第二章 第3节电子显微分析A.ppt

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 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 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 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=1 keV、 3keV 、5 keV 和8 keV ） 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