第三章粒子(束)与材料的相互作用

1、Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 第三章第三章 粒子（束）与材料的相互作用粒子（束）与材料的相互作用 第一节第一节 电子束与材料的相互作用电子束与材料的相互作用 第二节第二节 离子束与材料的相互作用离子束与材料的相互作用 Huaihua University Chemistry and chemical eginee

2、ring DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 第一节第一节 电子束与材料的相互作用电子束与材料的相互作用一、散射一、散射 二、电子与固体作用产生的信号二、电子与固体作用产生的信号 三、电子激发产生的其它现象三、电子激发产生的其它现象Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and c

3、hemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 入射电子入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用照射固体时，与固体中粒子的相互作用包括：包括： （1）入射电子的散射；）入射电子的散射； （2）入射电子对固体的激发；）入射电子对固体的激发； （3）受激发粒子在固体中的传播。）受激发粒子在固体中的传播。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical eginee

4、ring DepartmentMaterial modern analysis method 一、散射一、散射 p当一束聚焦电子沿一定方向射到固体上时，在固体原子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（象称为（电子电子）散射散射。 p有有散射弹性散射弹性和和非弹性散射非弹性散射之分。之分。 p原子中的原子中的原子核原子核和和核外电子核外电子对入射电子均有散射作用。对入射电子均有散射作用。 对比：物质对对比：物质对X射线的散射射线的散射Huaihua University Chemis

5、try and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 瞄准距离瞄准距离散射角散射角核电荷数或核电荷数或原子序数原子序数注意：电子经注意：电子经过原子核和电过原子核和电子时偏转方向子时偏转方向不同不同!入射方向与入射方向与散射方向之散射方向之间的夹角间的夹角电子入射方向与电子入射方向与原子核或电子之原子核或电子之间的距离间的距离电子衍射及成像的基础电子衍射及成像的基础 电子散射示意图电子

6、散射示意图与原子核作用与原子核作用与核外电子作用与核外电子作用Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 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 ）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。）即散射电子运动方向与入

7、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转化为转化为X射线射线，它们之间的关系是，它们之间的关系是 式中，式中，h是普朗克常数，是普朗克常数，c是光速，是光速， 及及 分别是分别是X射线的频率与波长。射线的频率与波长。 此此X射为连续射为连续X射线，没有特征性射线，没有特征性。电子的初始能量电子的初始能量散射基元散射基元(原子核原子核)的的质量数质量数(质质子数与中子数与中子数之和子数之和)半散射角半散射角cEhhHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua Univers

8、ity Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生显著变化，这种过程称为非弹性散射。 在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量传递给原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。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。电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Department

9、Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 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非弹性散射。 p在非弹性散射过程中，入射电子所损失的能量部分转变为热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，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

10、征特征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、电子感生电导电子感生电导等。等。 p因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子电子激发激发。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 3. 散射截面散射截面 p入射入射电子被原子核散射电子被原子核

11、散射时，散射角时，散射角2 的大小与瞄准距离的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）（电子入射方向与原子核的距离）rn、原子核电荷、原子核电荷Ze以以及入射电子的加速电压及入射电子的加速电压V有关，其关系为有关，其关系为 （3-2） rn2叫做叫做弹性散射截面弹性散射截面，用，用 n表示。表示。 p当当入射电子与核外电子作用入射电子与核外电子作用时，散射角时，散射角2 为为 （3-3） re2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表示。表示。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Departme

12、ntHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method p弹性散射截面为弹性散射截面为 n p非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和面之和Z e，则，则 n/Z e=Z p因此，因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。大。对一个原子序数为对一个原子序数为Z的孤立原子的孤立原子Huaihua University Chemistry and chemical egin

13、eering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 由于库伦相互作用，入射电子在固体中的散射比X射线强得多，同样固体对电子的“吸收”比X射线吸收快得多。随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体吸收（束缚）。4. 电子吸收电子吸收 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry

14、and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method p电子吸收电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。衰减。 p不同于不同于X射线的射线的“真吸收真吸收”。 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）。）。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 （E0=1keV、3keV、5keV和和8keV）（1）入射电子的能量越大，）入射电子的能量越大，穿入深度越大。穿入深度越大。（2）电子损失

