第五章电子显微分析基础

1、1材料科学研究方法材料科学研究方法 第五章电子显微分析基础 （电子与物质的相互作用）2阴极发光轫致辐射X 射 线透射电子俄歇电子衍射电子二次电子反射电子吸收电子电电 子子探探 针针扫扫描描电电镜镜透射透射电镜电镜俄歇电俄歇电子谱仪子谱仪入入射射电电子子束束样样 品品一、电子信号在电子显微分析中的应用一、电子信号在电子显微分析中的应用35.1. 物质对入射电子的散射n散射定义：散射定义：当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散射。n1. 散射类型散射类型n弹性散射改变轨道，能量不变n非弹性散射改变轨道，能量改变45.1.1 原子核对电子

2、的弹性散射原子核对电子的弹性散射n当入射电子从距原子核 r n处经过时，由于原子核的正电荷的吸引作用，入射电子偏离入射方向。此即原子核对电子的弹性散射n电子波通过原子不改变波矢长度(能量大小)，但可能改变波矢方向（散射）5 散射角 n与瞄准距离r n 、核电荷数Z 及入射电子的能量 E 0之间的关系为： 可见，原子序数越大，电子能量越小，距核越近，则散射角越大。n除原子核对电子的散射外，核外电子带负电荷，对原子核的弹性散射有屏蔽作用。n特点：特点：由于原子对电子的散射比对 X 射线的散射强得多，因此，电子在物质内部的穿透深度要比X 射线小得多。n作用：作用：原子核对电子的弹性散射是电子衍射及成

3、像电子衍射及成像的基础。65.1.1 原子核对电子的非弹性散射原子核对电子的非弹性散射n电子波通过原子不但改变波矢长度(能量大小)，还可能改变波矢方向（散射）75.1.2 原子核对电子的非弹性散射原子核对电子的非弹性散射n结果结果：非弹性散射发生后，电子运动方向改变，能量也有不同程度的损失，损失的能量E 转化为相相应的应的X 射线射线的能量： E = h = hc /n可见，能量损失越大，X 射线的波长越短。n不利影响：不利影响：产生的X 射线是连续的无特征波长的X 射线，不能反映样品结构或成分特征，反而产生背景信号，影响成分分析的灵敏度和准确度，对X 射线衍射不利。n作用：作用：连续 X 射

4、线谱的强度数据可用于分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度。85.1.3 核外电子对入射电子的散射核外电子对入射电子的散射（1）散射时入射电子所损失的能量部分转变为热热；（2）部分使物质中的原子发生电离或形成自由载流子自由载流子；（3）并伴随着产生二次电子二次电子、俄歇电子俄歇电子、特征特征X 射线、特征能射线、特征能量损失电子、阴极发光和电子感生电导量损失电子、阴极发光和电子感生电导等有用信息n不利影响：在电子衍射及透射电镜成像中引起色差而增加背景强度及降低图像衬度。n作用：产生的电离、阴极发光及电子云的集体振荡等物理效应，可以反映样品的形貌、结构及成分特征，是各种电子显微分析仪器的重要信息来

5、源。95.2高能电子与样品物质交互作用产高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息生的电子信息n5.2.1 二次电子二次电子n5.2.1.1基本概念：基本概念： 电离和二次电子电离和二次电子：入射电子与核外电子发生相互作用时，使原子失去电子而变成离子，这种过程叫电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。n价电子激发：价电子激发：原子的最外层电子（价电子）被电离出来变成二次电子的过程。n芯电子激发：芯电子激发：原子的内层电子被电离出来变成二次电子的过程。n价电子激发所需的能量比芯电子激发所需的能量小得多，故价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。105.2.1.2 价电子激发形成的二次电子特价电子

6、激发形成的二次电子特点点1. 二次电子是被入射电子在样品的导带和价带里打出来的电子，只需小的能量(E50eV)就可打出二次电子。2. 二次电子通常不包含与元素有关的信息。如果二次电子在样品表面（510nm），则很容易逸出表面， 所以在扫描电镜中二次电子被用来表征样品表面信息。3.对样品表面形貌敏感11n 二次电子的产额（发射效率） SE 与入射电子束的入射角 有下列关系： 式中 I SE 为二次电子电流强度， I P 为入射电子电流强度。n当样品表面不平时，入射角 不同，二次电子的强度相应改变，用检测器检测样品上方的二次电子，则得到形貌衬度图像，这种图像就能反映出样品表面形貌特征。见右图。12

