材料分析方法13 粒子(束)與材料的相互作用

1、 在材料現(xiàn)代分析方法中，電子束是一種常用的入射激發(fā)源在材料現(xiàn)代分析方法中，電子束是一種常用的入射激發(fā)源之一。入射電子（又稱為初始或一次電子）照射固體時(shí)與固體之一。入射電子（又稱為初始或一次電子）照射固體時(shí)與固體中粒子相互作用，它包括：中粒子相互作用，它包括： 入射電子的散射入射電子的散射 入射電子對(duì)固體的激發(fā)入射電子對(duì)固體的激發(fā) 受激發(fā)粒子在固體種的傳播受激發(fā)粒子在固體種的傳播電子散射源于庫(kù)侖相互作用，它不同于光子在固體種的散射。電子散射源于庫(kù)侖相互作用，它不同于光子在固體種的散射。 散射散射入射電子照射固體時(shí)將與固體中的電子、原子核入射電子照射固體時(shí)將與固體中的電子、原子核等作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象

2、。與輻射的散射一樣，電子散射同樣有等作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。與輻射的散射一樣，電子散射同樣有彈性和非彈性散射之分。彈性和非彈性散射之分。3.1 3.1 電子束與材料的相互作用電子束與材料的相互作用 設(shè)原子的質(zhì)量為設(shè)原子的質(zhì)量為M ，質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和）為，質(zhì)量數(shù)（質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和）為A，碰撞，碰撞前原子處于靜止?fàn)顟B(tài)。電子質(zhì)量與原子質(zhì)量的比值為前原子處于靜止?fàn)顟B(tài)。電子質(zhì)量與原子質(zhì)量的比值為me/M=1/1836A.v 根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定理，入射電子與原子（核）碰撞后的最大根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定理，入射電子與原子（核）碰撞后的最大能量損失可表示為能量損失可表示為 （1） 式中：式中：E0 入射

3、的電子能量；入射的電子能量； 半散射角，散射角（半散射角，散射角（2）即散射電子運(yùn)動(dòng)方向與入射方向）即散射電子運(yùn)動(dòng)方向與入射方向之間的夾角。之間的夾角。 以以100keV的電子為例，對(duì)于小角度散射（的電子為例，對(duì)于小角度散射（ 5），電子的能量），電子的能量損失在損失在10-310-1eV的范圍；對(duì)于背散射電子（的范圍；對(duì)于背散射電子（/2）,能量損失可以能量損失可以達(dá)到幾個(gè)達(dá)到幾個(gè)eV?？梢?jiàn)電子的能量損失入射能量相比，完全可以忽略。因?？梢?jiàn)電子的能量損失入射能量相比，完全可以忽略。因此，原子核對(duì)電子的散射一般情況下均可視為彈性散射。此，原子核對(duì)電子的散射一般情況下均可視為彈性散射。203ma

4、xsin1017.2AEE1.1.彈性散射彈性散射 非彈性散射非彈性散射當(dāng)入射電子與原子中電子的作用稱當(dāng)入射電子與原子中電子的作用稱為主要過(guò)程時(shí)，由于作用粒子的質(zhì)量相同，散射后入射為主要過(guò)程時(shí)，由于作用粒子的質(zhì)量相同，散射后入射電子的能量發(fā)生顯著變化的過(guò)程。電子的能量發(fā)生顯著變化的過(guò)程。 在非彈性散射過(guò)程中，入射電子把部分能量轉(zhuǎn)移給在非彈性散射過(guò)程中，入射電子把部分能量轉(zhuǎn)移給原子，引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象。原子，引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象。因?yàn)檫@些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為因?yàn)檫@些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果，所以稱為電子激發(fā)。電子激發(fā)是非電磁輻射

5、激發(fā)的一種形式。電子激發(fā)。電子激發(fā)是非電磁輻射激發(fā)的一種形式。2.2.非彈性散射非彈性散射入射電子被原子核散射時(shí)，散射角入射電子被原子核散射時(shí)，散射角2的大小與瞄準(zhǔn)距離（電子入射的大小與瞄準(zhǔn)距離（電子入射方向與原子核的距離）方向與原子核的距離）rn 、原子核電荷、原子核電荷Ze以及入射電子的加速電壓以及入射電子的加速電壓V有關(guān)。如圖所示，其關(guān)系為有關(guān)。如圖所示，其關(guān)系為 或或 （2） 由上式可知，當(dāng)入射電子作用在以原子核為中心、由上式可知，當(dāng)入射電子作用在以原子核為中心、rn 為半徑的圓為半徑的圓內(nèi)時(shí)將被散射到大于內(nèi)時(shí)將被散射到大于2的角度以外，故可用的角度以外，故可用rn2(以原子核為中心，

