第三章--粒子(束)与材料的相互作用

第三章粒子（束）与材料的相互作用教学目的：1、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用；2、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；3、掌握粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法。教学重点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号而派生出来的测试方法；3、其它的测试方法。教学难点：1、粒子（束）与材料之间的相互作用；2、粒子（束）与材料之间的相互作用产生的信号。第一节电子束与材料的相互作用入射电子照射固体时，与固体中粒子的相互作用包括：（1）入射电子的散射；（2）入射电子对固体的激发；（3）受激发粒子在固体中的传播。一、散射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。有散射弹性和非弹性散射之分。原子中的原子核和核外电子对入射电子均有散射作用。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∆Emax=2.17×10−3E0Asin2θ3-1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cEhh3-2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。此X射为连续X射线，没有特征性。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。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。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2θ=ZeVrn或rn=ZeV(2θ)3-3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2θ=eVre或re=eV(2θ)3-4re2为核外电子的非弹性散射截面，用e表示。对一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为n，非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Ze，则n/Ze=Z3-5因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。4.电子吸收由于库伦相互作用，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）。电子吸收：由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减。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）。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图3-1入射电子束与固体作用产生的发射现象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。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。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。①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。②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。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。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。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有关。图3-2电子非弹性散射平均自由程和信息深度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)3.电子能谱图3-3电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）（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）。三、电子激发产生的其它现象1.等离子体振荡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，结果在入射电子轨迹近旁形成正电荷区域，而在较远处形成负电荷区域。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，就形成连续的往复运动，造成电子云的集体振荡，称为等离子体振荡。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，并随样品成分的不同而异。2.电声效应在固体中电子能量损失的40%~80%最终转化为热。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。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），这种现象称为电声效应。用压电器件和成像技术可将电声效应信息用于成像。3.电子感生电导电子在半导体中的非弹性散射产生电子-空穴对。通过外加电压（电场）可以分离正负电荷，产生附加电导，称为电子感生电导（ENIC）；而p-n结对这些自由载流子的收集作用可以产生附加电动势，称为电子感生伏特。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x指数衰减[ne-x/L，L是扩散长度]。利用这种效应可以测量少数载流子的扩散长度和寿命。4.阴极荧光在本征和搀杂半导体中，电子-空穴可以通过杂质原子能级复合发光，即所谓阴极荧光（CL）。阴极荧光同样可以在一些有机荧光化合物中产生。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，阴极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。第二节离子束与材料的相互作用一、散射离子与固体原子的碰撞可以用台球间的碰撞来描述。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量损失。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。1.弹性散射离子弹性散射的两大特点：①散射几率正比于Zl和Z2的平方，因此，当入射离子由H+变为He+时，散射几率增加4倍；②散射几率正比于1/sin4，强烈地依赖于散射角2，2=90的散射几率是2=180的4倍。2.非弹性散射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固体对离子的阻止功率。与离子的种类、能量以及样品的成分有关。二、溅射与二次离子1.离子溅射能量为E0的入射离子轰击固体时，直接或间接地迫使固体表面许多原子运动，这种过程称为级联碰撞。当表面原子获得足够的动量和能量背离表面运动时，就引起表面粒子（原子、离子、原子团等）的发射，这种现象称为溅射。溅射产额（Y）定义为溅射出的粒子数（Ns）与入射离子数目（N0）的比值Y=Ns/N03-62.二次离子固体表面原子以离子态发射叫做二次离子。收集分析二次离子得到二次离子质谱。可以用于分析所有元素（包括氢和所有同位素）。