7、（4）空间分辨率高 接近表面约 10nm以内的二次电子才能逸出表面被检测器接收，在此深度入射束尚无明显侧向扩散，检测到的信号仅反映了与入射束直径相当、很小体积范围内的形貌特征，所以，二次电子具有较高的空间分辨率。图中，(a)电子束散射区域梨形形状；(b)重元素样品的电子束散射区域半球形状。2-俄歇电子激发区域；4-二次电子激发区域；5-背散射电子激发区域；6-初级X 射线激发区域13（5）信号收集效率高 二次电子信号是以入射束的照射点为中心向四面八方发射的（相当于点光源）。但由于仪器结构设计方面的困难，二次电子信号检测器的检测部分只占信号分布范围的很小一部分，这样，信号收集效率必然很低。好在二

8、次电子能量很低，易受电场作用。因此，可在检测器上面加一个5-10kV 的正电压，就可使样品上方的绝大部分二次电子都进入检测器。目前，二次电子是扫描电镜成像二次电子是扫描电镜成像的主要手段。145.2.1.3芯电子激发形成的二次电子特芯电子激发形成的二次电子特点点 还有一类二次电子，称为快二次电子（FastSecondary Electron），这些快二次电子是从内壳层中激发出来的，它们带有很大一部分入射电子的能量(50200keV). 快二次电子对电子显微分析没有好处，它们会产生许多X射线，对正常的X射线分析带来干扰。 人们正开始研究快二次电子，想法减轻它的干扰。15n在样品上方能够测量的电子

9、数目随能量的分布如下图（电子能谱曲线）。其中，E0 处为弹性散射峰，50eV 的低能段为二次电子峰，两峰之间是非弹性散射电子构成的背景，包括：背散射电子峰、俄歇电子峰、特征能量损失峰。背散射电子的能量分布较宽。电子显微分析仪器中利用的背散射电子是那些能量较高的（能量接近或等于E0 的电子），这些背散射电子n特点：5.2.2背散射电子背散射电子定义： 入射电子照射样品后，发生弹性和非弹性散射，有些入射电子的累计散射角超过90，它们将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。16n1.对样品物质的原子序数敏感 背散射电子产额随原子序数的增大而增加，如图。所以，背散射电子像的衬度与样品上各微区的成分密切相

10、关； 金属中各相分布易于显示。17n2.空间分辨率及信号收集率较低 如右图，5-背散射电子激发区域背散射电子激发区域大，空间分辨率低，只能达到100nm。 背散射电子能量大，运动方向不易偏转，检测器只能接收一定方向上的及较小立体角范围内的电子，信号收集率较低。185.2.3吸收电子吸收电子n定义：定义：当样品较厚（达微米数量级），入射电子的一部分在样品内经过多次非弹性散射后，能量耗尽，既无力穿透样品，也不能逸出表面，这种电子称为吸收电子吸收电子。n吸收电子与背散射电子（包括二次电子）是互补关系，即原子序数越大，背散射电子越多，则吸收电子越少，反之亦然。因此，吸收电子像的衬度正好与背散射电子像相

11、反，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。195.2.4特征X 射线n 如入射的电子具有足够的能量，射到原子内壳层，例如K层，将一个电子打出去（使原子电离），留下一个空穴，这时上层的电子会跳下来填充这个空穴，而产生特征X射线。n 不同原子序数Z的元素有不同的电离能(Criticalionization energy Ec)，原子序数大的元素，有较大的Ec。n 特征X射线被用于透射电镜和扫描电镜中的X能谱分析（Energy Dispersive Spectrometer, EDS），它可以检测所分析的物质中含有什么元素。EDS可用于检测原子序数Z4的元素。205.2.5俄歇