6、以原子核為中心，rn 為半徑的圓的面即為半徑的圓的面即)來(lái)衡量一個(gè)孤立原子核把入射電子散射到大于來(lái)衡量一個(gè)孤立原子核把入射電子散射到大于2角度以外的能力。由于電子與原子核的作用表現(xiàn)為彈性散射，故將角度以外的能力。由于電子與原子核的作用表現(xiàn)為彈性散射，故將rn2叫做彈性散射截面，用叫做彈性散射截面，用n表示。表示。nVrZe2)2(VZern3. 3. 散射截面散射截面當(dāng)入射電子與核外電子作用時(shí)，散射角為：當(dāng)入射電子與核外電子作用時(shí)，散射角為： 或或 （3） 同理，可用同理，可用re2(re是入射電子對(duì)核外電子的瞄準(zhǔn)距離是入射電子對(duì)核外電子的瞄準(zhǔn)距離)來(lái)衡量一個(gè)來(lái)衡量一個(gè)孤立何外電子把入射電子散

7、射到孤立何外電子把入射電子散射到2角以外的能力，并稱角以外的能力，并稱re2為核外電為核外電子的非彈性散射截面，用子的非彈性散射截面，用e表示。表示。 對(duì)一個(gè)原子序數(shù)為對(duì)一個(gè)原子序數(shù)為Z的孤立原子，彈性散射截面為的孤立原子，彈性散射截面為n，非彈性散，非彈性散射截面則為所有核外電子非彈性散射截面之和射截面則為所有核外電子非彈性散射截面之和Ze。由式（。由式（2）與式）與式（3）可得）可得n/Ze=Z.因此，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越因此，原子序數(shù)越高，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大。大。eVre2)2(Vere 由于庫(kù)侖相互作用，入射電子在固體中的散射比由于庫(kù)侖相互作用，入射電子在固體中的

8、散射比X射線強(qiáng)得多。射線強(qiáng)得多。同樣固體對(duì)電子的同樣固體對(duì)電子的“吸收吸收”比對(duì)比對(duì)X射線的吸收快得多。射線的吸收快得多。 隨著激發(fā)次數(shù)的增多，入射電子的動(dòng)能逐漸減小，最終被固體隨著激發(fā)次數(shù)的增多，入射電子的動(dòng)能逐漸減小，最終被固體吸收（束縛）。吸收（束縛）。 電子吸收主要指由于電子能量衰減而引起的強(qiáng)度（電子數(shù)）衰電子吸收主要指由于電子能量衰減而引起的強(qiáng)度（電子數(shù)）衰減，顯然不同于減，顯然不同于X射線的射線的“真吸收真吸收”。 電子被吸收時(shí)所達(dá)到的深度稱為最大傳入深度（電子被吸收時(shí)所達(dá)到的深度稱為最大傳入深度（R）. 在不同固體中，電子激發(fā)過(guò)程有差別，多數(shù)情況下激發(fā)二次電在不同固體中，電子激發(fā)

9、過(guò)程有差別，多數(shù)情況下激發(fā)二次電子是入射電子能量損失的主要過(guò)程。子是入射電子能量損失的主要過(guò)程。 單位入射深度電子能量變化（單位入射深度電子能量變化（dE/dz）與入射深度（）與入射深度（z）的關(guān)系）的關(guān)系如圖所示。曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為入射電子的最大深度。如圖所示。曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為入射電子的最大深度。4 4電子吸收電子吸收v 彈性散射和非彈性散射同時(shí)發(fā)生，前者使電子偏離原來(lái)方向彈性散射和非彈性散射同時(shí)發(fā)生，前者使電子偏離原來(lái)方向引起電子在固體中擴(kuò)散；后者使電子能量逐漸減小，直至被固體引起電子在固體中擴(kuò)散；后者使電子能量逐漸減小，直至被固體吸收，從而限制了電子在固體中的擴(kuò)散范圍，這個(gè)范圍

10、稱為電子吸收，從而限制了電子在固體中的擴(kuò)散范圍，這個(gè)范圍稱為電子在固體中的作用區(qū)。在固體中的作用區(qū)。v 掃描電子顯微鏡和其它相關(guān)分析技術(shù)檢測(cè)的各種信號(hào)和輻射掃描電子顯微鏡和其它相關(guān)分析技術(shù)檢測(cè)的各種信號(hào)和輻射正是來(lái)自這個(gè)作用區(qū)。正是來(lái)自這個(gè)作用區(qū)。 1.1.電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào)電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào)入射電子與固體作用區(qū)及其固體作用產(chǎn)生的信號(hào)可用圖簡(jiǎn)單描述。入射電子與固體作用區(qū)及其固體作用產(chǎn)生的信號(hào)可用圖簡(jiǎn)單描述。I0是入射電子流是入射電子流，單位是，單位是A。描述入射電子的另一個(gè)物理量是電。描述入射電子的另一個(gè)物理量是電子束流密度，單位是子束流密度，單位是A/cm2。在強(qiáng)聚焦的情況下，電

11、子束流密度很。在強(qiáng)聚焦的情況下，電子束流密度很高，而總的電子流往往很小。高，而總的電子流往往很小。 IR背散射電子流背散射電子流，它是入射電子與固體作用后又離開固體的總電子流。背它是入射電子與固體作用后又離開固體的總電子流。背散射電子主要有兩部分組成，一部分是被樣品表面原子反射回來(lái)的入射電子，散射電子主要有兩部分組成，一部分是被樣品表面原子反射回來(lái)的入射電子，另一部分是入射電子進(jìn)入固體后通過(guò)散射連續(xù)改變前進(jìn)方向，最后又從樣品表另一部分是入射電子進(jìn)入固體后通過(guò)散射連續(xù)改變前進(jìn)方向，最后又從樣品表面發(fā)射出去的入射電子。前者一般沒(méi)有能量損失，稱為彈性背散射電子；后者面發(fā)射出去的入射電子。前者一般沒(méi)有

