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1、 第二篇第二篇电子显微分析技术电子显微分析技术材料现代分析技术课程建设小组材料现代分析技术课程建设小组1. 1. 电子与物子与物质的交互作用的交互作用1.1 散射的基本概念散射的基本概念1.2 高能电子与样品物质交互作用高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息产生的电子信息1.1 散射的基本概念散射的基本概念电子：是一种子：是一种带负电的基本粒子的基本粒子静止质量me-31kg电量q=-e (e=1.602*10-19C ) 散射散射：当一束聚焦当一束聚焦电子子沿一定方向沿一定方向射到射到样品上品上时，在，在样品物品物质原子的原子的库仑电场作用下，入射作用下，入射电子方向子方向发生改生改变的的
2、现象。象。1.1 散射的基本概念散射的基本概念弹性散射性散射: :电子只改子只改变运运动方向，基本无能方向，基本无能量量变化。化。非非弹性散射性散射-原子原子对入射入射电子的散射子的散射 电子不子不仅改改变运运动方向，能量也有方向，能量也有不同程度衰减。被散射不同程度衰减。被散射电子的波子的波长改改变，损失的能量失的能量导致物体内部的某些激致物体内部的某些激发效效应，其，其表表现形式可以是次形式可以是次级电子、俄歇子、俄歇电子、子、标识和和连续 X X射射线、热辐射、紫外和可射、紫外和可见光区域光区域的光子等，也可以是等离子体激元的激的光子等，也可以是等离子体激元的激发。 1.1 散射的基本概
3、念散射的基本概念弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射 一个运动的电子靠近孤一个运动的电子靠近孤立的原子核时，由于库仑力立的原子核时，由于库仑力的作用，电子将向核方向偏的作用，电子将向核方向偏转，转，偏转角偏转角- ， 的大小的大小取决于取决于rn 的大小的大小弹性散射弹性散射核质量核质量电子的质量，此偏电子的质量，此偏转可视为转可视为弹性散射弹性散射，则，则偏转偏转角角 称为称为散射角散射角在在 (rn)2 圆面积内的散射，圆面积内的散射，散射角散射角 ，称，称 (rn)2 为散射为散射角大于角大于 的的核弹性散射截面核弹性散射截面弹性散射是电子衍射及成像弹性散射是电子衍射及成像的基础的基础核外电
4、子的非弹性散射核外电子的非弹性散射一个运动的电子靠一个运动的电子靠近孤立的电子时，近孤立的电子时，由于库仑力的排斥由于库仑力的排斥作用，电子将向反作用，电子将向反方向偏转，偏转角方向偏转，偏转角- - - ， 的大小取决的大小取决于于r re e 的大小的大小非弹性散射非弹性散射核外电子的非弹性散射核外电子的非弹性散射u电子质量电子质量= =电子的质量，电子偏转时有能量电子的质量，电子偏转时有能量的变化，此偏转可视为非弹性散射。的变化，此偏转可视为非弹性散射。u在在 (r(re e) )2 2 圆面积内的散射，散射角圆面积内的散射，散射角，称，称 (r(re e) )2 2 为散射角大于为散射
5、角大于 的的非弹性散射截面。非弹性散射截面。核外电子的非弹性散射核外电子的非弹性散射 原子中核外电子对入射电子的散射所损原子中核外电子对入射电子的散射所损失的能量部分转变为热，部分使物质中原子失的能量部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生各种有用信息，各种有用信息，如如二次电子、俄歇电子、特二次电子、俄歇电子、特征征X X射线、特征能量损失电子、阴极发光、射线、特征能量损失电子、阴极发光、电子感生电导电子感生电导等等1.2 高能电子与样品物质交互作高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息用产生的电子信息 （1）背散射电子）背散
6、射电子定义：入射电子在试样定义：入射电子在试样内经过一次或几次大角内经过一次或几次大角度弹性散射或非弹性散度弹性散射或非弹性散射后离开试样表面的电射后离开试样表面的电子。子。（1）背散射电子）背散射电子背散射电子的产生范围在背散射电子的产生范围在0.11m，这是是由于背散射由于背散射电子具有子具有较高的能量，所以可在高的能量，所以可在试样较深深部位散射出部位散射出试样表面。表面。背散射电子的产额随试样原子序数的背散射电子的产额随试样原子序数的增加而增加增加而增加。（1）背散射电子）背散射电子背散射电子在试样内部接近完全扩背散射电子在试样内部接近完全扩散，其广度较入射电子束直径大若干散，其广度较
