第5-电子与物质的相互作用

1、第第3 3章章 电子与物质的相互电子与物质的相互 作用作用 材料电子显微分析材料电子显微分析 材料电子显微分析材料电子显微分析 3.1 几种基本信号及其应用几种基本信号及其应用 Transmission Electrons 弹性散射弹性散射 非弹性散射非弹性散射 电子的散射电子的散射 3.2 电电子子与与物物质质的相互作用的相互作用 v弹性散射弹性散射 原子对入射电子的散射原子对入射电子的散射不仅改变不仅改变电电 子的运动子的运动方向，而且使其能量减少方向，而且使其能量减少。 则为非弹性散射。则为非弹性散射。 原子对入射电子的散射原子对入射电子的散射仅改变仅改变电子电子 的运动的运动方向方向，

2、而，而无能量无能量的变化。的变化。 称为弹性散射。称为弹性散射。 非弹性散射非弹性散射 v单个原子对单个原子对射电子的散射射电子的散射 v1、原子核的散射、原子核的散射 弹性散射 v弹性散射：仅弹性散射：仅改变方向，不改变能 量。 v U Ze r rU Ze n n 或 v 意意 义：义：弹性散射是电子衍射谱和电子弹性散射是电子衍射谱和电子 v衍射像的基础衍射像的基础 rn：瞄准距离；：散射角； Ze：原子核电荷；U：加速电压 v 2、核外电子的散射、核外电子的散射 非弹性散射 v非弹性散射：非弹性散射：即改变方向、又改变 能量。 U e r rU e e e 或 v意意 义义：电子在非弹性

3、散射中损失的能量电子在非弹性散射中损失的能量 v被转换成热、光、被转换成热、光、X射线、二次电子发射等，射线、二次电子发射等， v电子的非弹性散射是扫描电镜像、电子的非弹性散射是扫描电镜像、 v能谱分析、电子能量损失谱的基础能谱分析、电子能量损失谱的基础 v结结 论：论： v1) 、弹性散射非弹性散射； v2)、弹性散射是TEM成像的基础； v3)、非弹性散射引起色差和背底强度， 降低图像衬度。 3.2.1 二次电子二次电子 v入射电子激发样品中原子的入射电子激发样品中原子的外层价电外层价电 子子，使之成为自由电子，并勉出样品，使之成为自由电子，并勉出样品 表面。表面。 特点特点：对试样：对试

4、样表面状态表面状态非常敏感非常敏感 试样表面形貌分析试样表面形貌分析，成象分辨率最高，成象分辨率最高 逸 出 深 度逸 出 深 度 ： 试 样 表 面： 试 样 表 面 1 0 n m1 0 n m 层 内层 内 （50eV50eV50eV，多与入射电子能多与入射电子能 量相近：量相近：E E0 0） 数目与成分有关，成像分辨率较低数目与成分有关，成像分辨率较低 （可从试样表面较深处射出，故发射广度（可从试样表面较深处射出，故发射广度 较大）较大） 逸出深度逸出深度：距表面几个微米深度范围：距表面几个微米深度范围 入射电子受弹性碰撞后，散射角入射电子受弹性碰撞后，散射角90的散射的散射 电子电

5、子。 背散射电子的产额：背散射电子的产额： 与样品中原子的与样品中原子的原子序数（原子序数（Z）有关。有关。 Z大，背散射电子的电子数量多。大，背散射电子的电子数量多。 背散射电子的信号背散射电子的信号即可以用来进行即可以用来进行形貌分析形貌分析， 也可用于也可用于成分分析成分分析 二次电子和背散射电子的产额二次电子和背散射电子的产额 与试样原子序数的关系与试样原子序数的关系 1 1）背散射电子形貌衬度特点）背散射电子形貌衬度特点 用背散射信号进行形貌分析时，其用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比分辨率远比 二次电子低二次电子低。Why? 2 2）背散射电子原子序数衬度原理）背散射电子原子

6、序数衬度原理 背散射电子产额背散射电子产额随样品中随样品中元素原子序数的增元素原子序数的增 大而增加大而增加，因而样品上，因而样品上原子序数较高原子序数较高的区域产生的区域产生较较 强强的信号，在背散射电子像上显示的信号，在背散射电子像上显示较高的衬度较高的衬度这这 样就可以样就可以根据根据背散射电子像亮暗衬度背散射电子像亮暗衬度来判断相应区来判断相应区 域域原子序数的相对高低原子序数的相对高低，对金属及其合金进行定性，对金属及其合金进行定性 的成分分析的成分分析。 3.2.3 特征特征X射线射线 3.2.3 特征特征X X射线射线 定义：定义： 当样品原子的当样品原子的内层电子内层电子被入射