12、能量損失，稱為彈性背散射電子；后者通常有能量損失，稱為非彈性背散射電子。背散射電子的最大信息深度約為電通常有能量損失，稱為非彈性背散射電子。背散射電子的最大信息深度約為電子最大深度的一半。子最大深度的一半。 IS表示二次電子流表示二次電子流，它包括入射電子從固體中直接擊出的原子核外電子和它包括入射電子從固體中直接擊出的原子核外電子和激發(fā)態(tài)原子退回基態(tài)（退激發(fā)）時(shí)產(chǎn)生的電子發(fā)射（如俄歇電子）。前者稱為激發(fā)態(tài)原子退回基態(tài)（退激發(fā)）時(shí)產(chǎn)生的電子發(fā)射（如俄歇電子）。前者稱為（真）二次電子，它們的能量較低，強(qiáng)度按能量連續(xù)分布；后者稱為特征二次（真）二次電子，它們的能量較低，強(qiáng)度按能量連續(xù)分布；后者稱為特

13、征二次電子，它們的能量取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，取一些分立的能量值。當(dāng)背散電子，它們的能量取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu)，取一些分立的能量值。當(dāng)背散射電子返回到樣品表面層，并具有足夠的能量繼續(xù)產(chǎn)生電子激發(fā)時(shí)，對(duì)二次電射電子返回到樣品表面層，并具有足夠的能量繼續(xù)產(chǎn)生電子激發(fā)時(shí)，對(duì)二次電子發(fā)射也有貢獻(xiàn)。子發(fā)射也有貢獻(xiàn)。 從表面發(fā)射出去的二次電子流與入射電子流的比值（從表面發(fā)射出去的二次電子流與入射電子流的比值（IS/ I0）稱為二次電）稱為二次電子產(chǎn)額，用子產(chǎn)額，用表示。表示。圖中表示二次電子產(chǎn)額與入射電子能量和入射角（入射束圖中表示二次電子產(chǎn)額與入射電子能量和入射角（入射束與樣品表面法線的夾角與樣品表

14、面法線的夾角）的普遍關(guān)系。在某一能量范圍內(nèi)（）的普遍關(guān)系。在某一能量范圍內(nèi)（Ec1E Ec2）二）二次電子產(chǎn)額大于次電子產(chǎn)額大于1，隨著，隨著的增大二次電子產(chǎn)額曲線的極大值增大，并向高能的增大二次電子產(chǎn)額曲線的極大值增大，并向高能方向推移。對(duì)于多數(shù)固體材料，在適當(dāng)?shù)娜肷潆娮幽芰亢腿肷浣窍拢坞娮臃较蛲埔?。?duì)于多數(shù)固體材料，在適當(dāng)?shù)娜肷潆娮幽芰亢腿肷浣窍?，二次電子產(chǎn)額都可能大于產(chǎn)額都可能大于1，氧化鎂的二次電子產(chǎn)額可以高達(dá)，氧化鎂的二次電子產(chǎn)額可以高達(dá)22。 IX表示電子激發(fā)誘導(dǎo)的表示電子激發(fā)誘導(dǎo)的X射線輻射強(qiáng)度。射線輻射強(qiáng)度。在入射電子發(fā)生非彈性散射在入射電子發(fā)生非彈性散射過(guò)程中，過(guò)程中，X

15、射線通過(guò)兩種截然不同的過(guò)程產(chǎn)生。射線通過(guò)兩種截然不同的過(guò)程產(chǎn)生。入射電子在原子實(shí)（原入射電子在原子實(shí)（原子核和束縛電子，即失去價(jià)電子的正離子）的庫(kù)侖場(chǎng)中減速，產(chǎn)生能量連子核和束縛電子，即失去價(jià)電子的正離子）的庫(kù)侖場(chǎng)中減速，產(chǎn)生能量連續(xù)的續(xù)的X射線，其能量從射線，其能量從0延伸到入射電子能量值。延伸到入射電子能量值。當(dāng)電子激發(fā)使原子內(nèi)層當(dāng)電子激發(fā)使原子內(nèi)層電離，外層電子跳到內(nèi)層填充空穴，這個(gè)躍遷過(guò)程伴隨著能量的變化，原電離，外層電子跳到內(nèi)層填充空穴，這個(gè)躍遷過(guò)程伴隨著能量的變化，原子以發(fā)射特征子以發(fā)射特征X射線或一個(gè)俄歇電子的形式釋放能量。射線或一個(gè)俄歇電子的形式釋放能量。X射線在樣品中可射線在

