電子物理基礎(chǔ)

1、1材料分析技術(shù)材料分析技術(shù)主講主講 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 萬克樹萬克樹 副教授副教授 材料學(xué)院：材料學(xué)院： Room 515 答疑時間：單周周一上午答疑時間：單周周一上午 電話電話 52090670 2021年年10月月22日日信箱信箱 密碼密碼 southeastuniversity2第二章 電子束分析 物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ) 2學(xué)時 透射電鏡 4學(xué)時 掃描電鏡 2學(xué)時 X射線光電子能譜 2學(xué)時 俄歇電子能譜 2學(xué)時3電子束分析物理基礎(chǔ)目錄 歷史背景歷史背景 電子產(chǎn)生 電子控制：電子光學(xué) 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 電子探測4歷史背景1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。192

2、5年，德布羅意提出里電子的波動性。1931年魯斯卡發(fā)明創(chuàng)制了第一臺透射電子顯微鏡，并拍攝了金和銅的表面圖像，其放大倍數(shù)17倍。 （1939年，西門子公司生產(chǎn)出分辨本領(lǐng)優(yōu)于10nm的商品電子顯微鏡）1935年德國人Knoll提出掃描電鏡原理。 （1965年商品掃描電鏡）60年代開始超高壓TEM。5電子的波長mvhPheVmvE221)109788. 01 (25.126VV25.12V6加速電壓與電子波長的關(guān)系V (kV)(nm)V (kV)(nm)10.0388800.00418100.01221000.00370200.008592000.00251300.006985000.0014250

3、0.0053610000.000877目錄 歷史背景 電子產(chǎn)生電子產(chǎn)生 電子光學(xué) 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 探測器8電子產(chǎn)生 熱（2700K）激發(fā)電子, 陰極射線 （電壓）場激發(fā)電子熱電子和場電子主要用于電鏡的電子源 光（激發(fā)）電子光電子主要用于光電子分析的探測信號 電子激發(fā)電子詳見電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用9熱電子電子槍 加熱燈絲(W燈絲)或晶體(LaB6), 在燈絲尖端產(chǎn)生電子云 使用帶有光闌的陽極吸引電子, 并加速, 形成電子束 特征: 電子云直徑(發(fā)射源直徑)大, 需要大的聚焦 電子能量分布(色差)較大 低加速電壓時, 光闌遮擋了大量電子, 有效束流很小陰極陽極W絲或LaB610場發(fā)射電

4、子槍 使用強電場直接將電子從燈絲尖端拉出 特征: 發(fā)射源直徑即燈絲尖端直徑, 比W燈絲小103量級. 因此要求的聚焦倍數(shù)小. 電子能量分布(色差)非常小. 電子束亮度大, 比W燈絲大 103量級. 因此可以實現(xiàn)更小的成象束斑和低加速電壓下成象.W/ZrO2發(fā)射極陽極(提取極)抑制極真實電子源11場發(fā)射電子槍 冷場發(fā)射槍：陰極為單晶鎢絲，尖端半徑約100nm，陰極尖附近的電場可達103V/um, 不必加熱可發(fā)射電子。肖特基）場發(fā)射電子槍：陰極為ZrO/W，工作時需要加熱到1800K。12電子槍特性比較燈絲材料鎢絲LaB6晶體鎢絲鎢絲表面鍍ZrO2工作溫度2700K2000K300K1800K尖端

5、半徑100um10um0.1um0.5um(虛擬)發(fā)射源直徑104nm104nm3nm20nm陽極電場很小104V/cm107108V/cm106107V/cm13電子槍特性比較亮度1051061071095x1081nm束斑電流0.1 pA1 pA1001000 pA500 pA最大束流1000 nA1000 nA3 nA300 nA能量分辨率(最小)1.5 eV0.8 eV0.26 eV0.30 eV能量分辨率(3nA束流) 2.0 eV1.0 eV0.7 eV0.5 eVFlashingNeverNeverEvery few HoursNever14目錄 歷史背景 電子產(chǎn)生 電子控制：電

