第二章第3节电子显微分析a

电子显微分析第一章粒子（束）与材料的相互作用第一节电子束与材料的相互作用一、散射二、电子与固体作用产生的信号三、电子激发产生的其它现象第一节电子束与材料的相互作用入射电子（又称为初始或一次电子）照射固体时与固体中粒子相互作用，它包括：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电子散射源于库仑作用，它不同于光子在固体中的散射。入射电子照射固体时将与固体中的电子、原子核等作用而发生散射。与辐射的散射一样，电子散射同样有弹性和非弹性散射之分。设原子的质量为M，质量数为A，碰撞前原子处于静止状态。电子质量与原子质量的比值me/M＝1/1836A。根据动量和能量守恒定理，入射电子与原子（核）碰撞后的最大能量损失可表示为203maxsin1017.2AEE1弹性散射一、散射一、散射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转移给原子，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非弹性散射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）r0、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关。如图1-l所示，其关系为：图1-1电子散射示意图（a）与原子核作用（b）与核外电子作用neVrZ2)2(VZren或一、散射3散射截面（了解）参见《材料结构分析基础》余焜主编当入射电子与核外电子作用时，散射角为eVre2)2(Vere或由上式可知，当入射电子作用在以原子核为中心、r0为半径的圆内时将被散射到大于2的角度以外，故可用πrn2（以原子核为中心、rn为半径的圆的面积）来衡量一个孤立原子核把入射电子散射到大于2角度以外的能力。由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将πrn2叫做弹性散射截面，用n表示。一、散射3散射截面（了解）同理，可用πre2（re是入射电子对核外电子的描准距离）来衡量一个孤立核外电子把入射电子散射到2角以外的能力，并称πre2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，由前两式可得n/Ze=Z。因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。一、散射3散射截面（了解）由于库仑相互作用，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”比对X射线的吸收快得多。电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。在不同固体中，电子激发过程有差别，多数情况下激发二次电子是入射电子能量损失的主要过程。一、散射4电子吸收单位入射深度电子能量变化（dE/dz）与入射深度（z）的关系如图1-2所示。曲线与横坐标的交点即为入射电子的最大穿入深度。图1-2入射电子在固体中传播时的能量损失曲线（E0=1keV、3keV、5keV和8keV）一、散射4电子吸收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。扫描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。二、电子与固体作用产生的信号入射电子与固体作用区及其与固体作用产生的信号可用图1-3简单描述。I0是入射电子流，单位是A。描述入射电子的另一物理量是电子束流密度，单位是A/cm2。在强聚焦的情况下，电子束流密度很高，而总的电子流往往很小。1.电子与固体作用产生的信号背散射电子流二次电子流样品吸收电流透射电子流表面元素发射总强度特征X射线电流电子与固体相互作用时产生的信号1.电子与固体作用产生的信号背散射电子背散射电子是指被固体样品中的原子核反弹回来的一部分入射电子。其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的散射角大于90的那些入射电子，其能量基本上没有变化。弹性背散射电子的能量为数千到数万电子伏。非弹性背散射电子是入射电子和核外电子撞击后产生非弹性散射而造成的，不仅能量变化，方向也发生变化。如果有些电子经多次散射后仍能反弹出样品表面，这就形成非弹性背散射电子。非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电子伏到数千电子伏。从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多。背散射电子的产生范围在1000Å到1m深，由于背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数衬度，定性地进行成分分析。1.电子与固体作用产生的信号二次电子二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，因此外层的电子比较容易和原子脱离而变成自由电子。一个能量很高的入射电子射入样品时，可以产生许多自由电子，而在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分来自价电子。二次电子来自表面50-500Å的区域，能量为0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表面层，二次电子的分辨率较高，一般可达到50-100Å。扫描电子显微镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。二次电于产额随原于序数的变化不明显，它主要决定于表面形貌。图3-4二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系1.电子与固体作用产生的信号俄歇电子如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量E不以X射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种二次电子叫做俄歇电子。俄歇电子是由试样表面极有限的几个原于层中发出的，这说明俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。1.电子与固体作用产生的信号特征X射线特征X射线是原子的内层电子受到激发以后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。如：在高能入射电子作用下使K层电子逸出，当一个L2层电子填补K层空位后，这时就有E＝(EK-EL2)的能量释放出来。1.电子与固体作用产生的信号特征X射线若这一能量以X射线形式放出，此时X射线的波长为：(8-1)X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：利用这一对应关系可以进行成分分析。如果用X射线探测器测到了样品微区中存在某一特征波长，就可以判定该微区中存在的相应元素。2KZKKL2hcEE入射电子进入样品后，经多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够厚度，没有透射电子产生），最后被样品吸收。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子流。1.电子与固体作用产生的信号吸收电子如果样品厚度小于入射电子的有效穿透深度，那么就会有相当数量的入射电子能够穿过薄样品而成为透射电子。透射电子：能量与入射电子相当的弹性散射电子和各种不同能量损失的非弹性散射电子；其中有些待征能量损失E的非弹性散射电子和分析区域的成分有关，因此，可以用特征能量损失电子来进行微区成分分析。1.电子与固体作用产生的信号透射电子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，但电子激发可能引起一些固体的1.电子与固体作用产生的信号电离背散射电子流二次电子流样品吸收电流透射电子流表面元素发射总强度表面原子电离，使表面元素活化乃至解吸，这种现象又称为电子辐照分解，从而形成一个电流。其它物理信号除了上述六种信号外，固体样品中还会产生例如阴极荧光、电子束感生效应和电动势等信号，这些信号经过调制后也可以用于专门的分析。小节X射线与物质相互作用1.散射(相干,非相干)2.光电效应(俄歇,二次荧光,光电子)3.透射4.热电子束与物质相互作用1.背散射;2.二次电子3.透射电子;4.吸收电子5.俄歇;6.特征X射线7.阴极荧光……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。2.电子非弹性散射平均自由程和信息深度这些特征峰携带着固体材料的特定信息，如有关化学成分、原子排列和电子结构等的信息。3.电子能谱真二次电子峰：扫描电子显微镜成像。俄歇电子峰或者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)，它们都是常规的表面分析方法。3.电子能谱弹性背散射电子峰：低能电子衍射（LEED）、反射式高能电子衍射（RHEED）和透射电子衍射（TEM）。3.电子能谱