16、樣品中可以進(jìn)一步產(chǎn)生激發(fā)，例如對(duì)多元素固體樣品，當(dāng)以進(jìn)一步產(chǎn)生激發(fā)，例如對(duì)多元素固體樣品，當(dāng)X射線光子能量大于某元射線光子能量大于某元素的電離能時(shí)，該元素原子吸收素的電離能時(shí)，該元素原子吸收X射線，發(fā)射射線，發(fā)射X射線熒光（二次特征射線熒光（二次特征X射線，射線，第二章第二節(jié)）。第二章第二節(jié)）。X射線熒光的發(fā)射體積取決于樣品對(duì)入射電子和射線熒光的發(fā)射體積取決于樣品對(duì)入射電子和X射線射線的吸收，可以超出如圖所示的電子作用區(qū)。的吸收，可以超出如圖所示的電子作用區(qū)。 IE表示表面元素發(fā)射的總強(qiáng)度。表示表面元素發(fā)射的總強(qiáng)度。盡管在材料分析中入射電子的能量不足盡管在材料分析中入射電子的能量不足以把固體原

17、子直接擊出，但電子激發(fā)可能引起一些固體的表面原子電離，以把固體原子直接擊出，但電子激發(fā)可能引起一些固體的表面原子電離，使表面元素活化乃至解吸，這種現(xiàn)象又稱為電子輻射分解。電子束可引起使表面元素活化乃至解吸，這種現(xiàn)象又稱為電子輻射分解。電子束可引起部分氧化物、多數(shù)氟化物和幾乎所有的有機(jī)物的輻照分解。部分氧化物、多數(shù)氟化物和幾乎所有的有機(jī)物的輻照分解。 IA為樣品吸收電流。為樣品吸收電流。入射電子在固體中傳播時(shí)，能量逐漸減入射電子在固體中傳播時(shí)，能量逐漸減小，最后失去全部動(dòng)能，被樣品小，最后失去全部動(dòng)能，被樣品“吸收吸收”。 IT為透射電子流。為透射電子流。當(dāng)樣品的厚度小于入射電子的平均穿入深當(dāng)樣

18、品的厚度小于入射電子的平均穿入深度時(shí)，有一部分入射電子穿過(guò)樣品，在樣品的背面被接收或檢測(cè)。度時(shí)，有一部分入射電子穿過(guò)樣品，在樣品的背面被接收或檢測(cè)。 所有這些發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度均與固體材料的結(jié)構(gòu)、成分、表面所有這些發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度均與固體材料的結(jié)構(gòu)、成分、表面狀態(tài)等性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)受入射電子的能量和入射角的影響。對(duì)導(dǎo)狀態(tài)等性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)受入射電子的能量和入射角的影響。對(duì)導(dǎo)電樣品（接地），如果忽略透射方向的二次電子發(fā)射和表面元素電樣品（接地），如果忽略透射方向的二次電子發(fā)射和表面元素脫附對(duì)樣品總電荷的影響，上述電子信號(hào)之間滿足脫附對(duì)樣品總電荷的影響，上述電子信號(hào)之間滿足TASR0IIIII（4）v入射電

19、子、二次電子和背散射電子在固體中傳播時(shí)不斷經(jīng)受非入射電子、二次電子和背散射電子在固體中傳播時(shí)不斷經(jīng)受非彈性散射，相繼兩次非彈性散射之間電子所經(jīng)過(guò)的平均路程稱為彈性散射，相繼兩次非彈性散射之間電子所經(jīng)過(guò)的平均路程稱為電子非彈性散射平均自由程，用電子非彈性散射平均自由程，用e表示。表示。v非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個(gè)重要非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個(gè)重要物理量，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量有關(guān)。物理量，它與材料的組成、結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量有關(guān)。v對(duì)單元素固體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)單元素固體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) （單原子層密度）（單原子層密度） （5）式中：式中：E

20、 電子的能量（電子的能量（keV）；）； a 固體的單原子層密度（固體的單原子層密度（nm）。）。aEEe41.053822. 2. 電子非彈性散射平均自由程和信息深度電子非彈性散射平均自由程和信息深度v對(duì)于無(wú)機(jī)和有機(jī)固體材料，上式分別變?yōu)閷?duì)于無(wú)機(jī)和有機(jī)固體材料，上式分別變?yōu)?（單原子層密度）（單原子層密度） （6） （mg/） （7） 式中：式中：a 平均單原子層密度（平均單原子層密度（nm）。）。 式（式（5）和式（）和式（6）單位為單原子層厚度，乘以）單位為單原子層厚度，乘以a的長(zhǎng)度單位；式（的長(zhǎng)度單位；式（7）單）單 位為質(zhì)量厚度，除以密度的長(zhǎng)度單位。位為質(zhì)量厚度，除以密度的長(zhǎng)度單位。

21、v 在各向同性的固體中，而且在沒(méi)有外場(chǎng)的條件下，二次電子從它產(chǎn)生處在各向同性的固體中，而且在沒(méi)有外場(chǎng)的條件下，二次電子從它產(chǎn)生處向各個(gè)方向傳播的幾率相同。由于散射作用，二次電子在傳播過(guò)程中能量不向各個(gè)方向傳播的幾率相同。由于散射作用，二次電子在傳播過(guò)程中能量不斷減小，而且運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律斷減小，而且運(yùn)動(dòng)方向不斷改變，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律e-z/e衰減，衰減，z是從表面垂是從表面垂直向體內(nèi)測(cè)量的距離。因此，從表面發(fā)射出去的二次電子僅是所有二次電子直向體內(nèi)測(cè)量的距離。因此，從表面發(fā)射出去的二次電子僅是所有二次電子的一部分。的一部分。v 和光電子一樣，二次電子在不同純金屬固體中的逸出深度不

