相關(guān)，對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，能很好地反映試樣的表面形貌。用途：在掃描電鏡中用來獲取試樣的表面形貌像。25四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號2．二次電子

(Sec70四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號26四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號71四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號27四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號72四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號3．吸收電子

(Absorptionelectron簡稱A.E)概念：被試樣吸收掉的入射電子稱為吸收電子。特點：吸收電子的數(shù)量與試樣的厚度、密度、組成試樣的原子序數(shù)有關(guān)。試樣的厚度越大、密度越大，原子序數(shù)越大，吸收電子的數(shù)量就越多。如果試樣足夠厚，電子不能透過試樣，那么入射電子I0與背散射電子IB、二次電子IS和吸收電子IA之間有以下關(guān)系I0=IB+IS+IA

故吸收電子像是二次電子像、背散射電子像的負(fù)像。用途：在掃描電鏡中，可以用其獲取試樣的形貌像、成分像。28四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號3．吸收電子

(Abs73四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Transmissionelectron簡稱T.E)概念：穿透試樣的入射電子稱為透射電子。特點：透射電子的數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān)。試樣厚度越小，加速電壓越高，透過試樣的電子數(shù)量就越多。試樣比較薄的時候，由于有透射電子存在，電子數(shù)量的關(guān)系為I0=IB+IS+IA+IT用途：（1）透射電子是透射電子顯微鏡要檢測的主要信息，用于高倍形貌像觀察，高分辨原子、分子、晶格像觀察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。29四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Tra74四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Transmissionelectron簡稱T.E)用途：（2）透射電子中，除了有能量與入射電子相當(dāng)?shù)膹椥陨⑸潆娮油?，還有各種不同能量損失的非彈性散射電子。其中有些特征能量損失ΔE的非彈性散射電子和分析區(qū)域的成分有關(guān)，可以用特征能量損失電子配合電子能量分析器進(jìn)行微區(qū)成分分析。30四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號4．透射電子

(Tra75四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號5．連續(xù)X射線

與X射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線的原理一樣，不同的是，這里作陽極的不是磨光的金屬表面，而是試樣。當(dāng)電子束轟擊試樣表面時，有的電子可能與試樣中的原子碰撞一次而停止，而有的電子可能與原子碰撞多次，直到能量消耗殆盡為止。每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長的X射線，由于各次碰撞的時間和能量損失不同，產(chǎn)生的X射線的波長也不相同，加上碰撞的電子極多，因此將產(chǎn)生各種不同波長的X射線——連續(xù)X射線。

連續(xù)X射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予扣除。31四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號5．連續(xù)X射線76四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號6．特征X射線

電子束與固體物質(zhì)作用會產(chǎn)生特征X射線，這與X射線管產(chǎn)生特征X射線的過程和原理相同。

特征X射線的波長決定于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。每種元素都有自己特定的特征X射線譜。

特征X射線是電子探針微區(qū)成分分析所檢測的主要信號。32四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號6．特征X射線77四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號7．俄歇電子(augerelectron)

由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。如圖所示，入射電子使試樣中某原子的內(nèi)層(如K層)電子激發(fā)(打飛)后，外層電子(如L2層電子)將回躍到內(nèi)層(K層)來填補空位，多余的能量(△E=EL2-EK)不是以特征X射線的形式釋放出來，而是傳給了外層(如L3層)的電子，使之激發(fā)。這個過程稱為俄歇作用，由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。33四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號7．俄歇電子(auge78四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號34四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號79四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號俄歇電子與特征X射線一樣，具有特定的能量和波長，其能量和波長取決于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。因此每種元素都有自己的特征俄歇能譜。俄歇電子的能量較低，一般是50~1500eV，逸出深度4~20?，相當(dāng)于2~3個原子層。這種電子能反映試樣的表面特征。因此,檢測俄歇電子可以對試樣表面成分和表面形貌進(jìn)行分析。35四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號俄歇80四、電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的信號8．熒光X射線

由X射線激發(fā)產(chǎn)生的次級X射線稱為熒光X射線。其產(chǎn)生機(jī)理與X射線管產(chǎn)生X射線的機(jī)理是一樣的，不同的是熒光X射線以X射線作激發(fā)源。

高能電子束轟擊試樣，會產(chǎn)生特征X射線和連續(xù)X射線，特征X射線會激發(fā)另一些元素的內(nèi)層電子而產(chǎn)生次級特征X射線。這種由特征X射線激發(fā)出來的二級特征X射線，叫做特征X