第5-電子與物質(zhì)的相互作用

1、第第3 3章章 電子與物質(zhì)的相互電子與物質(zhì)的相互作用作用 材料電子顯微分析材料電子顯微分析 材料電子顯微分析材料電子顯微分析 3.1 幾種基本信號及其應(yīng)用幾種基本信號及其應(yīng)用Transmission Electrons 彈性散射彈性散射非彈性散射非彈性散射電子的散射電子的散射3.2 電電子子與與物物質(zhì)質(zhì)的相互作用的相互作用v彈性散射彈性散射原子對入射電子的散射原子對入射電子的散射不僅改變不僅改變電電子的運動子的運動方向，而且使其能量減少方向，而且使其能量減少。則為非彈性散射。則為非彈性散射。 原子對入射電子的散射原子對入射電子的散射僅改變僅改變電子電子的運動的運動方向方向，而，而無能量無能量的

2、變化。的變化。稱為彈性散射。稱為彈性散射。非彈性散射非彈性散射v單個原子對單個原子對射電子的散射射電子的散射v1、原子核的散射、原子核的散射 彈性散射v彈性散射：僅彈性散射：僅改變方向，不改變能量。v UZerrUZenn或v 意意 義：義：彈性散射是電子衍射譜和電子彈性散射是電子衍射譜和電子v衍射像的基礎(chǔ)衍射像的基礎(chǔ) rn：瞄準(zhǔn)距離；：散射角； Ze：原子核電荷；U：加速電壓v 2、核外電子的散射、核外電子的散射 非彈性散射v非彈性散射：非彈性散射：即改變方向、又改變能量。UerrUeee或v意意 義義：電子在非彈性散射中損失的能量電子在非彈性散射中損失的能量v被轉(zhuǎn)換成熱、光、被轉(zhuǎn)換成熱、光

3、、X射線、二次電子發(fā)射等，射線、二次電子發(fā)射等，v電子的非彈性散射是掃描電鏡像、電子的非彈性散射是掃描電鏡像、v能譜分析、電子能量損失譜的基礎(chǔ)能譜分析、電子能量損失譜的基礎(chǔ)v結(jié)結(jié) 論：論：v1) 、彈性散射非彈性散射；v2)、彈性散射是TEM成像的基礎(chǔ)；v3)、非彈性散射引起色差和背底強度，降低圖像襯度。3.2.1 二次電子二次電子v入射電子激發(fā)樣品中原子的入射電子激發(fā)樣品中原子的外層價電外層價電子子，使之成為自由電子，并勉出樣品，使之成為自由電子，并勉出樣品表面。表面。 特點特點：對試樣：對試樣表面狀態(tài)表面狀態(tài)非常敏感非常敏感 試樣表面形貌分析試樣表面形貌分析，成象分辨率最高，成象分辨率最高

4、 逸 出 深 度逸 出 深 度 ： 試 樣 表 面： 試 樣 表 面 1 0 n m1 0 n m 層 內(nèi)層 內(nèi)（50eV50eV50eV，多與入射電子能多與入射電子能量相近：量相近：E E0 0） 數(shù)目與成分有關(guān)，成像分辨率較低數(shù)目與成分有關(guān)，成像分辨率較低 （可從試樣表面較深處射出，故發(fā)射廣度（可從試樣表面較深處射出，故發(fā)射廣度較大）較大）逸出深度逸出深度：距表面幾個微米深度范圍：距表面幾個微米深度范圍入射電子受彈性碰撞后，散射角入射電子受彈性碰撞后，散射角90的散射的散射電子電子。背散射電子的產(chǎn)額：背散射電子的產(chǎn)額：與樣品中原子的與樣品中原子的原子序數(shù)（原子序數(shù)（Z）有關(guān)。有關(guān)。Z大，背

5、散射電子的電子數(shù)量多。大，背散射電子的電子數(shù)量多。 背散射電子的信號背散射電子的信號即可以用來進(jìn)行即可以用來進(jìn)行形貌分析形貌分析， 也可用于也可用于成分分析成分分析二次電子和背散射電子的產(chǎn)額二次電子和背散射電子的產(chǎn)額與試樣原子序數(shù)的關(guān)系與試樣原子序數(shù)的關(guān)系1 1）背散射電子形貌襯度特點）背散射電子形貌襯度特點 用背散射信號進(jìn)行形貌分析時，其用背散射信號進(jìn)行形貌分析時，其分辨率遠(yuǎn)比分辨率遠(yuǎn)比二次電子低二次電子低。Why? 2 2）背散射電子原子序數(shù)襯度原理）背散射電子原子序數(shù)襯度原理 背散射電子產(chǎn)額背散射電子產(chǎn)額隨樣品中隨樣品中元素原子序數(shù)的增元素原子序數(shù)的增大而增加大而增加，因而樣品上，因而樣