22、同，當(dāng)二次和光電子一樣，二次電子在不同純金屬固體中的逸出深度不同，當(dāng)二次電子沿表面法向向外傳播時(shí)，逸出深度近似等于非彈性散射平均自由程。電子沿表面法向向外傳播時(shí)，逸出深度近似等于非彈性散射平均自由程。aEEe72.021702EEe11.0492如果收集紀(jì)錄背散射電子和二次電子就得到如圖所示的電子能譜，即電如果收集紀(jì)錄背散射電子和二次電子就得到如圖所示的電子能譜，即電子發(fā)射強(qiáng)度按能量的分布。這些電子攜帶著固體材料的特定信息，如有關(guān)子發(fā)射強(qiáng)度按能量的分布。這些電子攜帶著固體材料的特定信息，如有關(guān)化學(xué)成分、原子排列和電子結(jié)構(gòu)等的信息，相應(yīng)地就產(chǎn)生了各種分析研究化學(xué)成分、原子排列和電子結(jié)構(gòu)等的信息，

23、相應(yīng)地就產(chǎn)生了各種分析研究方法。方法。 （1）能譜的低能端隆起的峰由真二次電子（能量）能譜的低能端隆起的峰由真二次電子（能量50eV）構(gòu)成。用掃描）構(gòu)成。用掃描電子顯微鏡作表面形貌觀測(cè)時(shí)就是收集這部分電子并用來(lái)成像電子顯微鏡作表面形貌觀測(cè)時(shí)就是收集這部分電子并用來(lái)成像 。 （2）在中間平滑背底上疊加著一些小峰，它們對(duì)應(yīng)俄歇電子峰或者入射）在中間平滑背底上疊加著一些小峰，它們對(duì)應(yīng)俄歇電子峰或者入射電子的特征能量損失峰。前者對(duì)應(yīng)俄歇電子能譜（電子的特征能量損失峰。前者對(duì)應(yīng)俄歇電子能譜（AES），后者則構(gòu)成電），后者則構(gòu)成電子能量損失譜（子能量損失譜（EELS），它們都是常規(guī)的表面分析方法。），它們

24、都是常規(guī)的表面分析方法。 （3）能譜中能量等于入射能量的電子是彈性背散射電子。當(dāng)入射電子照）能譜中能量等于入射能量的電子是彈性背散射電子。當(dāng)入射電子照射晶體樣品時(shí)，由于電子的波動(dòng)性，受不同原子彈性散射電子（彈性背散射晶體樣品時(shí)，由于電子的波動(dòng)性，受不同原子彈性散射電子（彈性背散射電子或透射電子）之間的干涉產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象是材料電子衍射分析方法射電子或透射電子）之間的干涉產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象是材料電子衍射分析方法的基礎(chǔ)。電子衍射分為低能電子衍射（的基礎(chǔ)。電子衍射分為低能電子衍射（LEED）、反射式高能電子衍射）、反射式高能電子衍射(RHEED)和透射電子衍射和透射電子衍射(TEM）。）。3 3電子能譜電

25、子能譜 電磁輻射（如電磁輻射（如X射線）與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的電子發(fā)射譜不同射線）與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的電子發(fā)射譜不同于如圖所示的電子能譜，它沒(méi)有能量損失電子和背散射電子，但于如圖所示的電子能譜，它沒(méi)有能量損失電子和背散射電子，但出現(xiàn)強(qiáng)的光電子峰（如圖）。出現(xiàn)強(qiáng)的光電子峰（如圖）。 等離子體等離子體按晶體結(jié)構(gòu)理論，金屬晶體中的正離子（原子實(shí)）按晶體結(jié)構(gòu)理論，金屬晶體中的正離子（原子實(shí)）處于晶體點(diǎn)陣的平衡位置，而價(jià)電子（原子最外層電子）為整個(gè)晶體處于晶體點(diǎn)陣的平衡位置，而價(jià)電子（原子最外層電子）為整個(gè)晶體所共有，構(gòu)成自由流動(dòng)的電子云。在沒(méi)有外界擾動(dòng)的情況下，在整個(gè)所共有，構(gòu)成自由流動(dòng)的電子云。在沒(méi)有

26、外界擾動(dòng)的情況下，在整個(gè)金屬晶體空間正離子與電子云保持電中性所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。金屬晶體空間正離子與電子云保持電中性所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。 當(dāng)入射電子通過(guò)金屬晶體時(shí)，入射電子軌跡周圍的電中性被破壞，當(dāng)入射電子通過(guò)金屬晶體時(shí)，入射電子軌跡周圍的電中性被破壞，迫使電子云背離入射電子軌跡徑向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在入射電子軌跡近旁形迫使電子云背離入射電子軌跡徑向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果在入射電子軌跡近旁形成正電荷區(qū)域，而在較遠(yuǎn)處形成負(fù)電荷區(qū)域。入射電子通過(guò)后，電子成正電荷區(qū)域，而在較遠(yuǎn)處形成負(fù)電荷區(qū)域。入射電子通過(guò)后，電子云受到正電荷的吸引，試圖恢復(fù)電中性狀態(tài)。當(dāng)電子云徑向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)云受到正電荷的吸引，試圖恢復(fù)電中性狀態(tài)。當(dāng)電子云徑向擴(kuò)散運(yùn)