7、入射电子束直径大若干倍，它可从试样较深部位逸出。倍，它可从试样较深部位逸出。特点：特点：1 1：对样品物质的原子序数敏感：对样品物质的原子序数敏感2 2：分辨率及信号收集率较低：分辨率及信号收集率较低（2 2）二次电子）二次电子定义定义：在入射电在入射电子的轰击下被子的轰击下被迫离开试样表迫离开试样表面的试样的核面的试样的核外电子。外电子。（2 2）二次电子）二次电子二次电子的能量小于二次电子的能量小于50 eV，所以只有试样，所以只有试样表层下表层下510nm范围内激发出的二次电子，范围内激发出的二次电子，才有可能逸出试样表面才有可能逸出试样表面二次电子二次电子发射的广度与入射电子束直径相差
8、发射的广度与入射电子束直径相差无几，它对试样表面形貌敏感无几，它对试样表面形貌敏感主要用于显示试样的表面形貌主要用于显示试样的表面形貌（3 3）吸收电子）吸收电子定义：定义：入射电子射入试样后，经多入射电子射入试样后，经多次非弹性散射后能量消耗殆尽而次非弹性散射后能量消耗殆尽而形成吸收电子被试样吸收形成吸收电子被试样吸收（3 3）吸收电子）吸收电子在试样和地之间接入在试样和地之间接入m m A A计进行放大，可计进行放大，可检出吸收电子产生的电流检出吸收电子产生的电流吸收电子像用于显示样品表面形貌和样品吸收电子像用于显示样品表面形貌和样品表面元素分布状态表面元素分布状态用吸收电流成像，同样可以
9、得到原子序数用吸收电流成像，同样可以得到原子序数不同的元素在样品上各微区定性的分布情况不同的元素在样品上各微区定性的分布情况。 图像的衬度正好与背散射电子图像相反图像的衬度正好与背散射电子图像相反（4）特征）特征X射线射线当试样内原子核外的内层电当试样内原子核外的内层电子被激发时，外层电子跃迁而子被激发时，外层电子跃迁而填补内层空位时就会填补内层空位时就会 释放特释放特征征X X射线。射线。（4）特征）特征X射线射线特征特征X X射线一般在试样内的射线一般在试样内的500nm-5000nm500nm-5000nm深处发生深处发生用用X X射线探测器探测表面微区存射线探测器探测表面微区存在的相应
10、元素在的相应元素（5）俄歇电子）俄歇电子定义：入射电子在激发特征入射电子在激发特征X X射线射线过程中，若试样中原子核外内层电过程中，若试样中原子核外内层电子被激发，外层电子跃迁填补内层子被激发，外层电子跃迁填补内层空位时能量的释放将相邻的电子激空位时能量的释放将相邻的电子激发出去。发出去。（5）俄歇电子）俄歇电子俄歇电子的能量在俄歇电子的能量在501500eV范围内，范围内，只有在距离表面只有在距离表面1nm左右范围内的左右范围内的俄歇电子才能逸出表面俄歇电子才能逸出表面适用于做表面成分分析适用于做表面成分分析如果样品是薄膜，例如厚度为几十如果样品是薄膜，例如厚度为几十至几百纳米，比入射电子
11、的有效穿透深至几百纳米，比入射电子的有效穿透深度小得多，就会有相当数量的入射电子度小得多，就会有相当数量的入射电子穿透样品。穿透样品。电子的透射率随散射体厚度的增加而减小（6 6）透射电子）透射电子质厚衬度效应质厚衬度效应 样品上的不同微区无论是质量还样品上的不同微区无论是质量还是厚度的差别，均可引起相应区域是厚度的差别，均可引起相应区域透射电子强度的的改变，从而在图透射电子强度的的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域。像上形成亮暗不同的区域。由电子束穿过非晶体试样各点的厚度不同由电子束穿过非晶体试样各点的厚度不同而产生的而产生的 由重金属原子投影非晶体试样引起的质量由重金属原子投影非晶体试样
12、引起的质量差异而产生的差异而产生的质厚衬度效应质厚衬度效应 入射电子束通常都是波长恒定的单色平面波，入射电子束通常都是波长恒定的单色平面波，照射到晶体样品上时会与晶体物质发生弹性相干散射，照射到晶体样品上时会与晶体物质发生弹性相干散射，使之在一些特定的方向由于相位相同而加强，但在其使之在一些特定的方向由于相位相同而加强，但在其他方向却减弱，这种现象称为衍射他方向却减弱，这种现象称为衍射。由布拉格方程：由布拉格方程： d样品晶体的晶面间距；样品晶体的晶面间距；入射电子波长；入射电子波长；入射束与晶面的掠射角入射束与晶面的掠射角 衍射效应衍射效应 衍射衬度效应衍射衬度效应由于试样各晶面相对入射束的取向不由于试样各晶面相对入射束的取向不同而引起的同而引起的 衍射强度的差异衍射强度的差异