6、子光學(xué)電子控制：電子光學(xué) 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 探測器15幾何光學(xué)透鏡使光線聚焦旋轉(zhuǎn)對稱面焦點、焦距、物距、像距電子光學(xué)電磁透鏡（電場和磁場）旋轉(zhuǎn)對稱的電場或磁場產(chǎn)生的等位面焦點、焦距、物距、像距聚焦折射面光學(xué)參量16電子在靜電場中的運動 電場對電子作用力的方向總是沿著電子所處的等電位面的法線，從低電位指向高電位 電子沿等電位面切線方向電場力的分量為零，即 v1sin =v2sin電子在等電位面的折射B等電位面AV1V2v1v217電子在靜電場中的運動因為：v=(2eV/m)1/2 v1sin =v2sin所以有： sin /sin =(V2/V1)1/2=n n折射率折射率電場中等電位面

7、是對電子折射率相同的表面；電場中等電位面是對電子折射率相同的表面；當(dāng)電子由低電位區(qū)進入高電位區(qū)時，電子的運動軌當(dāng)電子由低電位區(qū)進入高電位區(qū)時，電子的運動軌跡趨向于法線跡趨向于法線18靜電透鏡 靜電透鏡：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對稱的等電位面簇的裝置 它可使電子束聚焦成像 有二極式、三極式1920靜電透鏡的特點 總是會聚透鏡 需要很強的電場，在鏡筒中易導(dǎo)致?lián)舸┖突」夥烹?焦距不能太短 在電子顯微鏡中，用于電子槍中使電子束會聚21電子在磁場中的運動 電荷在磁場中運動時受到磁場的作用力洛侖茲力 F=qvB V與B同向，F(xiàn)為0，電子作勻速運動 V與B垂直，電子運動速度的大小不變，只改變方向，電子在與磁場垂直的平面內(nèi)作

8、勻速圓周運動 V與B斜交成一定角度時，電子的軌跡是一螺旋線22磁透鏡 旋轉(zhuǎn)對稱的磁場對電子束有聚焦成像作用。 電子光學(xué)系統(tǒng)中，用于使電子束聚焦的磁場是非勻強磁場，其等磁位面形狀與靜電透鏡的等電位面或光學(xué)玻璃透鏡的界面相似 磁透鏡：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對稱磁場的線圈裝置 短線圈：簡單磁透鏡，磁場強度小，焦距長，物與像都在場外 包殼磁透鏡：環(huán)狀間隙處有較強的磁場 極靴磁透鏡 （電鏡中使用）：極靴附近磁場很強，對電子的折射能力大，透鏡焦距短23電子穿過透鏡磁場時，速度不變，方向連續(xù)偏轉(zhuǎn)，形成復(fù)雜的空間軌道圓錐螺旋近軸運動。24磁透鏡的特點 分辯本領(lǐng)大 場深（景深）大 焦深長 焦距總是正的，總是會聚透鏡 改變激磁

9、電流，焦距和放大倍數(shù)變化，因此，磁透鏡是可變焦距或可變放大倍率的會聚透鏡25磁透鏡的焦距和放大倍數(shù) 磁透鏡的物距、像距、焦距、放大倍數(shù)之間的關(guān)系為： 磁透鏡的焦距 式中：k常數(shù) V加速電壓 (IN)安匝數(shù) I通過線圈導(dǎo)線的電流， N線圈每cm長度的圈數(shù)fvu111ffvfufuvM2)(INVkf 26磁透鏡和靜電透鏡比較磁透鏡靜電透鏡1. 改變線圈中的電流可方便控制焦距和放大率；2. 無擊穿，供給磁透鏡線圈的電壓為60-100V；3. 像差小。1. 需改變很高的加速V才可改變焦距和放大率；2. 靜電透鏡需數(shù)萬伏電壓，常會引起擊穿；3. 像差較大。27像差 由于電磁透鏡并不完全滿足理想的成像條

10、件，從物面上一點散射出的電子束并不一定全部會聚在一點，或者物面上的各點并不按比例成像于同一平面內(nèi)，結(jié)果圖像模糊不清，或者與原有的幾何形狀不完全相似，這種現(xiàn)象稱為像差28磁透鏡的主要像差 球差 由于電磁透鏡磁場的近軸區(qū)和遠軸區(qū)對電子束的會聚能力不同造成 玻璃光學(xué)來說：因為透鏡是球面而無法理想聚焦，由于凹凸鏡球差性質(zhì)相反，可以組合消除球差。 色差 由于成像電子的波長（能量）不同引起的一種像差 組合不同的焦距的透鏡來減小色差，改變電流 軸上像散 由于磁透鏡不是理想的旋轉(zhuǎn)對稱的磁場引起的像差 縮小光闌2930電磁透鏡的場深（景深）和焦深（焦長） 理想情況下，只有物平面和焦平面 場深（景深） 在不影響透