27、動(dòng)超過(guò)平衡位置時(shí)，就形成連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成電子云的集體振蕩，超過(guò)平衡位置時(shí)，就形成連續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成電子云的集體振蕩，稱為等離子體振蕩。伴隨著等離子體振蕩的激發(fā)，入射電子損失能量。稱為等離子體振蕩。伴隨著等離子體振蕩的激發(fā)，入射電子損失能量。由于等離子體振蕩的能量是量子化的，取一定的特征值，因此，在等由于等離子體振蕩的能量是量子化的，取一定的特征值，因此，在等離子體振蕩激發(fā)過(guò)程中，入射電子的能量損失也具有一定的特征值，離子體振蕩激發(fā)過(guò)程中，入射電子的能量損失也具有一定的特征值，并隨樣品成分的不同而異。上頁(yè)圖中靠近彈性散射峰的能量損失電子并隨樣品成分的不同而異。上頁(yè)圖中靠近彈性散射峰的能量損

28、失電子峰即為入射電子激發(fā)等離子體振蕩引起的上述特征損失峰。峰即為入射電子激發(fā)等離子體振蕩引起的上述特征損失峰。1.1.等離子體振蕩等離子體振蕩電聲效應(yīng)電聲效應(yīng)在固體中電子能量損失的在固體中電子能量損失的40%80%最終轉(zhuǎn)化為熱。最終轉(zhuǎn)化為熱。在實(shí)際工作中，入射電子束采用掃描工作模式，樣品的溫升并不嚴(yán)在實(shí)際工作中，入射電子束采用掃描工作模式，樣品的溫升并不嚴(yán)重。當(dāng)用周期性脈沖電子束照射樣品時(shí)，樣品中會(huì)產(chǎn)生周期性衰減重。當(dāng)用周期性脈沖電子束照射樣品時(shí)，樣品中會(huì)產(chǎn)生周期性衰減聲波（晶格振動(dòng)）的現(xiàn)象。聲波（晶格振動(dòng)）的現(xiàn)象。舉例：舉例：用壓電器件和成像技術(shù)可將電聲效應(yīng)信息用于成像。用壓電器件和成像技術(shù)

29、可將電聲效應(yīng)信息用于成像。2.2.電聲效應(yīng)電聲效應(yīng)3.3.電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo) 電子在半導(dǎo)體中的非彈性散射產(chǎn)生電子電子在半導(dǎo)體中的非彈性散射產(chǎn)生電子-空穴對(duì)?？昭▽?duì)。 電子感生電導(dǎo)電子感生電導(dǎo)(ENIC) 通過(guò)外加電壓（電場(chǎng)）可以分離正負(fù)通過(guò)外加電壓（電場(chǎng)）可以分離正負(fù)電荷，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。電荷，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。 電子感生伏特電子感生伏特p-n結(jié)對(duì)這些自由載流子的收集作用可以產(chǎn)結(jié)對(duì)這些自由載流子的收集作用可以產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)。生附加電動(dòng)勢(shì)。 載流子可以在整個(gè)樣品中擴(kuò)散，其中少數(shù)載流子的濃度隨擴(kuò)散載流子可以在整個(gè)樣品中擴(kuò)散，其中少數(shù)載流子的濃度隨擴(kuò)散距離距離x指數(shù)衰減指數(shù)衰減ne-x/L，L是擴(kuò)散

30、長(zhǎng)度是擴(kuò)散長(zhǎng)度。利用這種效應(yīng)可以測(cè)量。利用這種效應(yīng)可以測(cè)量少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命。少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度和壽命。 陰極熒光（陰極熒光（CL）在本征和摻雜半導(dǎo)體中，電子在本征和摻雜半導(dǎo)體中，電子-空穴可以空穴可以通過(guò)雜質(zhì)原子能級(jí)復(fù)合發(fā)光。陰極熒光同樣可以在一些有機(jī)熒光化通過(guò)雜質(zhì)原子能級(jí)復(fù)合發(fā)光。陰極熒光同樣可以在一些有機(jī)熒光化合物中產(chǎn)生。合物中產(chǎn)生。 對(duì)于不同種類固體，產(chǎn)生陰極熒光的物理過(guò)程不同，而且對(duì)雜對(duì)于不同種類固體，產(chǎn)生陰極熒光的物理過(guò)程不同，而且對(duì)雜質(zhì)和缺陷的特征十分敏感。因此，陰極熒光是檢測(cè)雜質(zhì)和缺陷的有質(zhì)和缺陷的特征十分敏感。因此，陰極熒光是檢測(cè)雜質(zhì)和缺陷的有效方法，常用于鑒定物相

