1第一章微观结构分析基本原理ppt课件

1、第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理l用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后用载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。l所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。l电子、电子、X-射线、离子束、光子和中子是最常见的束源。射线、离子束、光子和中子是最常见的束源。入射束入射束出射束

2、出射束 物质物质 我们向平静的湖面上投入一个小石子，可我们向平静的湖面上投入一个小石子，可以看到石子激起的水波形成圆形的波纹，以看到石子激起的水波形成圆形的波纹，并向周围传播当波纹遇到障碍物并向周围传播当波纹遇到障碍物( (如芦苇如芦苇) ) 以后的情况后会怎样？以后的情况后会怎样？ 波的衍射现象波的衍射现象 波可以绕过障碍物继续传播，这种现波可以绕过障碍物继续传播，这种现象叫做波的衍射象叫做波的衍射【演示动画】【演示动画】 【演示实验】【演示实验】 在水波槽里放一个较大的挡板，让波源发出在水波槽里放一个较大的挡板，让波源发出的圆形波遇到挡板，观察波还能否绕到挡板的圆形波遇到挡板，观察波还能否

3、绕到挡板后面？后面？现象：水波绕不到挡板后面而继续传播现象：水波绕不到挡板后面而继续传播说明说明: : 发生衍射现象的条件与障碍物的大小发生衍射现象的条件与障碍物的大小有关。有关。 猜测猜测: : 那么障碍物的大小与波的那个参量有那么障碍物的大小与波的那个参量有关？关？发生明显的波的衍射的条件发生明显的波的衍射的条件实验：实验： (1)(1)使波长相同的水波通过宽度不同的窄缝。使波长相同的水波通过宽度不同的窄缝。 (2)(2)使波长不同的水波通过宽度相同的窄缝。使波长不同的水波通过宽度相同的窄缝。 (3)(3)波长不断变小的水波通过宽度不断增大的窄缝波长不断变小的水波通过宽度不断增大的窄缝 (

4、4)(4)水波绕障碍物的情形。水波绕障碍物的情形。实验表明：实验表明： 只有缝、孔的宽度或阻碍物的尺寸跟波只有缝、孔的宽度或阻碍物的尺寸跟波长相差不多，或者比波长更小时，才能观察长相差不多，或者比波长更小时，才能观察到明显的衍射现象到明显的衍射现象【演示实验】 在水波槽里放两块挡板，当中留一窄缝，在水波槽里放两块挡板，当中留一窄缝，保持水波的波长不变，观察水波通过不同保持水波的波长不变，观察水波通过不同宽度的窄缝后传播的情况宽度的窄缝后传播的情况 演示结论演示结论 在波长不变的条件下，将障碍屏的孔由较在波长不变的条件下，将障碍屏的孔由较大逐渐变小。可以看到波的衍射现象越来大逐渐变小。可以看到波

5、的衍射现象越来越明显。由此得出结论：窄缝越小，衍射越明显。由此得出结论：窄缝越小，衍射现象越明显。现象越明显。 当窄缝的大小与波长相差不多时，波的衍当窄缝的大小与波长相差不多时，波的衍射现象较明显。射现象较明显。 甲中波长是窄缝宽度的甲中波长是窄缝宽度的3/103/10，照片乙中波长是窄缝宽度，照片乙中波长是窄缝宽度的的5/105/10，照片丙中波长是窄缝宽度的，照片丙中波长是窄缝宽度的7/107/10 保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，波的保持窄缝的宽度不变，改变水波的波长，波的传播情况有什么变化呢传播情况有什么变化呢? ? 障碍物的情形障碍物的情形结论：结论： 障碍物宽度跟波长相差不多时

6、，有明显的衍障碍物宽度跟波长相差不多时，有明显的衍射现象；射现象； 障碍物宽度比波长大得越多，衍射现象越不障碍物宽度比波长大得越多，衍射现象越不明显；明显；障碍物宽度跟波长相比非常大时，水波将直线障碍物宽度跟波长相比非常大时，水波将直线传播，观察不到明显的衍射现象传播，观察不到明显的衍射现象 声波的波长在声波的波长在1.7cm到到17m之间，可以跟一般障之间，可以跟一般障碍物的尺寸相比，所以声波能绕过障碍物，使我碍物的尺寸相比，所以声波能绕过障碍物，使我们听到障碍物另一侧的声音们听到障碍物另一侧的声音 光也是一种波，但光波的波长约在光也是一种波，但光波的波长约在0.4m-0.8m的范围内，跟一