15、的能量开始迅）电子损失的能量开始迅速增加，然后迅速减小，直速增加，然后迅速减小，直至损失殆尽。至损失殆尽。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 二、电子与固体作用产生的信号二、电子与固体作用产生的信号 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 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

16、息深度 3.电子能谱电子能谱 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 14 入射电子与原子相互作用产生的各种信息入射电子与原子相互作用产生的各种信息O入射电子入射电子 原子中的核外电子或二次电子原子中的核外电子或二次电子Huaihua University Chemistry and chemical egineering

17、 DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 弹性散射和非弹性散射同时发生。前者使电子偏离原来方向引起电子在固体中扩散；后者使电子的能量逐渐减小，直至被固体吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围称为电子与固体的作用区。 电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和辐射正是来自这个作用区。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaih

18、ua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 16 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入射电子束与固体作用产生的发射现象入射电子束与固体作用产生的发射现象透射电子透射电子流流IT背散射电子背散射电子流流IR ，包括弹，包括弹性背散射电子和非弹性背性背散射电子和非弹性背散射电子。散射电子。二次电子二次电子流流IS ，它包括（真，它包括（真）二次电子和特征二次电子）二次电子和特征二次电子（俄歇电子俄歇电子）样品样品吸收电流吸收电流IA电子激发诱导

19、的电子激发诱导的X射线射线辐射强度辐射强度IX 连续的连续的X射线射线 特征特征X射线射线 X射线荧光射线荧光（二次特征（二次特征X射线）射线）表面元素发射表面元素发射的总强度的总强度IE入射电子流I0 哪些是入射电子？哪些是哪些是入射电子？哪些是入射电子激发的信号？入射电子激发的信号？Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis metho

20、d IR为背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。被散射电子主要由两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子。 背散射电子的最大信息深度约为电子最大穿入深度的一半。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method

21、Is表示二次电子流，它包括入射电子从固体中直接击出的原子核外电子和激发态原子退回基态（退激发）时产生的电子发射（如俄歇电子）。 前者为（真）二次电子，它们的能量较低，强度按能量连续分布；后者为特征二次电子，它们的能量取决于原子本身的电子结构，取一些分立的能量值。 当背散射电子返回到样品表面层，并具有足够的能量连续产生电子激发时，对二次电子发射也有贡献。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering Departm

22、entMaterial modern analysis method 从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值（IS/I0）称为）称为二次电子产额二次电子产额，用，用 表示。表示。二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系入射角入射角 越大越大， 越大；电子能量增加，越大；电子能量增加， 开始增加，达极大开始增加，达极大值后反而减少值后反而减少.Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University C

23、hemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method Ix表示电子激发诱导的X射线辐射强度。在入射电子发生非弹性碰撞过程中，x射线通过两种截然不同的过程产生。入射电子在原子实（原子核和束缚电子，即失去价电子的正离子）的库仑场中减速，产生能量连续的X射线，其能量从0延伸到入射电子能量值。当电子激发使原子内层电离，外层电子跳到内层填充空穴，这个跃迁过程伴随能量的变化，原子以发射特征x射线或一个俄歇电子的形式释放能量。Huaihua University Chemistry and chemical eg

24、ineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method IE表示表面元素发射的总强度。尽管在材料分析中入射电子的能量不足以把固体原子直接击出，但电子能量可能引起一些固体的表面原子电离，使表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分解。电子束可引起部分氧化物、多数氟化物和几乎所有的有机物的辐照分解。 IA为样品吸收电流。入射电子在固体中传播时，能量逐渐减小，最后会失去全部动能，被样品“吸收”。 AT为透射电子流。当样品的厚度

25、小于入射电子的平均穿入深度使，一部分入射电子穿过样品，在样品的背面被接受或检测。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 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 入射电子、二次电子和背散射电子在固体中传播时，不断入射电子、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

26、性散射之间电子所经过的经受非弹性散射，相继两次非弹性散射之间电子所经过的平均路程称为平均路程称为电子非弹性散射平均自由程电子非弹性散射平均自由程，用，用 e表示。表示。 非弹性散射平均自由程是反映电子与固体相互作用的一个非弹性散射平均自由程是反映电子与固体相互作用的一个重要物理量，它与材料的组成、结构以及入射电子的能量重要物理量，它与材料的组成、结构以及入射电子的能量有关。有关。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egin