31、、雜質(zhì)或缺陷的分布。效方法，常用于鑒定物相、雜質(zhì)或缺陷的分布。 電子與材料相互作用產(chǎn)生的信號(hào)帶有材料的不同信息，由這些電子與材料相互作用產(chǎn)生的信號(hào)帶有材料的不同信息，由這些信號(hào)所派生出來(lái)的分析方法在下表中概括列出。信號(hào)所派生出來(lái)的分析方法在下表中概括列出。 4.4.陰極熒光陰極熒光信號(hào)信號(hào)方法或儀器方法或儀器電電子子二次電子二次電子SEM掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡彈性散射電子彈性散射電子LEEDRHEEDTEM低能電子衍射低能電子衍射反射式高能電子衍射反射式高能電子衍射透射電子衍射（透射電鏡）透射電子衍射（透射電鏡）非彈性散射電子非彈性散射電子EELS電子能量損失譜電子能量損失譜俄歇電子俄歇

32、電子AES俄歇電子能譜俄歇電子能譜光光子子特征特征X射線射線WDSEDS波譜波譜能譜能譜X射線的吸收（射線的吸收（或由吸收引起）或由吸收引起）XRFCLX射線熒光射線熒光陰極熒光陰極熒光元元素素離子、原子離子、原子ESD電子受激解析電子受激解析 離子是電離態(tài)的原子。因?yàn)殡x子是荷電粒子，所以用離子轟擊固離子是電離態(tài)的原子。因?yàn)殡x子是荷電粒子，所以用離子轟擊固體表面時(shí)發(fā)生類似于電子與固體作用的過(guò)程。但是，由于離子的質(zhì)量體表面時(shí)發(fā)生類似于電子與固體作用的過(guò)程。但是，由于離子的質(zhì)量和半徑與被轟擊固體（靶）的原子的質(zhì)量和半徑相當(dāng)，入射離子與原和半徑與被轟擊固體（靶）的原子的質(zhì)量和半徑相當(dāng)，入射離子與原子

33、（原子核）的碰撞幾率很大，由此引起的能量損失比入射離子與電子（原子核）的碰撞幾率很大，由此引起的能量損失比入射離子與電子碰撞損失的能量大得多。因此，動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)移是離子與固體相互子碰撞損失的能量大得多。因此，動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)移是離子與固體相互作用的重要特征。作用的重要特征。3.2 3.2 離子束與材料的相互作用離子束與材料的相互作用 對(duì)于能量為數(shù)千電子伏特的入射離子，離子與固體中原子相互對(duì)于能量為數(shù)千電子伏特的入射離子，離子與固體中原子相互作用的時(shí)間低于作用的時(shí)間低于1ps。一般情況下，離子槍的輸出粒子束流密度遠(yuǎn)小。一般情況下，離子槍的輸出粒子束流密度遠(yuǎn)小于于103A/cm21022離子離子/（c

34、m2s）,而固體表面原子的密度約為而固體表面原子的密度約為31014原子原子/cm2，在作用時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為各個(gè)離子對(duì)表面原子的，在作用時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為各個(gè)離子對(duì)表面原子的作用不會(huì)重疊。因此，離子與固體原子的碰撞可以用臺(tái)球間的碰撞作用不會(huì)重疊。因此，離子與固體原子的碰撞可以用臺(tái)球間的碰撞來(lái)描述。對(duì)碰撞過(guò)程的約束（來(lái)自電子的非彈性散射）可想像在臺(tái)來(lái)描述。對(duì)碰撞過(guò)程的約束（來(lái)自電子的非彈性散射）可想像在臺(tái)球桌面上有一層水，即在兩次碰撞之間也有能量損失。因此，離子球桌面上有一層水，即在兩次碰撞之間也有能量損失。因此，離子的能量取決于碰撞過(guò)程和碰撞之間所經(jīng)歷的路程。的能量取決于碰撞過(guò)程和碰撞之間所經(jīng)歷

35、的路程。 上式表明離子彈性散射的兩大特點(diǎn)：上式表明離子彈性散射的兩大特點(diǎn)：散射幾率正比于散射幾率正比于Z1和和Z2的平方，因此，當(dāng)入射離子由的平方，因此，當(dāng)入射離子由H+變?yōu)樽優(yōu)镠e+時(shí)，散射幾率增加時(shí)，散射幾率增加4倍；倍；散射幾率正比于散射幾率正比于 ，強(qiáng)烈地依賴于散射角，強(qiáng)烈地依賴于散射角22，2=902=90的的散射幾率是散射幾率是2=1802=180的的4 4倍。倍。 散射后的離子能量散射后的離子能量 （9 9）其中其中 （1010） 考慮兩粒子考慮兩粒子1和和2，質(zhì)量和原子序數(shù)分別為，質(zhì)量和原子序數(shù)分別為M1、Z1和和M2、Z2。粒子。粒子1以速度以速度v0和能量和能量E0=M1