7、电子激被入射电子激 发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状 态，外层电子向内层跃迁填补内层空缺，多于态，外层电子向内层跃迁填补内层空缺，多于 的能量以特征的能量以特征X X射线辐射出来。射线辐射出来。 特点特点：能量与试样：能量与试样原子壳层能级原子壳层能级有关有关 发射深度发射深度：较二次电子和背散射电子的逸出：较二次电子和背散射电子的逸出 深度深。深度深。 由于不同原子具有由于不同原子具有不同的内部不同的内部 结构，结构，电子电子轨道之间的能量差轨道之间的能量差 不同不同，所以辐射出的，所以辐射出的X-Ray光光 子的子的波长不同波长不同 称为称为

8、 特征特征X- Ray。 TEM或或SEM中利用中利用能谱探头能谱探头接受特征接受特征X射射 线做线做成分分析成分分析 应用：应用： 应用应用 3.2.4 俄歇电子俄歇电子 俄歇俄歇 电子电子 产生产生 3.2.4 俄歇电子俄歇电子 处于电离态的原子中的电子发生能级跃处于电离态的原子中的电子发生能级跃 迁（退激）时，所释放的能量使另一核迁（退激）时，所释放的能量使另一核 外电子被电离，并勉出样品，此电子即外电子被电离，并勉出样品，此电子即 为俄歇电子。为俄歇电子。 特点特点：能量与试样原子壳层能级有关：能量与试样原子壳层能级有关 逸出深度逸出深度：在试样表面：在试样表面1nm层内。层内。 （适

9、宜作（适宜作表层微区成分分析表层微区成分分析） 是俄歇能谱仪的检测信号。是俄歇能谱仪的检测信号。 表面组成的分析表面组成的分析 Ag-PdAg-Pd合金退火前后的合金退火前后的AESAES谱谱 a.a.退火前；退火前；b.700Kb.700K退火退火5min.5min. 体相体相PdPd原子浓度为原子浓度为 40%40%的的Ag-PdAg-Pd合金合金 ArAr轰击表面清洁处理后，由轰击表面清洁处理后，由 于于AgAg的溅射几率较高，合金的溅射几率较高，合金 表面表面PdPd的相对浓度为的相对浓度为57%57% 高温退火后，合金稳定的表高温退火后，合金稳定的表 面组成为面组成为PdPd32 3

10、2Ag Ag68 68， ，表面为表面为 AgAg富集。富集。 晶界成分分析晶界成分分析 入射电子经弹性散射和非弹性散射后，入射电子经弹性散射和非弹性散射后， 穿过样品穿过样品并携带有样品的内部信息。并携带有样品的内部信息。 3.2.5 透射电子透射电子 特点：能量高；成象分辨率较高。特点：能量高；成象分辨率较高。 穿透深度穿透深度： 1020nm。 透射电镜中透射电镜中成像和衍射成像和衍射的基本信号。的基本信号。 3.2.6 吸收电子吸收电子 入射电子经多次非弹性散射后入射电子经多次非弹性散射后 能量损失殆尽而留在试样中，称能量损失殆尽而留在试样中，称 为吸收电子为吸收电子。 特点：特点：由

11、吸收电子产生的吸收电流随试样厚度和由吸收电子产生的吸收电流随试样厚度和 原子序数的增大而增大。原子序数的增大而增大。 （其（其图象衬度图象衬度恰与背反射电子图象的相反）恰与背反射电子图象的相反） 电子轰击样品表面时产生的发光电子轰击样品表面时产生的发光 现象，光波波长在可见光范围现象，光波波长在可见光范围 。 3.2.7 3.2.7 阴极荧光阴极荧光 各种电子信号的能量与数目（强度） 在试样表面上方接受到的电子谱在试样表面上方接受到的电子谱 各种信号产生的深度和广度 v透射电子透射电子： vTEM、能量损失谱仪能量损失谱仪 结构、组织、成结构、组织、成 分分析；分分析； v背散射电子、二次电子、吸收电子背散射电子、二次电子、吸收电子： vSEM 表面形貌观察；表面形貌观察； v特征特征X-Ray：能量色散谱仪（能量色散谱仪（EDS）、）、波波 长分析谱仪（长分析谱仪（WDS） 成分分析；成分分析； v阴极荧光阴极荧光：荧光光谱仪荧光光谱仪 成分分析；成分分析；