電子與物質(zhì)的相互作用

引言電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時，也可產(chǎn)生電子-空穴對、晶格振動

（聲子）、電子振蕩（等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。

當(dāng)前1頁，總共27頁。電子束與固體樣品作用時產(chǎn)生的信號當(dāng)前2頁，總共27頁。

一.二次電子產(chǎn)生：入射電子束轟擊出來并離開樣品表面的樣品中的核外電子。2.

特點：⑴能量較低（<50eV）；⑵一般在表層5~10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來，對樣品表面形貌非常敏感。

(3)與原子序數(shù)無關(guān)，不能做成份分析3.

作用：樣品表面形貌分析。當(dāng)前3頁，總共27頁。二次電子成像原理①二次電子能量較低，只能從樣品表面層5~10nm深度范圍內(nèi)激發(fā)出來；②其數(shù)量和原子序數(shù)沒有明顯的關(guān)系，但對微區(qū)表面的形狀十分敏感；③樣品上凸出的尖棱、小粒子以及比較陡的斜面處二次電子的產(chǎn)額較多，在熒光屏上亮度較大，平面上二次電子產(chǎn)額較小，亮度較低；在深的凹槽底部雖然也能產(chǎn)生較多的二次電子，但這些二次電子不易被檢測器收集到，因此槽底較暗。

當(dāng)前4頁，總共27頁。當(dāng)前5頁，總共27頁。當(dāng)前6頁，總共27頁。當(dāng)前7頁，總共27頁。當(dāng)前8頁，總共27頁。

二.背散射電子產(chǎn)生：背散射電子是被固體樣品中原子反彈回來的一部分入射電子。

包括：彈性背散射電子——被樣品中原子核反彈回來的入射電子，能量基本沒有損失，能量很高。

非彈性背散射電子——被樣品中核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射的入射電子，方向和能量均發(fā)生改變，經(jīng)多次散射后仍能反彈出樣品表面的入射電子。當(dāng)前9頁，總共27頁。特點：背散射電子來自樣品表層幾百納米(50～1000nm)的深度范圍，其產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)的增大而增多。作用：不僅能做形貌分析，還可定性作成分分析。當(dāng)前10頁，總共27頁。背散射電子形貌襯度特點（與二次電子形貌像的區(qū)別）⑴分辨率遠比二次電子低；⑵背散射電子的能量較高，它們以直線軌跡逸出樣品表面，對于背向檢測器的樣品表面，因檢測器無法收集到背散射電子而變成了一片陰影，圖像襯度太大會失去細節(jié)的層次，不利于分析。

當(dāng)前11頁，總共27頁。⑶而二次電子能量低，可利用檢測器收集柵上加一定正電壓來吸引能量較低的二次電子，使它們以弧形路線進入閃爍體，使背向檢測器的部位逸出的電子也能對成像有貢獻，使圖像層次增加，細節(jié)清楚。當(dāng)前12頁，總共27頁。當(dāng)前13頁，總共27頁。2.背散射電子原子序數(shù)襯度原理⑴原子序數(shù)襯度：是利用對樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化敏感的物理信號作為調(diào)制信號得到的，表示微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。對微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分的變化敏感信號：

背散射電子、吸收電子、特征X射線、俄歇電子等。當(dāng)前14頁，總共27頁。⑵背散射電子原子序數(shù)襯度原理背散射電子的產(chǎn)額隨樣品原子序數(shù)的增大而增加，因而，樣品上原子序數(shù)較高的區(qū)域，產(chǎn)生較強的信號，熒光屏上圖像較亮，這樣可以根據(jù)背散射電子像亮暗襯度來判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對高低，對金屬及其合金進行化學(xué)成分的半定性分析。當(dāng)前15頁，總共27頁。背散射電子產(chǎn)額當(dāng)前16頁，總共27頁。兩種圖像的對比錫鉛鍍層的表面圖像（a）二次電子圖像（b）背散射電子圖像當(dāng)前17頁，總共27頁。兩種圖像的對比鋁鈷鎳合金二次電子照片鋁鈷鎳合金背散射電子照片當(dāng)前18頁，總共27頁。三.吸收電子1.產(chǎn)生：入射電子多次非彈性散射后能量消失，最后被樣品吸收。入射電子被樣品吸收后也會產(chǎn)生電流強度。入射電子的電流強度=（無透射電子時）逸出表面的背散射電子的電流強度+二次電子電流強度+吸收電子的電流強度當(dāng)前19頁，總共27頁。特點：樣品中原子序數(shù)較大的元素產(chǎn)生的背散射電子的數(shù)目較多，相反，吸收電子的數(shù)量就較少；反之亦然。因此，吸收電子也可反映原子序數(shù)襯度，可進行定性微區(qū)成分分析。3.作用：定性微區(qū)成分分析。當(dāng)前20頁，總共27頁。吸收電子成像吸收電子原子序數(shù)襯度原理：吸收電子是被樣品吸收的入射電子，故其產(chǎn)額與背散射電子相反，即：樣品原子序數(shù)越小，背散射電子越少，吸收電子越多，故吸收電子像和背散射電子像襯度剛好相反，也可進行成分分析。當(dāng)前21頁，總共27頁。當(dāng)前22頁，總共27頁。

四.透射電子產(chǎn)生：如果被分析的樣品很薄，則有一部分入射電子穿過薄樣品而成為透射電子。此時，入射電子強度（i）=背散射電子i+二次電子強度i+吸收電子i+透射電子i當(dāng)前23頁，總共27頁。特點：⑴只有樣品的厚度小于入射電子的有效穿入深度時，才會產(chǎn)生。

⑵隨樣品厚度增加（質(zhì)量厚度ρt），透射電子數(shù)目減小，吸收電子數(shù)量增加，當(dāng)樣品厚度超過有效穿透深度后，無透射電子。3.作用：配合電子能量分析器來進行微區(qū)成分分析。當(dāng)前24頁，總共27頁。

五.特征X射線產(chǎn)生：當(dāng)入射電子的能量足夠大，使樣品原子的內(nèi)層電子被激發(fā)或電離，此時外層電子向內(nèi)層躍遷以填補內(nèi)層電子的空位，從而輻射出具有原子序數(shù)特征的特征X射線。2.特點：反映了樣品中原子序數(shù)特征。3.應(yīng)用：微區(qū)成分分析（元素）。當(dāng)前25頁，總共27頁。

六.俄歇電子產(chǎn)生：入射電子激發(fā)樣品的特征X射線過程中，外層電子向內(nèi)層躍遷時輻射出來的能量不是以X射線的形式發(fā)射出去，而被外層的另一個電子吸收而擺脫原子核的束縛而逃離出來，這個被電離的電子稱為俄歇電子。特征：⑴俄歇電子能量很低，并且具有反映原子序數(shù)的特征能量；