36、v02/2向靜止的粒子向靜止的粒子2運(yùn)動(dòng)并與粒子運(yùn)動(dòng)并與粒子2發(fā)生碰撞，發(fā)生碰撞，如圖所示。由于是彈性碰撞，碰撞過(guò)程中兩粒子的總能量和總動(dòng)量守如圖所示。由于是彈性碰撞，碰撞過(guò)程中兩粒子的總能量和總動(dòng)量守恒。設(shè)粒子恒。設(shè)粒子1出現(xiàn)在散射方向出現(xiàn)在散射方向22的幾率為的幾率為, ,則有則有 （8）42042221sin16EeZZP021EkE22122121221222)(2cos)2sin(MMMMMk見(jiàn)見(jiàn)下下頁(yè)頁(yè)sin/14 1 1彈性散射彈性散射 當(dāng)當(dāng)2=902=90時(shí)，時(shí)，k k2 2=|=|M2-M1|/| M1+M2|。顯然碰撞后粒子的能量損。顯然碰撞后粒子的能量損失與靶原子的質(zhì)量有

37、關(guān)，離子與輕元素靶原子碰撞的能量損失比與重失與靶原子的質(zhì)量有關(guān)，離子與輕元素靶原子碰撞的能量損失比與重元素靶原子碰撞的能量損失大。元素靶原子碰撞的能量損失大。 離子在固體中傳播時(shí)由于被電子非彈性散射產(chǎn)生的能量損離子在固體中傳播時(shí)由于被電子非彈性散射產(chǎn)生的能量損失率稱為失率稱為固體對(duì)離子的組織功率固體對(duì)離子的組織功率，它與離子的種類、能量以及，它與離子的種類、能量以及樣品的成分有關(guān)。阻止功率的單位是樣品的成分有關(guān)。阻止功率的單位是eV/(1015原子原子/cm2)。例如，。例如，如果阻止功率等于如果阻止功率等于20 eV/(1015原子原子/cm2)，則離子在固體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，則離子在固體中運(yùn)動(dòng)時(shí)能

38、量連續(xù)減少，用能量連續(xù)減少，用dE/dz表示從表面垂直向體內(nèi)單位長(zhǎng)度上離子表示從表面垂直向體內(nèi)單位長(zhǎng)度上離子的能量損失，它與坐標(biāo)的能量損失，它與坐標(biāo)z的關(guān)系類似于圖中所示曲線。的關(guān)系類似于圖中所示曲線。2 2非彈性散射非彈性散射 能量為能量為E0的入射離子轟擊固體時(shí)，直接或間接地迫使固體的入射離子轟擊固體時(shí)，直接或間接地迫使固體表面許多原子運(yùn)動(dòng)，這種過(guò)程稱為表面許多原子運(yùn)動(dòng)，這種過(guò)程稱為級(jí)聯(lián)碰撞級(jí)聯(lián)碰撞。當(dāng)表面原子獲得。當(dāng)表面原子獲得足夠的動(dòng)量和能量背離表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，就引起表面粒子（原子、足夠的動(dòng)量和能量背離表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，就引起表面粒子（原子、離子、原子團(tuán)等）的發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為離子、原子團(tuán)等）的

39、發(fā)射，這種現(xiàn)象稱為濺射濺射。離子濺射可用。離子濺射可用于去除樣品表面微觀尺度的材料。通過(guò)嚴(yán)格控制濺射過(guò)程可以于去除樣品表面微觀尺度的材料。通過(guò)嚴(yán)格控制濺射過(guò)程可以一層一層地剝削樣品。用離子濺射配合其它表面分析方法，如一層一層地剝削樣品。用離子濺射配合其它表面分析方法，如俄歇電子能譜，可確定樣品的成分隨深度的變化，這就是材料俄歇電子能譜，可確定樣品的成分隨深度的變化，這就是材料的縱深剖析的縱深剖析 .1 1離子濺射離子濺射 濺射產(chǎn)額是描述入射離子對(duì)樣品剝削快慢的物理量，它與入射離濺射產(chǎn)額是描述入射離子對(duì)樣品剝削快慢的物理量，它與入射離子束的參數(shù)和樣品的性質(zhì)有關(guān)。只有在整個(gè)分析層內(nèi)的濺射產(chǎn)額已知子束的參數(shù)和樣品的性質(zhì)有關(guān)。只有在整個(gè)分析層內(nèi)的濺射產(chǎn)額已知的情況下，才能通過(guò)縱深剖析精確標(biāo)定樣品分析層中的成分。濺射產(chǎn)的情況下，才能通過(guò)縱深剖析精確標(biāo)定樣品分析層中的成分。濺射產(chǎn)額（額（Y）定義為濺射出的粒子束（）定義為濺射出的粒子束（NS）與入射離子數(shù)目（）與入射離子數(shù)目（N0）的比值，）的比值，即即 （11） 設(shè)入射離子強(qiáng)度設(shè)入射離子強(qiáng)度J 離子離子/（cm2s）在濺射區(qū)均勻一致，在濺射區(qū)均勻一致，J、Y和剝和剝蝕速率蝕速率vz(單位時(shí)間內(nèi)剝蝕深度單位時(shí)間內(nèi)剝蝕深度)以及靶樣品原子濃度以及靶樣品原子濃度N（原子（原子/cm3）之間滿足關(guān)系之間滿足關(guān)系