7、般障碍物的尺寸相比非常的范围内，跟一般障碍物的尺寸相比非常小，所以在通常的情况下看不到光的衍射，光沿小，所以在通常的情况下看不到光的衍射，光沿直线传播直线传播拓宽：用惠更斯原理解释衍射现象1、惠更斯原理、惠更斯原理 媒质中波动传到的各点，都可以看作是新的次波源，媒质中波动传到的各点，都可以看作是新的次波源，这些新波源发射的波称为子波，其后任一时刻这些子波这些新波源发射的波称为子波，其后任一时刻这些子波的包络面就是该时刻的新波阵面。的包络面就是该时刻的新波阵面。 拓宽：用惠更斯原理解释衍射现象.障碍物障碍物障碍物后的障碍物后的阴影部分阴影部分障碍后障碍后的波面的波面障碍后障碍后的波线的波线2 2

8、、波传到小孔狭缝时，缝上各点都可看作子波源，小孔仿佛一个、波传到小孔狭缝时，缝上各点都可看作子波源，小孔仿佛一个新的波源，由它发出与原来同频率的波新的波源，由它发出与原来同频率的波( (称为子波称为子波) )在孔后的边缘处，在孔后的边缘处，波的传播方向发生改变传播，于是，就出现了偏离直线传播方向的波的传播方向发生改变传播，于是，就出现了偏离直线传播方向的衍射现象当狭缝缩小，与波长相近时，衍射效果显著。衍射现象当狭缝缩小，与波长相近时，衍射效果显著。惠 更 斯C.Huygens荷兰物理学家荷兰物理学家(1629-1695)1656年造出了人类年造出了人类历史上第一架摆钟历史上第一架摆钟 1666

9、年当选为荷兰年当选为荷兰科学院院士。科学院院士。 1690年出版年出版光论光论，提出了著名的惠更提出了著名的惠更斯原理。斯原理。微观粒子的波粒二象性微观粒子的波粒二象性. . 德布罗意假设德布罗意假设那么实物粒子也应具有波动性。那么实物粒子也应具有波动性。L.V. de Broglie （法，（法，1892-1986）从自然界的对称性出发从自然界的对称性出发, ,认为认为: :既然光既然光( (波波) )具有粒子性，具有粒子性，1924.11.29.德布洛意把题为德布洛意把题为“量子理论的研究量子理论的研究”的博士论文提交巴黎大学。的博士论文提交巴黎大学。与粒子相联系的波称为物质波，或德布罗意

10、波。与粒子相联系的波称为物质波，或德布罗意波。一个能量为一个能量为E,动量为动量为 P 的实物粒子同时具有的实物粒子同时具有波动性波动性, 且且:mvhph 德布罗意波长。德布罗意波长。他在论文中指出他在论文中指出:hmvpmEhph2 meUhph2 假设假设 U=100伏伏 =1.225U25.12 ()经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。经爱因斯坦的推荐，物质波理论受到了关注。答辩会上有人问答辩会上有人问:“这种波怎样用实验来证实呢？这种波怎样用实验来证实呢？”估算电子的波长估算电子的波长:设电子动能由设电子动能由U伏电压加速产生伏电压加速产生 X射线波段射线波段德布洛意答：德布洛意

11、答：“用电子在晶体上的衍射实验可以做到。用电子在晶体上的衍射实验可以做到。”实验验证实验验证电子衍射实验电子衍射实验(1)戴维逊戴维逊革末实验革末实验1927年）年） 真空真空电子枪电子枪掠射角掠射角I INiNi单晶单晶U U实验装置示意图实验装置示意图假如电子具有波动性，应满足布喇格公式假如电子具有波动性，应满足布喇格公式 , 3 , 2 , 125.12sin2 kUkd sin225.12dkUC，2C,3C,此时电表中应出现此时电表中应出现最大的电流最大的电流即即CC CC CC CCI IU实验结果实验结果: :C（2 2G.P.G.P.汤姆逊汤姆逊19271927年）年） 电子通