11、鏡的成像分辨率的前提下，物平面可沿透鏡軸移動的距離 反映了試樣可在物平面上、下沿透鏡軸移動的距離 焦深 在不影響透鏡的成像分辨率的前提下，像平面可沿透鏡軸移動的距離 反映了觀察屏或照相底板可在像平面上、下沿透鏡軸移動的距離3132高景深大焦長的優(yōu)點 對于一定的光源來講，孔徑半角越小，景深越大；。對于電磁透鏡來講，都很小，一般為10-210-3 rad，所以電磁透鏡的景深很大，為Df=(2002000)r0；如果電磁透鏡的分辨本領(lǐng)是0.1nm，景深20200nm。 電磁透鏡的景深大，對于圖像的記錄是非常有利的。 同理，電磁透鏡的焦深大，對于圖像的聚焦操作（尤其是高放大倍數(shù)下）是非常有利的。33目

12、錄 歷史背景 電子產(chǎn)生 電子控制：電子光學(xué) 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 探測器34電子與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種信號 二次電子 俄歇電子 特征能量損失電子 背散射電子 透射電子 吸收電子 等等35電子散射 當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射入試樣內(nèi)時，在原子的庫侖電場作用下，入射電子方向或者速度改變，稱為散射 原子對電子的散射分為： 彈性散射：電子只改變方向，能量基本不變 非彈性散射：方向改變，能量減小36電子散射 原子對電子的散射分為： 原子核對電子的彈性散射 彈性散射電子的能量等于或接近入射電子的能量，是透射電鏡中成像和衍射的基礎(chǔ) 原子核對電子的非彈性散射 能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，無

13、特征波長，形成連續(xù)輻射，影響分析的靈敏度和準確度 核外電子對電子的非彈性散射 單電子激發(fā)、等離子激發(fā)、聲子激發(fā)，躍遷37單電子激發(fā)-二次電子 入射電子和原子的核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或脫離原子核成為二次電子，這種單電子激光得過程又稱為電離 入射電子在試樣內(nèi)產(chǎn)生二次電子是一個級聯(lián)過程。 一個能量為20KeV的入射電子在硅中可產(chǎn)生約3000個二次電子，但并不是所有的二次電子都能逸出樣品表面38單電子激發(fā)-二次電子 二次電子的特點 能量較低，小于50eV 僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生 逸出時需克服幾個eV的逸出功 對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，顯示表面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)非常有效 SEM中的主要成

14、像信號39等離子激發(fā) 晶體是處于點陣固定位置的正離子和彌散在整個空間的價電子云組成的電中性體，因此，可以把晶體看作是等離子體 入射電子會引起價電子的集體震蕩 入射電子經(jīng)過晶體時，其路徑旁的價電子受斥作徑向發(fā)散運動，在路經(jīng)附近產(chǎn)生帶正電的區(qū)域及較遠處的帶負電區(qū)域40等離子激發(fā)-特征能量損失電子 等離子振蕩的波長較長，一般超過100nm，價電子集體振蕩的能量是量子化的, 約十幾eV 入射電子激發(fā)等離子后損失能量 E， E隨不同元素及成分而異，為特征能量損失，損失能量后的電子稱為特征能量損失電子。元素BeMgAlGeCSiMgO EpeV19.010.515.616.57.51710.541等離子激

15、發(fā) 在TEM中，可以用能量分析器把具有不同能量的透射電子分開，得到電子能量損失譜，進行成分分析；也可選擇有特征能量的電子成像42聲子激發(fā) 電子入射進入晶體時，引起一個或多個被碰撞的原子或離子反沖，導(dǎo)致晶格的局部振動。入射電子會損失部分能量（很小，約零點幾個eV）。當(dāng)晶格回復(fù)到原來狀態(tài)時，以聲子發(fā)射的形式將能量釋放出來，這種現(xiàn)象稱為聲子激發(fā) 入射電子與晶格的作用可以看作是電子激發(fā)聲子或吸收聲子的碰撞過程，碰撞后入射電子的能量變化甚微，但動量改變可以相當(dāng)大，可以發(fā)生大角度的散射43躍遷 內(nèi)層電子被運動的電子轟擊脫離了原子后，原子處于高度激發(fā)態(tài)，它將躍遷到能量較低的狀態(tài)。 可以是輻射躍遷（特征X射線