6、品上原子序數(shù)較高原子序數(shù)較高的區(qū)域產(chǎn)生的區(qū)域產(chǎn)生較較強強的信號，在背散射電子像上顯示的信號，在背散射電子像上顯示較高的襯度較高的襯度這這樣就可以樣就可以根據(jù)根據(jù)背散射電子像亮暗襯度背散射電子像亮暗襯度來判斷相應(yīng)區(qū)來判斷相應(yīng)區(qū)域域原子序數(shù)的相對高低原子序數(shù)的相對高低，對金屬及其合金進(jìn)行定性，對金屬及其合金進(jìn)行定性的成分分析的成分分析。 3.2.3 特征特征X射線射線3.2.3 特征特征X X射線射線 定義：定義： 當(dāng)樣品原子的當(dāng)樣品原子的內(nèi)層電子內(nèi)層電子被入射電子激被入射電子激發(fā)或電離時，原子就會處于能量較高的激發(fā)狀發(fā)或電離時，原子就會處于能量較高的激發(fā)狀態(tài)，外層電子向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空缺，多于

7、態(tài)，外層電子向內(nèi)層躍遷填補內(nèi)層空缺，多于的能量以特征的能量以特征X X射線輻射出來。射線輻射出來。 特點特點：能量與試樣：能量與試樣原子殼層能級原子殼層能級有關(guān)有關(guān) 發(fā)射深度發(fā)射深度：較二次電子和背散射電子的逸出：較二次電子和背散射電子的逸出深度深。深度深。 由于不同原子具有由于不同原子具有不同的內(nèi)部不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，電子電子軌道之間的能量差軌道之間的能量差不同不同，所以輻射出的，所以輻射出的X-Ray光光子的子的波長不同波長不同 稱為稱為 特征特征X-Ray。TEM或或SEM中利用中利用能譜探頭能譜探頭接受特征接受特征X射射線做線做成分分析成分分析應(yīng)用：應(yīng)用：應(yīng)用應(yīng)用3.2.4 俄歇電子

8、俄歇電子俄歇俄歇電子電子產(chǎn)生產(chǎn)生3.2.4 俄歇電子俄歇電子 處于電離態(tài)的原子中的電子發(fā)生能級躍處于電離態(tài)的原子中的電子發(fā)生能級躍遷（退激）時，所釋放的能量使另一核遷（退激）時，所釋放的能量使另一核外電子被電離，并勉出樣品，此電子即外電子被電離，并勉出樣品，此電子即為俄歇電子。為俄歇電子。 特點特點：能量與試樣原子殼層能級有關(guān)：能量與試樣原子殼層能級有關(guān) 逸出深度逸出深度：在試樣表面：在試樣表面1nm層內(nèi)。層內(nèi)。 （適宜作（適宜作表層微區(qū)成分分析表層微區(qū)成分分析） 是俄歇能譜儀的檢測信號。是俄歇能譜儀的檢測信號。表面組成的分析表面組成的分析Ag-PdAg-Pd合金退火前后的合金退火前后的AES

9、AES譜譜a.a.退火前；退火前；b.700Kb.700K退火退火5min.5min.體相體相PdPd原子濃度為原子濃度為40%40%的的Ag-PdAg-Pd合金合金ArAr轟擊表面清潔處理后，由轟擊表面清潔處理后，由于于AgAg的濺射幾率較高，合金的濺射幾率較高，合金表面表面PdPd的相對濃度為的相對濃度為57%57%高溫退火后，合金穩(wěn)定的表高溫退火后，合金穩(wěn)定的表面組成為面組成為PdPd3232AgAg6868，表面為表面為AgAg富集。富集。晶界成分分析晶界成分分析 入射電子經(jīng)彈性散射和非彈性散射后，入射電子經(jīng)彈性散射和非彈性散射后，穿過樣品穿過樣品并攜帶有樣品的內(nèi)部信息。并攜帶有樣品的

10、內(nèi)部信息。3.2.5 透射電子透射電子 特點：能量高；成象分辨率較高。特點：能量高；成象分辨率較高。 穿透深度穿透深度： 1020nm。 透射電鏡中透射電鏡中成像和衍射成像和衍射的基本信號。的基本信號。 3.2.6 吸收電子吸收電子 入射電子經(jīng)多次非彈性散射后入射電子經(jīng)多次非彈性散射后能量損失殆盡而留在試樣中，稱能量損失殆盡而留在試樣中，稱為吸收電子為吸收電子。 特點：特點：由吸收電子產(chǎn)生的吸收電流隨試樣厚度和由吸收電子產(chǎn)生的吸收電流隨試樣厚度和原子序數(shù)的增大而增大。原子序數(shù)的增大而增大。（其（其圖象襯度圖象襯度恰與背反射電子圖象的相反）恰與背反射電子圖象的相反） 電子轟擊樣品表面時產(chǎn)生的發(fā)光

11、電子轟擊樣品表面時產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，光波波長在可見光范圍現(xiàn)象，光波波長在可見光范圍 。3.2.7 3.2.7 陰極熒光陰極熒光各種電子信號的能量與數(shù)目（強度） 在試樣表面上方接受到的電子譜在試樣表面上方接受到的電子譜 各種信號產(chǎn)生的深度和廣度v透射電子透射電子：vTEM、能量損失譜儀能量損失譜儀 結(jié)構(gòu)、組織、成結(jié)構(gòu)、組織、成分分析；分分析；v背散射電子、二次電子、吸收電子背散射電子、二次電子、吸收電子：vSEM 表面形貌觀察；表面形貌觀察；v特征特征X-Ray：能量色散譜儀（能量色散譜儀（EDS）、）、波波長分析譜儀（長分析譜儀（WDS） 成分分析；成分分析；v陰極熒光陰極熒光：熒光光譜儀熒光光譜儀 成分分析；成分分析；v