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1、1 第三章第三章 粒子（束）与材料的相互作用粒子（束）与材料的相互作用第一节第一节 电子束与材料的相互作用电子束与材料的相互作用 第二节第二节 离子束与材料的相互作用（略）离子束与材料的相互作用（略） 一、电子束与物质的相互作用一、电子束与物质的相互作用O入射电子入射电子 原子中的核外电子或二次电子原子中的核外电子或二次电子（1）散射；）散射； （2）激发；）激发； （3）受激发粒子在固）受激发粒子在固体中的传播。体中的传播。 3 一、散射 p当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子的固体原子的库仑电场库仑电场作用下，入射电子方向将作用下，入射电
2、子方向将发生改变，这种现象称为（发生改变，这种现象称为（电子电子）散射散射。 p有有弹性散射弹性散射和和非弹性散射非弹性散射之分。之分。 p原子中的原子中的原子核原子核和和核外电子核外电子对入射电子均有散对入射电子均有散射作用。射作用。对比：物质对对比：物质对X射线的散射射线的散射4 瞄准距离瞄准距离散射角散射角核电荷数或核电荷数或原子序数原子序数注意：电子注意：电子经过原子核经过原子核和电子时偏和电子时偏转方向不同转方向不同!入射方向与入射方向与散射方向之散射方向之间的夹角间的夹角电子入射方向与电子入射方向与原子核或电子之原子核或电子之间的距离间的距离电子衍射及成像的基础电子衍射及成像的基础
3、 电子散射示意图电子散射示意图与原子核作用与原子核作用与核外电子作用与核外电子作用5 1. 原子核对入射电子的散射 p电子受散射后损失的能量电子受散射后损失的能量 电子的初始电子的初始能量能量散射基元散射基元(原子核原子核)的质量数的质量数(质子质子数与中子数之和数与中子数之和)半散射角半散射角p由公式可知，电子的能量损失与入射能量相比，可由公式可知，电子的能量损失与入射能量相比，可忽略忽略。因此，原子核对电子的散射一般情况下均可视为因此，原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射弹性散射。6 2. 核外电子对入射电子的散射 p原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种原子中核外电子对入射电子
4、的散射作用是一种非弹非弹性散射性散射。 p在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质产生各种激发现象，如转变为热，部分使物质产生各种激发现象，如原子原子电离电离、自由载流子自由载流子、二次电子二次电子、俄歇电子俄歇电子、特征特征X射线射线、特征能量损失电子特征能量损失电子、阴极荧光阴极荧光、电子感生电电子感生电导导等等电子激发电子激发。 7 3. 散射截面 p入射电子入射电子被原子核散射被原子核散射时，散射角时，散射角2 的大小与瞄准距离的大小与瞄准距离rn、原子核电荷原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压以及入射电子的加速电压V
5、有关，其关系为有关，其关系为 rn2叫做叫做弹性散射截面弹性散射截面，用，用 n表示。表示。 p当当入射电子与核外电子作用入射电子与核外电子作用时，散射角时，散射角2 为为 re2为为核外电子的非弹性散射截面核外电子的非弹性散射截面，用，用 e表示。表示。8 p弹性散射截面为弹性散射截面为 n p非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和之和Z e，p则则 n/Z e=Z p因此，因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。对一个原子序数为对一个原子序数为Z的孤立原子的孤立原子9 4. 电子吸收 p电子
6、吸收电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。 p电子被吸收时所达到的深度称为电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度最大穿入深度（R）。）。入射电子在固体中传播时的能量损失曲线入射电子在固体中传播时的能量损失曲线 （E0=1keV、3keV、5keV和和8keV）入射电子的能量越大，穿入射电子的能量越大，穿入深度越大。入深度越大。固体对电子的固体对电子的“吸收吸收”比对比对X射线的吸收快。射线的吸收快。二、电子与固体作用产生的信号二、电子与固体作用产生的信号p弹性散射弹性散射和和非弹性散射非弹性散射非弹性散射非弹性散射同时发生。同时发
7、生。p前者使电子偏离原来方向引起电子在固体中前者使电子偏离原来方向引起电子在固体中扩扩扩扩散散散散；后者使电子能量逐渐减小，直至被固体；后者使电子能量逐渐减小，直至被固体吸收吸收吸收吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围称为称为电子与固体的作用区电子与固体的作用区。p扫描电子显微镜和其它相关分析技术检测的各扫描电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和辐射正是来自这个作用区。种信号和辐射正是来自这个作用区。 11 入射电子束与固体作用产生的发射现象入射电子束与固体作用产生的发射现象背散射电子背散射电子流流IR ，包括，包括弹性背散射电子和非
8、弹性弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子。二次电子二次电子流流IS ，包括（真），包括（真）二次电子和特征二次电子二次电子和特征二次电子（俄歇电子俄歇电子）样品样品吸收电流吸收电流IA电子激发诱导的电子激发诱导的X射线射线辐射强度辐射强度IX 连续的连续的X射线射线 特征特征X射线射线 X射线荧光射线荧光（二次特征（二次特征X射线）射线）表面元素发射表面元素发射的总强度的总强度IE透射电子透射电子流流IT入射电入射电子流子流I I0 0 12 1-入射电子束入射电子束2-俄歇电子激发体积俄歇电子激发体积3-样品表面样品表面4-二次电子激发体积二次电子激发体积5-背散射电背散射电子激发体
9、积子激发体积6-初级初级X射线激发体积射线激发体积入射电子产生的各种信息的深度和广度范围入射电子产生的各种信息的深度和广度范围 (a) 电子束散射区域形状电子束散射区域形状(梨形梨形作用体积作用体积) (b)重元素重元素样品的电子束散射区域形状样品的电子束散射区域形状(半球形半球形作用体积作用体积)13 从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值（IS/I0）称为）称为二次电子产额二次电子产额，用，用 表示。表示。二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系入射角入射角 越大越大， 越大；电子能量增加，越大；电子
10、能量增加， 开始增开始增加，达极大值后反而减少加，达极大值后反而减少.14 3. 电子能谱 电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）二次电子像二次电子像扫描电镜的主要扫描电镜的主要成像方式成像方式俄歇电子能俄歇电子能谱（谱（AESAES） 扫描电镜背散射电子像、低扫描电镜背散射电子像、低能电子衍射（能电子衍射（LEEDLEED）、反射）、反射式高能电子衍射（式高能电子衍射（RHEEDRHEED）电子能量损失谱电子能量损失谱（EELSEELS） 阴极荧光阴极荧光轫致辐射轫致辐射特征特征X 射射 线线透射电子透射电子样样 品品俄歇电子俄歇电子衍射电子衍射电子二次电子二次电子背散射电子背散射电子吸收电子吸收电子电电 子子探探 针针扫描扫描电镜电镜透射透射电镜电镜俄歇电俄歇电子谱仪子谱仪入入射射电电子子束束电子与材料相互作用产生的信号及据之发展起来的分析方法电子与材料相互作用产生的信号及据之发展起来的分析方法电子能量损失谱电子能量损失谱低能电子衍射低能电子衍射反射式高能电子衍射反射式高能电子衍射16 第三章作业31简述电子与固体作用产生的信号及据此建立的主要分析方法。