16、發(fā)射，陰極射線熒光），也可以是非輻射躍遷（俄歇電子發(fā)射）。44背散射電子 定義 電子射入試樣后，受到原子的彈性和非彈性散射，有部分電子的總散射角大于90 ，重新從試樣表面逸出，稱為背散射電子，這個過程稱為背散射45背散射電子 彈性背散射電子、單次非彈性散射電子、多次非彈性散射電子46背散射電子 因能量探測器只能區(qū)分不同能量的電子，所以，習(xí)慣上把能量低于50eV的電子稱為二次電子，能量大于50eV的電子歸為背散射電子 在掃描電鏡和電子探針儀中可應(yīng)用背散射電子成像，稱為背散射電子像（Back-scattered Electron Image，BEI），利用二次電子成像，稱為二次電子像（Second

17、 Electron Image, SEI)47背散射電子產(chǎn)額 背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增大而增大48BEI的特點 襯度與成分密切相關(guān)，可進行成分的定性、定量分析 BEI的分辨率較低49BSESESEI和BEI比較50透射電子 當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時，入射電子將穿透試樣，從另一表面射出，成為透射電子 透射電子主要是彈性散射電子 透射電子是透射電子顯微鏡（TEM）的成像信號51吸收電子 入射電子經(jīng)多次非彈性散射后能量損失殆盡，不再產(chǎn)生其它效應(yīng)，一般稱為被試樣吸收，這種電子稱為吸收電子 試樣的厚度越大，密度越大，原子序數(shù)越大，吸收電子越多，吸收電流就越大5253 在電子與固體相互作用過

18、程中，會產(chǎn)生大量的二次電子，均包含有相關(guān)信息； 彈性散射電子，俄歇電子，能量損失電子，二次電子等； 能量損失又可分為特征損失和非特征損失； 俄歇電子的信號很弱；54電子與物質(zhì)的相互作用體積 入射電子射入試樣后經(jīng)多次的散射后完全失掉方向性，向各個方向散射的幾率相同，稱為擴散或漫散射。電子與物質(zhì)的相互作用有一定的體積范圍，此范圍稱為相互作用體積5556電子與物質(zhì)的相互作用體積 對于輕元素，相互作用體積呈梨形；對于重元素，相互作用體積呈半球形 入射電子能量只改變相互作用體積的大小，形狀基本不變 相互作用體積的形狀和大小決定了各種物理信號產(chǎn)生的深度和廣度5758俄歇電子僅在表面1nm層產(chǎn)生，適用于表面

19、分析二次電子在表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生，其發(fā)射的深度和廣度與入射電子束的直徑相差無幾。SEM成像的各種信號中，SEI具有最高的分辨率背散射電子能量較高，可從試樣表面較深處射出，BEI的分辨率比SEI低得多，取決于入射電子能量和試樣原子序數(shù)X射線信號產(chǎn)生的深度和廣度范圍較大。對于特征X射線，只有能量大于Ek的電子才可能激發(fā)特征X射線。對于連續(xù)輻射，只要電子能量大于0就可以激發(fā)59目錄 歷史背景 電子產(chǎn)生 電子控制：電子光學(xué) 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 探測器探測器60熒光屏電子感光相紙多通道板位置靈敏檢測器光電倍增管 原理是當(dāng)一個電子進入到倍增管內(nèi)壁與表面材料發(fā)生碰撞會產(chǎn)生多個二次電子，多次碰撞就可以達到放大的目的；采用高阻抗，高二次電子發(fā)射材料，增益：109探測器探測器61總結(jié) 歷史背景了解了解 電子產(chǎn)生掌握掌握 電子光學(xué) 掌握掌握 電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用 重點掌握重點掌握 電子探測 了解了解62思考題 電子波長由什么決定？U 什么是靜電透鏡和磁透鏡？各有什么特點？各用于電鏡中的什么位置？ 靜電透鏡：需要很強的電場，在鏡筒中易導(dǎo)致?lián)舸┖突」夥?/p>