電子與物質(zhì)的交互作用

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1、第二篇電子顯微分析技術(shù)《材料現(xiàn)代分析技術(shù)》課程建設(shè)小組1.電子與物質(zhì)的交互作用1.1散射的基本概念1.2高能電子與樣品物質(zhì)交互作用產(chǎn)生的電子信息1.1散射的基本概念電子：是一種帶負電的基本粒子靜止質(zhì)量me=9.110x10-31kg電量q=-e(e=1.602*10-19C)散射：當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射到樣品上時，在樣品物質(zhì)原子的庫侖電場作用下，入射電子方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。1.1散射的基本概念彈性散射:電子只改變運動方向，基本無能量變化。非彈性散射--原子對入射電子的散射電子不僅改變運動方向，能量也有不同程度衰減。被散射電子的波長改變，損失的能量導(dǎo)致物體內(nèi)部的某些激發(fā)效應(yīng)，其表

2、現(xiàn)形式可以是次級電子、俄歇電子、標(biāo)識和連續(xù)X射線、熱輻射、紫外和可見光區(qū)域的光子等，也可以是等離子體激元的激發(fā)。1.1散射的基本概念彈性散射彈性散射一個運動的電子靠近孤立的原子核時，由于庫侖力的作用，電子將向核方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角--?，?的大小取決于rn的大小彈性散射核質(zhì)量??電子的質(zhì)量，此偏轉(zhuǎn)可視為彈性散射，則偏轉(zhuǎn)角?稱為散射角在?(rn)2圓面積內(nèi)的散射，散射角??，稱?(rn)2為散射角大于?的核彈性散射截面彈性散射是電子衍射及成像的基礎(chǔ)核外電子的非彈性散射一個運動的電子靠近孤立的電子時，由于庫侖力的排斥作用，電子將向反方向偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角--?，?的大小取決于re的大小非彈性散射

3、核外電子的非彈性散射電子質(zhì)量=電子的質(zhì)量，電子偏轉(zhuǎn)時有能量的變化，此偏轉(zhuǎn)可視為非彈性散射。在?(re)2圓面積內(nèi)的散射，散射角??，稱?(re)2為散射角大于?的非彈性散射截面。核外電子的非彈性散射原子中核外電子對入射電子的散射所損失的能量部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，部分使物質(zhì)中原子發(fā)生電離或形成自由載流子，并伴隨著產(chǎn)生各種有用信息，如二次電子、俄歇電子、特征X射線、特征能量損失電子、陰極發(fā)光、電子感生電導(dǎo)等1.2高能電子與樣品物質(zhì)交互作用產(chǎn)生的電子信息（1）背散射電子定義：入射電子在試樣內(nèi)經(jīng)過一次或幾次大角度彈性散射或非彈性散射后離開試樣表面的電子。（1）背散射電子背散射電子的產(chǎn)生范圍在0.1

4、~1μm，這是由于背散射電子具有較高的能量，所以可在試樣較深部位散射出試樣表面。背散射電子的產(chǎn)額隨試樣原子序數(shù)的增加而增加。（1）背散射電子背散射電子在試樣內(nèi)部接近完全擴散，其廣度較入射電子束直徑大若干倍，它可從試樣較深部位逸出。特點：1：對樣品物質(zhì)的原子序數(shù)敏感2：分辨率及信號收集率較低（2）二次電子定義：在入射電子的轟擊下被迫離開試樣表面的試樣的核外電子。（2）二次電子二次電子的能量小于50eV，所以只有試樣表層下5~10nm范圍內(nèi)激發(fā)出的二次電子，才有可能逸出試樣表面二次電子發(fā)射的廣度與入射電子束直徑相差無幾，它對試樣表面形貌敏感主要用于顯示試樣的表面形貌（3）吸收電子定義：

5、入射電子射入試樣后，經(jīng)多次非彈性散射后能量消耗殆盡而形成吸收電子被試樣吸收（3）吸收電子在試樣和地之間接入m?A計進行放大，可檢出吸收電子產(chǎn)生的電流吸收電子像用于顯示樣品表面形貌和樣品表面元素分布狀態(tài)用吸收電流成像，同樣可以得到原子序數(shù)不同的元素在樣品上各微區(qū)定性的分布情況。圖像的襯度正好與背散射電子圖像相反（4）特征X射線當(dāng)試樣內(nèi)原子核外的內(nèi)層電子被激發(fā)時，外層電子躍遷而填補內(nèi)層空位時就會釋放特征X射線。（4）特征X射線特征X射線一般在試樣內(nèi)的500nm-5000nm深處發(fā)生用X射線探測器探測表面微區(qū)存在的相應(yīng)元素（5）俄歇電子定義：入射電子在激發(fā)特征X射線過程中，若試樣中原子核

6、外內(nèi)層電子被激發(fā)，外層電子躍遷填補內(nèi)層空位時能量的釋放將相鄰的電子激發(fā)出去。（5）俄歇電子俄歇電子的能量在50~1500eV范圍內(nèi)，只有在距離表面1nm左右范圍內(nèi)的俄歇電子才能逸出表面適用于做表面成分分析如果樣品是薄膜，例如厚度為幾十至幾百納米，比入射電子的有效穿透深度小得多，就會有相當(dāng)數(shù)量的入射電子穿透樣品。電子的透射率隨散射體厚度的增加而減?。?）透射電子質(zhì)厚襯度效應(yīng)樣品上的不同微區(qū)無論是質(zhì)量還是厚度的差別，均可引起相應(yīng)區(qū)域透射電子強度的的改變，從而在圖像上形成亮暗不同的區(qū)域。由電子束穿過非晶體試樣各點的厚度不同而產(chǎn)生的由重金屬原子投影非晶體試樣引起的質(zhì)量差異而產(chǎn)生的質(zhì)厚襯度效

7、應(yīng)入射電子束通常都是波長恒定的單色平面波，照射到晶體樣品上時會與晶體物質(zhì)發(fā)生彈性相干散射，使之在一些特定的方向由于相位相同而加強，但在其他方向卻減弱，這種現(xiàn)象稱為衍射。由布拉格方程：d—樣品晶體的晶面間距；λ—入射電子波長；θ—入射束與晶面的掠射角衍射效應(yīng)衍射襯度效應(yīng)由于試樣各晶面相對入射束的取向不同而引起的衍射強度的差異