材料测试技术基础 材料现代研究方法 第三章 粒子与物质的交互作用.pptVIP

第三章 粒子与物质的交互作用 主讲人：苏晓磊 E-mail:suxlei@yeah.net 西安工程大学机电工程学院 §3.1散射 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。原子对电子的散射还可以进一步分为弹性散射和非弹性散射。在弹性散射中，电子只改变运动方向，基本上无能量变化。在非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有下同程度的衰减，衰减部分转变为热、光、x射线、二次电子等。 * 3.1.1原子核对电子的弹性散射 当入射电子从距原子核N处经过时，由于原子核的正电荷Ze的吸引作用（Z是原子序数，e是电子的电荷），入射电子偏离入射方向。根据卢瑟福的经典散射模型，散射角θn的大小取决于瞄准距离rn，核电荷数Ze和入射电子的能量Ev，其关系如下: §3.1散射 可见原子序数越大，电子的能量越小，距核越近，则散射角越大，显然，这是一个相当简化了的模型，除了考虑核对电子的散射作用外，还应考虑核电子的负电荷的屏蔽作用。这种弹性散射是电子衍射及成像的基础，原子对入射电子在θn角方向的弹性散射振幅（即散射因子）是 §3.1散射 3.1.2 原子核对电子的非弹性散射 由于这种非弹性散射，入射电子不但改变方向，并有不同程度的能量损失，因此速度减慢。损失的能量ΔE转化为X射线，它们之间的关系是 §3.1散射 3.1.3 核外电子对入射电子的非弹性散射 原于中核外电子对入射电子的散射作用是一种非弹性散射，散射过程中入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生各种有用信息，如二次电子、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。 §3.1散射 §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 3.2.1 二次电子 当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失掉电子而变成离子，这种现象称为电离，而这个脱离原子的电予称为二次电子。如果被电离出来的二次电子是来自原子中的价电子，则这种电离过程称为价电子激发；如果被电离出来的二次电子是来自原子中的内层电子，则这种电离过程称为芯电子激发。入射电子使固体中价电子激发到费米能级以上或游离时损失的能量较小（约几十电子伏），而使内层电子激发或游离时损失的能量相当大，一般至少要等于内层电子的结合能（即费米能和内有能级之差，约几百电子伏）。所以价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。 二次电子主要特点有： 1．对样品表面形貌敏感； 2．空间分辨率高； 3．信号收集效率高 §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 二次电子信息的上述特点使其成为扫描电子显微镜成像的主要手段。 3.2.2 背散射电子（BE） 入射电子在样品内遭到散射，改变前进方向，在非弹性散射信况下，还会损失一部分能量。在这种弹佳和非弹性散射过程中，有些入射电子累计散射角超过90o，这些电子将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。 §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 在电子显微分析仪器中利用背散射电子信号通常是指那些能量较高的电子，其中主要是能量等于或接近尽的电子，其特点如下。 1．对样品物质的原子序数敏感； 2．分辨率及信号收隼率较低 §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 3.2.3 吸收电子（AE） 当样品较厚时，例如达到微米数量级，入射电子中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，称为吸收电子。如果通过一个高灵敏度的电流表（例如，毫微安表）使样品接地，就能检测样品对地电流的大小，称为吸收电流信号。由于样品中背散射电子（包括二次电子）与吸收电子的和等于一，两者在数量上存在互补关系。由图3-5可知，随原子序数增大，背散射电予增多，则吸收电子减少。因此，若用吸收电流成像，同样样可以得到原子序数下同的元素在样品上各微区定性的分布情况，只不过图橡的衬度正好与背散射电子图像相反。 §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 3.2.4特征x射线及俄歇电子 电离使原子处于较高能量的激发态，这是不稳定的，外层电子会迅速填补内层电子空位而使能量降低。如一个原子在入射电子的作用下失掉一个K层电子，它就处于K激发态，能量是Ek。当一个L2层电子填补了这个空位后，K电离就变为L2电离，能量由Ek变为EL，这就会使有数恒等干（Ek-EL）的能量释放出来。能量释放可以采用两种方式，一种方式是产生X射线，即该元素的Kα辐射， §3.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 这种二次电子称为KL2L2层电子，它的能量近似地等于EK—EL2—EL3，因此也有固定值，随元素不同而异