12、过金属多晶薄膜的衍射实验电子通过金属多晶薄膜的衍射实验. . 衍衍射射图图象象 实实验验原原理理1929年年 德布洛意获诺贝尔物理奖。德布洛意获诺贝尔物理奖。1937年年 戴维逊戴维逊 与与 G.P.汤姆逊获诺贝尔物理奖。汤姆逊获诺贝尔物理奖。一、电子与物质相互作用：透射电镜透射电镜扫描电镜扫描电镜第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理一、电子与物质相互作用：第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理一、电子与物质相互作用：当高速运动的电子穿过固体物质时，会受到原子中的电子作用，或受到原子核及周围电子形成的库伦电场的作用，从而改变了电子的运动方向-电子散射。1、弹性

13、相互作用DEDl=0）：l入射电子在原子的库仑场作用下改入射电子在原子的库仑场作用下改变方向而无能量变化，产生衍射和成变方向而无能量变化，产生衍射和成象象l与核外电子云作用的散射角与核外电子云作用的散射角0.2，可形成可形成BRAGG衍射衍射lTEM: structure, morphology, composition）；）；第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理一、电子与物质相互作用：1、弹性相互作用DEDl=0）：第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理l当一束等能量当一束等能量(或单一波长或单一波长)的电子垂直穿透一薄膜样品时，的电子垂直穿透一薄膜样品时，

14、如果样品为晶体，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原如果样品为晶体，由于原子排列的规律性，入射电子波与各原子的弹性散射波不但波长相同，而且有一定的相位关系，即它子的弹性散射波不但波长相同，而且有一定的相位关系，即它们之间相互干涉，把这种散射称为相干弹性散射。们之间相互干涉，把这种散射称为相干弹性散射。l如果样品中只含有一种元素，且原子是任意分布的如果样品中只含有一种元素，且原子是任意分布的(即样品是即样品是非晶态的非晶态的)，那么散射是随机的，并且相互无关，故称此种散，那么散射是随机的，并且相互无关，故称此种散射为不相干弹性散射。射为不相干弹性散射。l由于干涉结果，在空间某些方向上弹性散射波

15、相互减弱或相由于干涉结果，在空间某些方向上弹性散射波相互减弱或相消，在另一些方向上，弹性散射波互相加强。干涉加强的极大消，在另一些方向上，弹性散射波互相加强。干涉加强的极大值方向，就称为晶体的衍射线方向，这就是电子衍射。值方向，就称为晶体的衍射线方向，这就是电子衍射。l弹性散射是透射电子显微镜的成象基础。弹性散射是透射电子显微镜的成象基础。Figure 4-9 Bright-field image of the as-cast Al sample.图4-9原始铸铝材显微结构的明场像。Figure 4.27 Magnified image of figure 4.26.图4.27 图4.26的局

16、部放大。图4.28 在波纹衬度所穿过的晶界处摄取的选区电子衍射图，揭示出小角晶界的特征。一、一、 电子与物质相互作用：电子与物质相互作用：2、 非弹性相互作用非弹性相互作用DE0）：）： 入射入射primary e电子不仅改变方向，而且与物质交换能量，电子不仅改变方向，而且与物质交换能量，产生热、光、产生热、光、X射线及二次电子发射等等，主要用于分析样品的成射线及二次电子发射等等，主要用于分析样品的成分及电子结构。分及电子结构。(1) 单电子激发单电子激发l样品内原子的核外电子在受到入射电子轰击时，有可样品内原子的核外电子在受到入射电子轰击时，有可能被激发到较高的空能级甚至被电离。能被激发到较

17、高的空能级甚至被电离。l价电子与核的结合能很小，被激发时只引起入射电子价电子与核的结合能很小，被激发时只引起入射电子少量的能量损失和小角度散射。少量的能量损失和小角度散射。l内层电子的结合能较大，受到入射电子激发时需要消内层电子的结合能较大，受到入射电子激发时需要消耗它较多的能量，并发生大角散射。耗它较多的能量，并发生大角散射。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理ValenceL3L2L1Kefree eKa2特征X射线Auger eK激发态 发射K光子（重元素）平均自由程mm 发射俄歇电子轻元素） 平均自由程,表面几层原子 Energy Dispersive Analysi

