现代分析技术知识要点(部分)

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1、第一章电子与物质的相互作用1.电子显微分析材料的理化性质与材料的内部显微结构(晶体结构、微观形貌、化学成分)有关。材料研究的需要发展了多种电子光学仪器，帮助人们更深入地了解电子与物质的相互作用。反过来，电子光学仪器的完善与发展也是与人们对电子与物质相互作用物理过程的充分理解分不开的，只有充分了解该作用过程中产生的各种信息，才能更好地使用并发展新的仪器和分析方法。2.电子与物质相互作用一束电子束打到试样后，电子束穿过薄膜试样或从试样表面掠射而过，电子的轨迹要发生变化。这种变化决定于电子与物质的相互作用，即决定于物质的原子核及核外电子对

2、电子的作用。其结果将以不同的信号反映出来。使用不同的电子光学仪器将这些信息加以搜集、整理和分析，就可得出材料的微观相貌、结构和成分等信息。这就是电子显微分析。电子与物质相互作用涉及的面很广，在此只简单介绍在透射电镜、扫描电镜及电子探针等常用的电子显微分析仪器中经常出现的物理过程。3.电子的弹性散射当一束电子入射到样品上，电子和样品物质的原子核及核外电子发生相互作用，使入射电子的能量和方向改变，有时还会发生电子消失、重新发射或产生别种粒子、改变物质形态等现象，这些现象统称为电子的散射。根据散射过程中能量是否发生变化，又可进一步分为弹性

3、散射和非弹性散射。弹性散射是电子衍射和电子衍衬像的基础；非弹性散射将伴随能量的衰减。能量衰减部分转变为热、光、X射线、二次电子发射等，它是扫描电镜像、能谱分析电子能量损失谱的基础。3.1原子核对入射电子的散射原子核外电子对入射电子的散射主要是非弹性散射，过程较复杂。当为大角度散射时，入射电子可以从试样表面反射出去，这称为背散射现象。原子核对入射电子不仅产生大角度弹性散射，入射电子还受到原子核的电势场作用而制动，电子损失的能量以连续X射线方式辐射，这称为韧致辐射由于这种散射产生连续的无特征波长值的X射线辐射，因而并不反映样品结构或成分

4、的任何特征，反而会产生背景信号，影响成分分析的灵敏度和准确度。但近几年的研究表明，连续谱的强度数据在分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度时是十分有用的。4.电子的非弹性散射由于质量相同，核外电子与入射电子的碰撞几乎全是非弹性散射，入射电子损失的能量除大部分转变为热能之外，还可能产生以下几种机制，它们携带的信息为一系列电子显微分析仪器提供了重要的信息来源。4.1二次电子(SE)二次电子(secondaryelectron)是被入射电子从样品的导带和价带中打出来的电子。它通常不包含与元素有关的信息。使固体中价电子激发到费米能级以上或游离

5、时需要的能量较小(约几十电子伏);而使内层电子激发或游离时需要的能量相当大，一般至少要等于内层电子的结合能(约几百电子伏)。所以价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处(一般10nm左右)，那些能量大于材料逸出功的二次电子就可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，这些电子能量一般为0～50eV。它有以下主要特点：1.对样品表面形貌敏感，二次电子产额(或发射效率)与入射束相对于样品表面的入射角θ之间存在下列关系，其中，，即二次电子电流强度和入射束电流强度的比值。在IP不变的条下，当样品表面不平

6、时，入射束相对于样品表面的入射角θ发生变化，使二次电子的强度相应改变。如果用检测器收集样品上方的二次电子并使其形成反映样品上各照射点信息强度的图像，则可将样品表面形貌特征反映出来，形成所谓“形貌衬度”图像。2.空间分辨率高。通常入射电子束进入样品表面后，由于受到原子核及核外电子的散射，其作用范围有所扩展而形成类似鸭梨状的分布(注：入射束在样品内沿纵向及侧向扩展的具体尺寸范围取决于入射电子的能量及样品物质的原子序数)，尽管在电子的有效作用深度内都可以产生二次电子，但由于其能量很低，只有在接近表面大约10nm以内的二次电子才能逸出表面，

7、成为可以接收的信号。此时，由于入射束尚无明显的侧向扩展，因而这种信号反映的是一个与入射束直径相当的、很小体积范围内的形貌特征，故具有较高的空间分辨率。目前在扫描电镜中二次电子像的分辨率在30kV时优于1nm。3.信号收集效率高。在入射电子束作用下，样品上被照射区产生的二次电子信号(以及后面即将谈到的其它几种信号)都是以照射点为中心向四面八方发射的(相当于点光源)，其中在样品表面以上的半个球体内的信号是可能被收集的。但是，由于仪器结构设计及其它原因，信号检测器的检测部分通常只占信号分布面积中很小的一部分。为了提高信噪比，必须尽量提高信

8、号的收集效率。二次电子由于本身能量很低，容易受电场的作用，只要在检测器上面加一个5-10kV的正电压，就可使样品上方的绝大部分二次电子都进入检测器。从而使样品表面上无论是凹坑还是突起物的背向检测器的部分显示出来。上述特点使二次电子成为