12、电子n 假如入射电子有足够的能量使内层电子（例如K层）激发。若其他内层电子已填满，则电子只能跑出原子以外，在原子内产生空穴，这时其他内层电子跳下来填补空穴，同时有一个内壳层电子跳出样品外形成俄歇电子。n 俄歇电子的能量与电子所处的壳层有关，故俄歇电子也能给出元素的信息，俄歇电子对轻元素敏感（X射线对重元素敏感）。俄歇电子的能量为几百eV-几个keV。俄歇电子的平均自由程小于1纳米，它们只能从很靠近表面的地方逸出，故俄歇电子能给出表面的化学信息.利用俄歇电子做表面分析的仪器称为俄歇电子谱仪（AES）。表面的氧化与污染会妨碍俄歇电子谱的分析，AES必须在超高真空（UHV）下工作，电镜工作者用得较少

13、，目前已有了Auger/STEM系统。n 特点n 1. 适用于分析轻元素及超轻元素 轻元素及超轻元素的 X 射线产额低，而俄歇电子产额高，用于成分分析灵敏度远高于X 射线。 2. 适用于表面薄层分析 俄歇电子激发区域小，能够保持其特征能量而逸出表面的俄歇电子只限于表层以下1nm 以内的深度范围。因此，俄歇电子可用于样品表面、晶界或相界面处的成分分析。215.2.6自由载流子形成的伴生效应自由载流子形成的伴生效应 当入射电子进入一些半导体、磷光体和绝缘体物质时，使内层电子激发，激发过程中还可通过碰撞电离，使满带电子被激发到导带，从而在导带和满带内产生大量电子和空穴等自由载流子。自由载流子的形成会

14、因物质的不同而伴生不同信息。225.2.6.1产生阴极发光n在磷光体中产生电子-空穴对后，导带中的负载流子（电子）跳回基态，同时发射光而释放能量，光的波长在可见光到红外光范围内，这种现象称为阴极发光阴极发光。n大多数阴极发光材料对杂质十分敏感，任何杂质原子分布的不均匀都能造成阴极发光的强度差异，因此，阴极发光信息可用于检测杂质阴极发光信息可用于检测杂质，灵敏度比X 射线发射光谱高三个数量级。还可用于鉴定物质相。235.2.6.2产生电子感生电导产生电子感生电导n入射电子在半导体中产生电子-空穴对后，在外加电场作用下可产生附加电导，这种效应称为电子感生电导。可用于测量半导体中载流子的扩散长度和寿

15、命。24n若测量这种电子能量信息，可进行成分分析，则称为能能量分析电子显微术量分析电子显微术。n若利用这种电子信息成像，则称为能量选择电子显微术能量选择电子显微术。5.2.7入射电子和晶体中电子云相互入射电子和晶体中电子云相互作用作用n当入射电子通过晶体空间时，电子云会作发散回复运动，造成电子云的集体振荡现象，称为等离子激发等离子激发。同时伴随能量损失，入射电子的能量损失随元素和成分不同而异，有特征性。如果入射电子引起等离子激发后能逸出试样表面，则这种电子称为特征能特征能量损失电子。量损失电子。25n入射电子和晶格相互作用（自学）n周期脉冲电子入射的电声效应（自学）26n入射电子穿透厚度为几十

16、至几百纳米的薄膜样品，被样品下方的检测器所接收，这种电子称为透射电子透射电子。n透射过试样的电子束携带着试样的成分信息。如把发射的特征X射线及俄歇谱看作是电子受试样非弹性散射“弹出去”的能量的一种形式，那末交出这部分能量的入射电子将继续前进成为透射电子，通过对这些透射电子损失的能量的分析，也可以得出试样中相应区域的元素的组成，得到作为化学环境函数的核心电子能量位移的信息。这就是电子能量损失谱的基础。5.2.8透射电子透射电子275.2.8.1 透射电子的三个效应n1.质厚衬度效应 样品不同微区质量或厚度的不同，所引起的相应微区透射电子强度的不同，进而使得图像上不同区域的亮暗程度不同，这种现象称为质厚衬度效应。质厚衬度效应可以观察样品的组织形貌细节。n2.衍射效应 入射电子束相当于波