18、s of X-rays (EDAX)Wave length Dispersive Analysis of X-rays (Electron Microprobe)Auger spectroscopyFigure 4-6 Typical SEM morphology on near-surface cross section of pure aluminum (1006mm) bombarded with 15 EB pulses 图4-6 轰击表面熔化区内的微观典型形貌A. 火山坑状“熔孔” B. 颗粒状熔体Figure 4-7 SEM image for the cross section

19、at near-surface layer after chemical corrosion 图4-7 轰击试样截面近表层腐蚀后的高倍电子扫描形貌二次电子像二次电子像一、电子与物质相互作用：2、非弹性相互作用DE0）：(2)等离子激发plasmon）:l晶体是由处于点阵固定位置上的带正电的原子实晶体是由处于点阵固定位置上的带正电的原子实(即剥去价电子的正离子即剥去价电子的正离子)和漫散在整个晶体空间的和漫散在整个晶体空间的价电子云所组成的电中性体系，因此可把它看成价电子云所组成的电中性体系，因此可把它看成等离子体；等离子体；l高能电子入射晶体时，会瞬时地破坏入射区域的高能电子入射晶体时，会瞬时

20、地破坏入射区域的电中性。在其周围的价电子受到排斥，作径向发电中性。在其周围的价电子受到排斥，作径向发散运动。在入射点附近产生带正电的区域，而在散运动。在入射点附近产生带正电的区域，而在较远的区域由于价电子的多余，出现带负电的区较远的区域由于价电子的多余，出现带负电的区域。域。l然后在两区域库仑电场作用下，使负电区域多余然后在两区域库仑电场作用下，使负电区域多余的价电子向正电区域运动，当其超过平衡位置后，的价电子向正电区域运动，当其超过平衡位置后，正电区域变成负电区，而负电区域变成正电区域，正电区域变成负电区，而负电区域变成正电区域，如此往复不已，引起价电子云的集体振荡。如此往复不已，引起价电子

21、云的集体振荡。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理一、电子与物质相互作用：2、非弹性相互作用DE0）：(3)声子发射:l晶体振动的能量也是量子化的，其能量量子叫声子；晶体振动的能量也是量子化的，其能量量子叫声子；l热运动很容易产生声子，在常温下晶体中有许多的声热运动很容易产生声子，在常温下晶体中有许多的声子；子；l声子波长比较短约几个埃），比等离子要小声子波长比较短约几个埃），比等离子要小23个个数量级，动量相当大。数量级，动量相当大。l入射电子与晶格相互作用可以看作是激发或吸收声子入射电子与晶格相互作用可以看作是激发或吸收声子的过程；的过程；l虽然入射电子激发或吸收声子后能

22、量变化甚微，但是虽然入射电子激发或吸收声子后能量变化甚微，但是动量相当大，将使入射电子发生大角度散射。动量相当大，将使入射电子发生大角度散射。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理一、电子与物质相互作用：2、非弹性相互作用DE0）：（4轫致辐射l高速入射电子受原子核库仑电场的作用可能引起大角度弹性高速入射电子受原子核库仑电场的作用可能引起大角度弹性散射，但也可能被原子核库仑电场所制动而减速，发生非弹性散射，但也可能被原子核库仑电场所制动而减速，发生非弹性散射。散射。l带负电的电子在受到减速作用的同时，在其周围的电磁场将带负电的电子在受到减速作用的同时，在其周围的电磁场将发生急剧

23、的变化，将产生一个电磁波脉冲，这种现象叫做轫致发生急剧的变化，将产生一个电磁波脉冲，这种现象叫做轫致辐射。辐射。l由于大量电子入射固体样品的时间和条件不尽相同，每一个由于大量电子入射固体样品的时间和条件不尽相同，每一个入射电子受到减速作用也不一样，损失的能量大小不等，所释入射电子受到减速作用也不一样，损失的能量大小不等，所释放的电磁波波长也就长短不一，故此，无确定的特征值而构成放的电磁波波长也就长短不一，故此，无确定的特征值而构成连续谱连续谱X射线。射线。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理背散射电子背散射电子 被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，被固体样品原子反射回来的