27、eering DepartmentMaterial modern analysis method 对于单元素固体 式中： E-电子的能量（Kev）； a-固体的单原子厚度（nm） 对于无机和有机固体材料 式中： a-平均单原子层厚度（nm）单原子厚度）(41. 05382aEEe)/m(11. 049e(72. 02170222mgEEaEEe单原子厚度）Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering Depar

28、tmentMaterial modern analysis method 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)4-二次电子激发体积二次电子激发体积5-背散射电子背散射电子激发体积激发体积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6-初级初级X射线激发体积射线激发体积Huaihua University Chemistry and chemical

29、 egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 25 3. 电子能谱电子能谱 电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）二次电子像二次电子像扫描电镜的主要扫描电镜的主要成像方式成像方式俄歇电子能谱俄歇电子能谱（AES） 背散射电子像、低能电子背散射电子像、低能电子衍射（衍射（LEED）、反射式高）、反射式高能电子衍射（能电子衍射（RHEED）和）和透射电子衍射（透射电子衍射

30、（TEM） 电子能量损失谱电子能量损失谱（EELS） Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method （1）能谱的低能端隆起的峰由真二次电子（能量小于或等于50ev）构成。用扫描电子显微镜做表面形貌观测时就是收集这部分电子并用来成像。（2）在中间平滑背底上叠加着一些小峰，它们对应俄歇电子峰或入射电子的特征能量损失峰。前者对应俄歇电

31、子能谱（AES），后者则构成电子能量损失谱（EELS），它们是常规的表面分析方法。 能谱中能量等于入射能量的电子是弹性背散射电子。当入射电子照射晶体样品时，由于电子的波动性，受不同原子弹性散射电子之间的干涉产生的衍射现象是材料电子衍射分析方法的基础。电子衍射分为低能电子衍射（LEED）、发射式高能电子衍射（RHEED）和透射电子衍射（TEM）。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentM

32、aterial modern analysis method 27 三、电子激发产生的其它现象三、电子激发产生的其它现象 1.等离子体振荡等离子体振荡 2.电声效应电声效应 3.电子感生电导电子感生电导 4.阴极荧光阴极荧光Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 1.等离子体振荡等离子体振荡p当入射电子通过金属晶体时，入射

33、电子轨迹周围的电中性被破当入射电子通过金属晶体时，入射电子轨迹周围的电中性被破坏，迫使电子云背离入射电子轨迹径向运动，结果在入射电子坏，迫使电子云背离入射电子轨迹径向运动，结果在入射电子轨迹近旁形成正电荷区域，而在较远处形成负电荷区域。轨迹近旁形成正电荷区域，而在较远处形成负电荷区域。 p入射电子通过后，电子云受到正电荷的吸引，试图恢复电中性入射电子通过后，电子云受到正电荷的吸引，试图恢复电中性状态。当电子云径向扩散运动超过平衡位置时，就形成连续的状态。当电子云径向扩散运动超过平衡位置时，就形成连续的往复运动，造成电子云的集体振荡，称为往复运动，造成电子云的集体振荡，称为等离子体振荡等离子体振

34、荡。 p伴随着等离子体振荡的激发，入射电子损失能量伴随着等离子体振荡的激发，入射电子损失能量。由于等离子。由于等离子体振荡的能量是量子化的，取一定的特征值。因此，在等离子体振荡的能量是量子化的，取一定的特征值。因此，在等离子体振荡激发过程中，入射电子的能量损失也具有一定的特征值体振荡激发过程中，入射电子的能量损失也具有一定的特征值，并随样品成分的不同而异。，并随样品成分的不同而异。 在没有外界扰动的情况下，在整个金属晶体空间正离子与电子云保在没有外界扰动的情况下，在整个金属晶体空间正离子与电子云保持电中性持电中性 Huaihua University Chemistry and chemica

35、l egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2.电声效应电声效应p在固体中电子能量损失的在固体中电子能量损失的40%80%最终转化为热。最终转化为热。 p在实际工作中，入射电子束采用扫描工作模式，样品在实际工作中，入射电子束采用扫描工作模式，样品的温升并不严重。的温升并不严重。 p当用周期性脉冲电子束照射样品时，样品中会产生周当用周期性脉冲电子束照射样品时，样品中会产生周期性衰减声波（晶格振动），这种现象

