电子与物质的交互作用

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1、第二篇电子显微分析技术《材料现代分析技术》课程建设小组1.电子与物质的交互作用1.1散射的基本概念1.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息1.1散射的基本概念电子：是一种带负电的基本粒子静止质量me=9.110x10-31kg电量q=-e(e=1.602*10-19C)散射：当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向发生改变的现象。1.1散射的基本概念弹性散射:电子只改变运动方向，基本无能量变化。非弹性散射--原子对入射电子的散射电子不仅改变运动方向，能量也有不同程度衰减。被散射电子的波长改变，损失的能量导致物体内部的某些激发效应，其表

2、现形式可以是次级电子、俄歇电子、标识和连续X射线、热辐射、紫外和可见光区域的光子等，也可以是等离子体激元的激发。1.1散射的基本概念弹性散射弹性散射一个运动的电子靠近孤立的原子核时，由于库仑力的作用，电子将向核方向偏转，偏转角--，的大小取决于rn的大小弹性散射核质量电子的质量，此偏转可视为弹性散射，则偏转角称为散射角在(rn)2圆面积内的散射，散射角，称(rn)2为散射角大于的核弹性散射截面弹性散射是电子衍射及成像的基础核外电子的非弹性散射一个运动的电子靠近孤立的电子时，由于库仑力的排斥作用，电子将向反方向偏转，偏转角--，的大小取决于re的大小非弹性散射

3、核外电子的非弹性散射电子质量=电子的质量，电子偏转时有能量的变化，此偏转可视为非弹性散射。在(re)2圆面积内的散射，散射角，称(re)2为散射角大于的非弹性散射截面。核外电子的非弹性散射原子中核外电子对入射电子的散射所损失的能量部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生各种有用信息，如二次电子、俄歇电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、电子感生电导等1.2高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息（1）背散射电子定义：入射电子在试样内经过一次或几次大角度弹性散射或非弹性散射后离开试样表面的电子。（1）背散射电子背散射电子的产生范围在0.1

4、~1µm，这是由于背散射电子具有较高的能量，所以可在试样较深部位散射出试样表面。背散射电子的产额随试样原子序数的增加而增加。（1）背散射电子背散射电子在试样内部接近完全扩散，其广度较入射电子束直径大若干倍，它可从试样较深部位逸出。特点：1：对样品物质的原子序数敏感2：分辨率及信号收集率较低（2）二次电子定义：在入射电子的轰击下被迫离开试样表面的试样的核外电子。（2）二次电子二次电子的能量小于50eV，所以只有试样表层下5~10nm范围内激发出的二次电子，才有可能逸出试样表面二次电子发射的广度与入射电子束直径相差无几，它对试样表面形貌敏感主要用于显示试样的表面形貌（3）吸收电子定义：

5、入射电子射入试样后，经多次非弹性散射后能量消耗殆尽而形成吸收电子被试样吸收（3）吸收电子在试样和地之间接入mA计进行放大，可检出吸收电子产生的电流吸收电子像用于显示样品表面形貌和样品表面元素分布状态用吸收电流成像，同样可以得到原子序数不同的元素在样品上各微区定性的分布情况。图像的衬度正好与背散射电子图像相反（4）特征X射线当试样内原子核外的内层电子被激发时，外层电子跃迁而填补内层空位时就会释放特征X射线。（4）特征X射线特征X射线一般在试样内的500nm-5000nm深处发生用X射线探测器探测表面微区存在的相应元素（5）俄歇电子定义：入射电子在激发特征X射线过程中，若试样中原子核

6、外内层电子被激发，外层电子跃迁填补内层空位时能量的释放将相邻的电子激发出去。（5）俄歇电子俄歇电子的能量在50~1500eV范围内，只有在距离表面1nm左右范围内的俄歇电子才能逸出表面适用于做表面成分分析如果样品是薄膜，例如厚度为几十至几百纳米，比入射电子的有效穿透深度小得多，就会有相当数量的入射电子穿透样品。电子的透射率随散射体厚度的增加而减小（6）透射电子质厚衬度效应样品上的不同微区无论是质量还是厚度的差别，均可引起相应区域透射电子强度的的改变，从而在图像上形成亮暗不同的区域。由电子束穿过非晶体试样各点的厚度不同而产生的由重金属原子投影非晶体试样引起的质量差异而产生的质厚衬度效

7、应入射电子束通常都是波长恒定的单色平面波，照射到晶体样品上时会与晶体物质发生弹性相干散射，使之在一些特定的方向由于相位相同而加强，但在其他方向却减弱，这种现象称为衍射。由布拉格方程：d—样品晶体的晶面间距；λ—入射电子波长；θ—入射束与晶面的掠射角衍射效应衍射衬度效应由于试样各晶面相对入射束的取向不同而引起的衍射强度的差异