24、一部分入射电子，以叫做反射电子、初级背散射电子。以叫做反射电子、初级背散射电子。弹性背散射电子：只受到原子核单次或很少几次大角弹性背散射电子：只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化。通常也把稍有能量变化发生变化。通常也把稍有能量变化(如因激发或吸收如因激发或吸收声子而损失或增加了一些能量声子而损失或增加了一些能量)的反射电子也近似地的反射电子也近似地看作是弹性背散射电子；看作是弹性背散射电子；非弹性背散射电子：入射电子与核或核外电子发生非非弹性背散射电子：入射电子与核或核外电子发生非弹性散射，如激发等离子，

25、轫致辐射，内层电子激弹性散射，如激发等离子，轫致辐射，内层电子激发或电离，尤其是价电子激发或电离等，使入射电发或电离，尤其是价电子激发或电离等，使入射电子不同程度地损失能量。经过多次子不同程度地损失能量。经过多次(几十次甚至几百几十次甚至几百次不等次不等)各种类型的非弹性散射各种类型的非弹性散射(其中也可能有弹性散其中也可能有弹性散射射)后，能量损失愈来愈大。当最终散射过程接近样后，能量损失愈来愈大。当最终散射过程接近样品表层时，总散射角大于品表层时，总散射角大于90的那些入射电子也可的那些入射电子也可能从样品表面反射回来。这些不仅改变运动方向，能从样品表面反射回来。这些不仅改变运动方向，还有

26、不同程度的能量损失的入射电子叫做非弹性背还有不同程度的能量损失的入射电子叫做非弹性背散射电子。散射电子。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号二次电子二次电子 在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外在单电子激发过程中被入射电子轰击出来的核外电子叫做二次电子。电子叫做二次电子。 当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能能(临界电离激发能临界电离激发能)的能量后，可离开原子变成自由的能量后，可离开原子变成自由电子。如果这种散射过程发生在比较

27、接近样品表层，电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层，那些能量尚大于材料逸出功的自由电子可能从样品那些能量尚大于材料逸出功的自由电子可能从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。由于价电子结合能很小，对于金属来说大致在由于价电子结合能很小，对于金属来说大致在l0eV左左右。内层电子结合能则高得多右。内层电子结合能则高得多(有的甚至高达有的甚至高达10keV以上以上)，相对于价电子来说，内层电子电离几率很小，相对于价电子来说，内层电子电离几率很小，越是内层越小。一个高能入射电子被样品吸收时，越是内层越小。一个高能入射电子被样品吸收时，可以

28、在样品中产生许多自由电子，其中价电子电离可以在样品中产生许多自由电子，其中价电子电离约占电离总数的约占电离总数的90。所以，在样品表面上方检测。所以，在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分是来自价电子电。到的二次电子绝大部分是来自价电子电。二次电子能量比较低，一般小于二次电子能量比较低，一般小于50eV，大部分在，大部分在23eV之间。习惯上把在样品上方检测到的，能量低之间。习惯上把在样品上方检测到的，能量低于于50eV的自由电子叫做的自由电子叫做“真正二次电子，而把能真正二次电子，而把能量高于量高于50eV的电子叫做初级背散射电子的电子叫做初级背散射电子(包括弹性和包括弹性和非弹性背散射电子

29、和特征能量损失电子非弹性背散射电子和特征能量损失电子)。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号吸收电子吸收电子 有一部分电子进入试样后，有一部分电子进入试样后，经过多次非弹性散射，能量耗尽，经过多次非弹性散射，能量耗尽，被试样吸收，这些电子称为吸收被试样吸收，这些电子称为吸收电子。电子。 试样在吸收电子以前是电中性试样在吸收电子以前是电中性的，吸收电子以后带负电。如果的，吸收电子以后带负电。如果将试样用导线与地相接，中间接将试样用导线与地相接，中间接一电流表一电流表(如毫微安表如毫微安表)，就

