電子束與材料的相互作用

電子束與材料的相互作用第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一入射電子與原子的相互作用產(chǎn)生的各種信息O入射電子●原子中的核外電子或二次電子第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.1散射當(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)象稱為（電子）散射。有彈性散射和非彈性散射之分。原子中的原子核和核外電子對入射電子均有散射作用。第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一圖3-1電子散射示意圖（a）與原子核作用；（b）與核外電子作用第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.1.1原子核對入射電子的散射

有彈性散射和非彈性散射。散射損失的能量散射角（2）即散射電子運動方向與入射方向之間的夾角。非彈性散射損失的能量E轉(zhuǎn)化為X射線，它們之間的關(guān)系是式中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，及分別是X射線的頻率與波長。第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.1.2核外電子對入射電子的散射

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。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)闊幔糠质刮镔|(zhì)產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象（如，原子電離、自由載流子、二次電子、俄歇電子、特征X射線、特征能量損失電子、陰極發(fā)光、電子感生電導(dǎo)等）。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)。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.3.3散射截面

入射電子被原子核散射時，散射角2的大小與瞄準(zhǔn)距離（電子入射方向與原子核的距離）rn、原子核電荷Ze以及入射電子的加速電壓V有關(guān)，其關(guān)系為（3-2）rn2叫做彈性散射截面，用n表示。當(dāng)入射電子與核外電子作用時，散射角2為（3-3）re2為核外電子的非彈性散射截面，用e表示。第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.1.4電子吸收

電子吸收主要指由于電子能量衰減而引起的強度（電子數(shù)）衰減。顯然不同于X射線的“真吸收”。電子被吸收時所達(dá)到的深度稱為最大穿入深度（R）。圖3-2入射電子在固體中傳播時的能量損失曲線（E0=1keV、3keV、5keV和8keV）第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.2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2.電子非彈性散射平均自由程和信息深度3.電子能譜第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.2.1電子與固體作用產(chǎn)生的信號周玉－183-185，楊南如－112-114圖3-3入射電子束與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射現(xiàn)象第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.2.2.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)過的平均路程稱為電子非彈性散射平均自由程，用e表示。

第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一圖3-4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(梨形作用體積)(b)重元素樣品的電子束散射區(qū)域形狀(半球形作用體積)1-入射電子束；2-俄歇電子激發(fā)體積；3-樣品表面；4-二次電子激發(fā)體積；5-背散射電子激發(fā)體積；6-初級X射線激發(fā)體積第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一（1）背散射電子，包括：彈性背散射電子和非彈性背散射電子。背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)增大而增多，所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。（2）二次電子，在入射電子束作用下被轟擊出來并離開樣品表面的樣品的核外電子叫做二次電子，真空中的自由電子。

二次電子一般都是在表層5～10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感。因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用它來進(jìn)行成分分析。（3）吸收電子，入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈性散射能量損失殆盡(假定樣品右足夠的厚度沒有透射電子產(chǎn)生)，最后被樣品吸收。產(chǎn)生背散射電子較多的部位(原子序數(shù)大)其吸收電子的數(shù)量就較少，反之亦然。因此，吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，同樣也可以用來進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析。第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一（4）透射電子，當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時，入射電子將穿透試樣，從另一表面射出稱為透射電子。透射電子信號是由微區(qū)的厚度、成分和晶體結(jié)構(gòu)來決定。透射電子中除了有能量和入射電子相當(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，其中有些遭受特征能量損失ΔE的非彈性散射電子(即特征能量損失電子)和分析區(qū)域的成分有關(guān)，因此，可以利用特征能量損失電子配合電子能量分析器來進(jìn)行微區(qū)成分分析。（5）特征X射線，當(dāng)樣品原子的內(nèi)層電子被入射電子激發(fā)或電離時。原子就會處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)。此時外層電子將向內(nèi)層躍遷以填補內(nèi)層電子的空缺，從而使具有特征能量的x射線釋放出來。根據(jù)莫塞萊定律，如果我們用x射線探測器測到了樣品微區(qū)個存在某一種特征波長，就可以判定這個微區(qū)中存在著相應(yīng)的元素。（6）

俄歇電子，在入射電子激發(fā)樣品的特征X肘線過程中，如果在原子內(nèi)層電子能級躍遷過程中釋放出來的能量并不以x射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層內(nèi)的另一個電子發(fā)射出去，這個被電離出來的電子稱為俄歇電子。特別適用做1nm左右范圍內(nèi)表層成分分析。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一3.2.3電子能譜

圖3-5電子與固體作用產(chǎn)生的發(fā)射電子譜（示意圖）第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一表3-1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

第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一二次電子像第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一背散射電子像第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期一背散射電子像第19頁，共23頁，2023年，