9 电子束与材料的相互作用.ppt

9电子束与材料的相互作用 9 1散射9 2电子与固体作用产生的信号9 3激发信号与电子显微分析方法举例 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 入射电子的散射 入射电子对固体的激发 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 这种现象称为 电子 散射 有弹性散射和非弹性散射之分 原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用 r 瞄准距离2 散射角 9 1 1原子核对入射电子的散射 有弹性散射和非弹性散射 散射损失的能量散射角 2 即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角 非弹性散射损失的能量 E转化为X射线 它们之间的关系是式中 h是普朗克常数 c是光速 及 分别是X射线的频率与波长 9 1 2核外电子对入射电子的散射 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 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 原子电离 自由载流子 二次电子 俄歇电子 特征X射线 特征能量损失电子 阴极发光 电子感生电导等 因为这些激发现象都是入射电子作用的结果 所以称为电子激发 9 1 3散射截面 入射电子被原子核散射时 散射角2 的大小与瞄准距离 电子入射方向与原子核的距离 rn 原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关 其关系为 9 2 rn2叫做弹性散射截面 用 n表示 当入射电子与核外电子作用时 散射角2 为 9 3 re2为核外电子的非弹性散射截面 用 e表示 9 1 4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 显然不同于X射线的 真吸收 电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度 R 图9 2入射电子在固体中传播时的能量损失曲线 E0 1keV 3keV 5keV和8keV 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电子非弹性散射平均自由程和信息深度电子能谱 9 2 1电子与固体作用产生的信号 图9 3入射电子束与固体作用产生的发射现象 9 2 2 电子非弹性散射平均自由程和信息深度 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间电子所经过的平均路程称为电子非弹性散射平均自由程 用 e表示 图9 4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 梨形作用体积 b 重元素样品的电子束散射区域形状 半球形作用体积 1 入射电子束 2 俄歇电子激发体积 3 样品表面 4 二次电子激发体积 5 背散射电子激发体积 6 初级X射线激发体积 1 背散射电子 包括 弹性背散射电子和非弹性背散射电子 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 2 二次电子 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 真空中的自由电子 二次电子一般都是在表层5 10nm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有明显的依赖关系 所以不能用它来进行成分分析 3 吸收电子 入射电子进入样品后 经多次非弹性散射能量损失殆尽 假定样品右足够的厚度没有透射电子产生 最后被样品吸收 产生背散射电子较多的部位 原子序数大 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微区成分分析 4 透射电子 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 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 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 E的非弹性散射电子 即特征能量损失电子 和分析区域的成分有关 因此 可以利用特征能量损失电子配合电子能量分析器来进行微区成分分析 5 特征X射线 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x射线释放出来 根据莫塞莱定律 如果我们用x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 6 俄歇电子 在入射电子激发样品的特征X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并不以x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俄歇电子 特别适用做1nm左右范围内表层成分分析 9 2 3电子能谱 图9 5电子与固体作用产生的发射电子谱 示意图 表9 1电子与材料相互作用