30、可以，就可以测出吸收电子产生的吸收电流，测出吸收电子产生的吸收电流，又称试样电流。又称试样电流。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号透射电子透射电子对于薄试样，入射电子可透过试样。对于薄试样，入射电子可透过试样。如果在试样下方放一接收器，便如果在试样下方放一接收器，便可接收到透射电子。可接收到透射电子。透射电子中有弹性散射电子和非弹透射电子中有弹性散射电子和非弹性散射电子。透射电子的数量取性散射电子。透射电子的数量取决于入射电子所穿过的试样微区决于入射电子所穿过的试样微区的厚度，成分，晶体结

31、构及位。的厚度，成分，晶体结构及位。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号 如果使试样接地保持电中性，那么入射电子如果使试样接地保持电中性，那么入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度与入激发固体样品产生的四种电子信号强度与入射电子束强度射电子束强度ip之间仍然满足以下关系：之间仍然满足以下关系： Ib+ is + ia + it =ip Ib-背散射电子信号强度背散射电子信号强度 Is-二次电子信号强度二次电子信号强度 Ia-吸收电子信号强度吸收电子信号强度 It-透射电子信号强度透射电子

32、信号强度第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号特征特征X射线射线当人射电子激发试样原子的内层电当人射电子激发试样原子的内层电子，使原子处于能量较高的激发子，使原子处于能量较高的激发态，这是一种不稳定状态。外层态，这是一种不稳定状态。外层的电子会迅速填补到内层电子空的电子会迅速填补到内层电子空位上，使原子体系的能量降低、位上，使原子体系的能量降低、趋向较稳定的状态。处于激发态趋向较稳定的状态。处于激发态的原子系统释放能量的一种形式的原子系统释放能量的一种形式是直接辐射出具有特征能量和波是直接辐射

33、出具有特征能量和波长的电磁波，即特征长的电磁波，即特征(或标识或标识)X射射线。线。特征特征X射线的能量和波长只取决于射线的能量和波长只取决于被激发物质的原子能级结构，而被激发物质的原子能级结构，而与其它因素无关，它是物质固有与其它因素无关，它是物质固有的特征。的特征。特征特征X射线的强度与激发区相应的射线的强度与激发区相应的元素含量有关，这是用波谱仪和元素含量有关，这是用波谱仪和能谱仪进行微区元素定性，定量能谱仪进行微区元素定性，定量分析得以实现的基础。分析得以实现的基础。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电

34、子激发产生的各种信号俄歇电子俄歇电子原子从激发态转变到基态释放能量原子从激发态转变到基态释放能量的另一种方式是外层电子跃迁到的另一种方式是外层电子跃迁到内层电子空位的同时，将多余的内层电子空位的同时，将多余的能量传给另一外层电子，使其脱能量传给另一外层电子，使其脱离原子系统，成为二次电子。这离原子系统，成为二次电子。这种二次电子称为俄歇电子。种二次电子称为俄歇电子。俄歇电子与特征俄歇电子与特征X射线一样具有特射线一样具有特征量值。其能量用征量值。其能量用Ewxy表示，表示，它表示它表示W壳层的电子被壳层的电子被X壳层的壳层的电子填充，使电子填充，使y壳层的电子逸出壳层的电子逸出试样而成为俄歇电

35、子的能量，即试样而成为俄歇电子的能量，即WXY俄歇电子的能量。俄歇电子的能量。 根据俄歇电子的能量测定试样成分根据俄歇电子的能量测定试样成分的仪器称为俄歇电子能谱仪。俄的仪器称为俄歇电子能谱仪。俄歇电子能量一般为歇电子能量一般为501500eV,它在固体中的平均自由程非常短。它在固体中的平均自由程非常短。显然，一个原子中至少有三个以上显然，一个原子中至少有三个以上的电子才能产生俄歇效应。至少的电子才能产生俄歇效应。至少有两个能级和三个电子参与俄歇有两个能级和三个电子参与俄歇过程，所以氢原子和氦原子不能过程，所以氢原子和氦原子不能产生俄歇电子。同样孤立的锂原产生俄歇电子。同样孤立的锂原子因为最外