36、称为期性衰减声波（晶格振动），这种现象称为电声效应电声效应。 p用压电器件和成像技术可将用压电器件和成像技术可将电声效应信息用于成像电声效应信息用于成像。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 3.电子感生电导电子感生电导p电子在电子在半导体半导体中的非弹性散射产生中的非弹性散射产生电子电子-空穴对空穴对。 p通过外加电压

37、（电场）可以分离正负电荷，产生附加通过外加电压（电场）可以分离正负电荷，产生附加电导，称为电导，称为电子感生电导电子感生电导（ENIC）；而）；而p-n结对这些结对这些自由载流子的收集作用可以产生附加电动势，称为自由载流子的收集作用可以产生附加电动势，称为电电子感生伏特子感生伏特。 p载流子可以在整个样品中扩散，其中少数载流子的浓载流子可以在整个样品中扩散，其中少数载流子的浓度随扩散距离度随扩散距离x指数衰减指数衰减n e-x/L，L是扩散长度是扩散长度。 p利用这种效应可以测量少数载流子的扩散长度和寿命利用这种效应可以测量少数载流子的扩散长度和寿命。Huaihua University Ch

38、emistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 4.阴极荧光阴极荧光p在本征和搀杂半导体中，电子在本征和搀杂半导体中，电子-空穴可以通过杂质原空穴可以通过杂质原子能级复合发光，即所谓子能级复合发光，即所谓阴极荧光阴极荧光（CL）。）。 p阴极荧光同样可以在一些有机荧光化合物中产生。阴极荧光同样可以在一些有机荧光化合物中产生。 p对于不同种类固体，产生阴极荧光的物理过程不同

39、对于不同种类固体，产生阴极荧光的物理过程不同，而且对杂质和缺陷的特征十分敏感。因此，而且对杂质和缺陷的特征十分敏感。因此，阴极阴极荧光是检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物荧光是检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质或缺陷的分布相、杂质或缺陷的分布。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 电子与材料相互作用产生

40、的信号及据之发展起来的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分析方法电子探针电子探针Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 33 第二节第二节 离子束与材料的相互作用离子束与材料的相互作用 一、散射一、散射 二、二次离子二、二次离子 动量和能量转移是离子与固体相互作用动量和能量转移是离子与固体相互作用的重要特

41、征。的重要特征。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 一、散射一、散射 p离子与固体原子的碰撞可以用离子与固体原子的碰撞可以用台球间的碰撞台球间的碰撞来描述。来描述。 p对碰撞过程的约束（来自电子的非弹性散射）可想像对碰撞过程的约束（来自电子的非弹性散射）可想像为在台球桌面上有一层水，即在两次碰撞之间也有能为在台球桌面

42、上有一层水，即在两次碰撞之间也有能量损失。量损失。 p因此，离子的能量取决于碰撞过程和碰撞之间所经历因此，离子的能量取决于碰撞过程和碰撞之间所经历的路程。的路程。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 1. 弹性散射弹性散射 离子弹性散射的两大特点离子弹性散射的两大特点： 散射几率正比于散射几率正比于Zl和和Z2的平方，

43、因此，当的平方，因此，当入射离子入射离子由由H+变为变为He+时，散射几率增加时，散射几率增加4倍；倍； 散射几率正比于散射几率正比于1/sin4 ，强烈地依赖于散射角，强烈地依赖于散射角2 ，2 =90 的散射几率是的散射几率是2 =180 的的4倍。倍。离子离子-原子碰撞原子碰撞散射角散射角一般用一般用Ar离子离子散射后离子的能量散射后离子的能量22122121221222)(2cos)2sin(MMMMMk碰撞后离子的能量损失与靶原子的质碰撞后离子的能量损失与靶原子的质量有关，离子与轻元素靶原子碰撞的量有关，离子与轻元素靶原子碰撞的能量损失比与重元素靶原子碰撞的能能量损失比与重元素靶原子

44、碰撞的能量损失大量损失大。42042221sin16EeZZp Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentMaterial modern analysis method 2. 非弹性散射非弹性散射 p离子在固体中传播时，由于被电子非弹性散射产离子在固体中传播时，由于被电子非弹性散射产生的能量损失率称为生的能量损失率称为固体对离子的阻止功率固体对离子的阻止功率。 p与离子的种类、能量以及样品的成分有关。与离子的种类、能量以及样品的成分有关。 Huaihua University Chemistry and chemica