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1、9 电子束与材料的相互作用电子束与材料的相互作用p9.1 9.1 散射散射p9.2 9.2 电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号p9.3 9.3 激发信号与电子显微分析方法举激发信号与电子显微分析方法举例例入射电子与原子的相互作用产生的各种信息入射电子与原子的相互作用产生的各种信息O入射电子 原子中的核外电子或二次电子9.1 9.1 散射散射 入射电子（又称为初始或一次电子）照射固体时与固体中粒子的相互作用包括：p入射电子的散射；p入射电子对固体的激发；p受激发粒子在固体中的传播。图9-1 电子散射示意图 （a）与原子核作用；（b）与核外电子作用 当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上
2、时，在固体原当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，这种现象称为（种现象称为（电子电子）散射散射。 有有弹性散射弹性散射和和非弹性散非弹性散射射之分。之分。原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。r r 瞄准距离瞄准距离22散射角散射角9.1.1 9.1.1 原子核对入射电子的散射原子核对入射电子的散射 p有有弹性散射弹性散射和和非弹性散射。非弹性散射。p散射损失的能量散射损失的能量p散射角散射角（2 2 ）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹
3、角。）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。p非弹性散射损失的能量非弹性散射损失的能量 E E转化为转化为X X射线，它们之间的关系是射线，它们之间的关系是 p式中，式中，h h是普朗克常数，是普朗克常数，c c是光速，是光速， 及及 分别是分别是X X射线的频率与波长。射线的频率与波长。 9.1.2 9.1.2 核外电子对入射电子的散射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非原子中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射。弹性散射。p在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部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（
4、如，分转变为热，部分使物质产生各种激发现象（如，原子电离原子电离、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 X射线射线、特征能量损失电子特征能量损失电子、阴极发光阴极发光、电子电子感生电导感生电导等）。等）。p因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为以称为电子激发电子激发。 9.1.3 9.1.3 散射截面散射截面 p入射电子被原子核散射时，散射角入射电子被原子核散射时，散射角2 2 的大小与瞄准距离（电子入射的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）方向与原子核的距离）r rn n、原子核电荷、原子核电荷Z Z
5、e e以及入射电子的加速电压以及入射电子的加速电压V V有关，其关系为有关，其关系为 （9-29-2）p r rn n2 2叫做叫做弹性散射截面弹性散射截面，用，用 n n表示。表示。 p当入射电子与核外电子作用时，散射角当入射电子与核外电子作用时，散射角2 2 为为 （9-39-3）p r re e2 2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 e表示。表示。9.1.4 9.1.4 电子吸收电子吸收 p电子吸收电子吸收主要指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。主要指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。p显然不同于显然不同于X X射线的射线的“真吸收真吸
6、收”。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 R）。）。图图9-2 9-2 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 （E E0 0=1keV=1keV、3keV3keV、5keV5keV和和8keV8keV）9.2 9.2 电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号 p电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号 p电子非弹性散射平均自由程和信息深度电子非弹性散射平均自由程和信息深度 p电子能谱电子能谱 9.2.1 9.2.1 电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号图9-3 入射电子束与固体作
7、用产生的发射现象9.2.2.9.2.2.电子非弹性散射平均自由程和信息深度电子非弹性散射平均自由程和信息深度 p入射电子、二次电子和背散射电子在固体中传播入射电子、二次电子和背散射电子在固体中传播时不断经受非弹性散射，相继两次非弹性散射之时不断经受非弹性散射，相继两次非弹性散射之间电子所经过的平均路程称为间电子所经过的平均路程称为电子非弹性散射平电子非弹性散射平均自由程均自由程，用，用 e e表示。表示。 图图 9-4 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(梨形作用体积梨形作用体积)(b)重元素样品的电子束散射
8、区域形状重元素样品的电子束散射区域形状(半球形作用体积半球形作用体积)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-背散射电子激发体积；背散射电子激发体积；6-初级初级X射线激发体积射线激发体积 p（1）背散射电子背散射电子，包括：弹性背散射电子和非弹性背散，包括：弹性背散射电子和非弹性背散射电子。射电子。背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。背散射电子来自样品表层几百纳米的深度范围。由于它的产额能随样品原子序数增大而增多，所以不仅能由于它的产额能随样品原子序数增大而增多，所以不仅能用作形貌分析，而且
9、可以用来显示原子序数衬度，定性地用作形貌分析，而且可以用来显示原子序数衬度，定性地用作成分分析。用作成分分析。p（2）二次电子二次电子，在入射电子束作用下被轰击出来并离开在入射电子束作用下被轰击出来并离开样品表面的样品的核外电子叫做二次电子样品表面的样品的核外电子叫做二次电子，真空中的自由，真空中的自由电子。电子。 二次电子一般都是在表层二次电子一般都是在表层510nm深度范围内深度范围内发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感。因此，能非发射出来的，它对样品的表面形貌十分敏感。因此，能非常有效地显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序常有效地显示样品的表面形貌。二次电子的产额和原子序数之间没
10、有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分数之间没有明显的依赖关系，所以不能用它来进行成分分析。析。p（3）吸收电子，吸收电子，入射电子进入样品后，经多次非弹性散入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽射能量损失殆尽(假定样品右足够的厚度没有透射电子产假定样品右足够的厚度没有透射电子产生生)，最后被样品吸收。，最后被样品吸收。产生背散射电子较多的部位产生背散射电子较多的部位(原子原子序数大序数大)其吸收电子的数量就较少，反之亦然。因此，吸其吸收电子的数量就较少，反之亦然。因此，吸收电子能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的收电子能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分
11、分析。微区成分分析。p（4）透射电子透射电子，当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。入射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。透透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定。透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构来决定。透射电子中除了有能量和入射电子相当的弹性散射电子外，射电子中除了有能量和入射电子相当的弹性散射电子外，还有各种不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些遭受还有各种不同能量损失的非弹性散射电子，其中有些遭受特征能量损失特征能量损失E的非弹性散射电子的非弹性散射电子(即特征能量损失电子即特
12、征能量损失电子)和分析区域的成分有关，因此，可以利用特征能量损失和分析区域的成分有关，因此，可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析。p（5）特征特征X射线，射线， 当样品原子的内层电子被入射电子激当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时。原子就会处于能量较高的激发状态。此时外发或电离时。原子就会处于能量较高的激发状态。此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的特征能量的x射线释放出来。射线释放出来。根据莫塞莱定律，如果我们根据莫塞莱定律，如果我们用用x射线
13、探测器测到了样品微区存在某一种特征波长，就射线探测器测到了样品微区存在某一种特征波长，就可以判定这个微区中存在着相应的元素。可以判定这个微区中存在着相应的元素。p（6） 俄歇电子，俄歇电子，在入射电子激发样品的特征在入射电子激发样品的特征X肘线过程肘线过程中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量中，如果在原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量并不以并不以x射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为层内的另一个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。俄歇电子。特别适用做特别适用做1nm左右范围内表层成分分析。左右范围内表层成分分析。9.2.3 9.2.3 电子能谱电子能谱 图图9-5 9-5 电子与固体作用产生的发射电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）电子谱（示意图） 表9-1 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9.3应用举例二次电子像9.3应用举例背散射电子像9.3应用举例 BSE9.3应用举例不同温度下烧结样品的SEM图 9.3应用举例 TEMZrO2CeO2陶瓷选区衍射