36、层只有一个电子，也子因为最外层只有一个电子，也不能产生俄歇电子。但是在固体不能产生俄歇电子。但是在固体中价电子是共用的，所以在各种中价电子是共用的，所以在各种含锂化合物中也可以看到从锂发含锂化合物中也可以看到从锂发生的俄歇电子。生的俄歇电子。对于孤立原子铍是产生俄歇效应的对于孤立原子铍是产生俄歇效应的最轻元素。俄歇电子的产额随原最轻元素。俄歇电子的产额随原子序数的增大而减少。所以俄歇子序数的增大而减少。所以俄歇电子能谱仪特别适用于分析轻元电子能谱仪特别适用于分析轻元素。素。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子

37、激发产生的各种信号阴极荧光阴极荧光有些物质在高能电子束的轰击下会发出可有些物质在高能电子束的轰击下会发出可见光，称为阴极荧光。它也是电子跃迁见光，称为阴极荧光。它也是电子跃迁过程释放能量的一种方式，不过能量较过程释放能量的一种方式，不过能量较小，波长在可见光的范围内。它是价电小，波长在可见光的范围内。它是价电子跃迁释放出来的，所以能量小。如果子跃迁释放出来的，所以能量小。如果晶体内存在杂质原子，在导带和满带之晶体内存在杂质原子，在导带和满带之间的禁带会形成局部能级，它们的能量间的禁带会形成局部能级，它们的能量差很小。这些局部能级的电子激发和跃差很小。这些局部能级的电子激发和跃迁，伴随着释放可见

38、光。迁，伴随着释放可见光。阴极荧光的波长不但与基体物质有关，还阴极荧光的波长不但与基体物质有关，还与杂质原子有关。因而，可以利用阴极与杂质原子有关。因而，可以利用阴极荧光确定基体中的杂质。晶体缺陷，如荧光确定基体中的杂质。晶体缺陷，如位错，析出物附近的原子能态也发生变位错，析出物附近的原子能态也发生变化，故可以利用阴极荧光观察晶体内的化，故可以利用阴极荧光观察晶体内的缺陷。缺陷。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号电子束感生电流电子束感生电流高能电子束轰击试样，在其中产生许多电高能电子束轰击

39、试样，在其中产生许多电子子空穴对，如果在试样上加一电场，空穴对，如果在试样上加一电场，它们分别顺着和逆着电场方向运动，便它们分别顺着和逆着电场方向运动，便产生电流，这就是电子束感生电流。产生电流，这就是电子束感生电流。如果某一处存在位错或其他晶体缺陷，会如果某一处存在位错或其他晶体缺陷，会促使电子促使电子-空穴对的复合，结果使感生电空穴对的复合，结果使感生电流减小。所以，可以利用电子束感生电流减小。所以，可以利用电子束感生电流研究晶体缺陷。流研究晶体缺陷。 对于金属，电子对于金属，电子-空穴对空穴对(即自由电子与正即自由电子与正离子离子)会很快复合成原子，很难测出感生会很快复合成原子，很难测出

40、感生电流。但是对半导体，复合的时间比较电流。但是对半导体，复合的时间比较长，在长，在P-N结附近加以较大电场，可以结附近加以较大电场，可以测出电子束感生电流。所以，利用它可测出电子束感生电流。所以，利用它可以研究半导体内的缺陷。以研究半导体内的缺陷。第一章第一章 微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理二、二、 固体样品受到入射电子激发产生的各种信号固体样品受到入射电子激发产生的各种信号三、三、 分析方法的种类及功能分析方法的种类及功能1、 按照束源分类：按照束源分类：（1） 电子显微术：电子显微术：同时获得结构衍射）、形貌成象和成分同时获得结构衍射）、形貌成象和成分X光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等光能谱和波谱、电子能量损失谱、俄歇电子谱等信息；信息；电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有电子束的波长很小，可覆盖从微观到宏观的所有结构尺度；结构尺度；高分辨率。高分辨率。缺点主要是电子穿透能力弱穿透能力为十分之缺点主要是电子穿透能力弱穿透能力为十分之一微米量级），带来样品制备和实