课程名称现代材料测试技术

3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 电子与固体作用产生的信号
入射电子流I0,单位是A.电子束流密度, 单位是A/cm2
背散射电子流IR : 入射电子与固体作 用后又离开固体的总电子流
弹性背散射电子:被样品表面原子反射 回来的入射电子,一般没有能量损失;
非弹性背散射电子:入射电子进入固体 后通过散射连续改变前进方向,最后又 从样品表面发射出去的入射电子,通常 有能量损失
• 3.2.1 散射
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作用
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作用
• 3.2.2 溅射与二次离子
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作 电子束与固体样品作用时产生的信号主要有哪些?可分别应用于哪些 仪器的分析检测？
IE:表面元素发射的总强度。电子激发引起一些固体的表面原 子电离（电子辐照分解），部分氧化物、多数氟化物、几乎 所有的有机物
IA为样品吸收电流.入射电子在固体中传播时,能量逐渐减小, 最后失去全部动能,被样品“吸收”
IT为透射电子流.当样品的厚度小于入射电子的平均穿入深度 时,有一部分入射电子穿过样品,在样品的背面被接收或检测.
量损失谱(EELS),表面分析方法 弹性背散射电子，电子衍射
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 3.1.32 电子激发产生的其他现象
1.等离子体振荡 在整个金属晶体空间正离子与电子云保持电中性,即构成
所谓等离子体.
当入射电子通过金属晶体时,入射电子轨迹周围的电中性 被破坏,迫使电子云背离入射电子轨迹径向运动,结果在入 射电子轨迹近旁形成正电荷区域,而在较远处形成负电荷 区域.入射电子通过后,电子云受到正电荷的吸引,试图恢 复电中性状态.当电子云径向扩散运动超过平衡位置时,就 形成连续的往复运动,造成电子云的集体振荡,称为等离子 体振荡.
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 电子非弹性散射平均自由程和信息深度
入射电子、二次电子和背散射电子在固体中相继两次非弹 性散射之间电子所经过的平均路程称为电子非弹性散射平 均自由程(λ e)
与材料的组成、结构以及入射电子的能量有关 对单元素固体,实验发现 对于无机和有机固体材料
100keV,θ <5o,Δ Emax=10-3-10-1eV. 原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射
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• 非弹性散射
当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时,由于作 用粒子的质量相同,散射后入射电子的能量发生显著变化, 这种过程称为非弹性散射
2.电声效应 当用周期性脉冲电子束照射样品时,样品中会产生周期性衰
减声波(晶格振动),这种现象称为电声效应. 用压电器件和成像技术可将电声效应信息用于成像.
3.电子感生电导
电子在半导体中的非弹性散射产生电子空穴对.通过外加电压(电 场)可以分离正负电荷,产生附加电导,称为电子感生电导(ENIC); 而p-n结对这些自由载流子的收集作用可以产生附加电动势,称为 电子感生伏特.
及其它重离子）束去轰击样品，使样品中的元素发生电离、激 发、发射和核反应以及自身的散射等过程，通过测量这些过程 中所产生的射线的能量和强度来确定样品中元素的种类和含量 的一门学科
• 3.2.1 散射
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作用
• 3.2.1 散射
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作用
载流子可以在整个样品中扩散,其中少数载流子的浓度随扩散距 离x指数衰减[n∝e-x/L,L是扩散长度].利用这种效应可以测量少数 载流子的扩散长度和寿命.
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 3.1.32 电子激发产生的其他现象
4.阴极荧光 在本征和搀杂半导体中,电子空穴可以通过杂质原子能级
电子,称为(真)二次电子,它们的能量较
低,强度按能量连续分布
激发态原子退回基态(退激发)时产生的
电子发射(如俄歇电子),称为特征二次
电子,它们的能量取决于原子本身的电
子结构,取一些分立的能量值.
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 电子与固体作用产生的信号
从表面发射出去的二次电子流 与 入 射 电 子 流 的 比 值 (IS/I0) 称 为二次电子产额,用δ 表示
复合发光,即所谓阴极荧光(CL).阴极荧光同样可以在一些 有机荧光化合物中产生. 对于不同种类固体,产生阴极荧光的物理过程不同,而且对 杂质和缺陷的特征十分敏感.因此,阴极荧光是检测杂质和 缺陷的有效方法,常用于鉴定物相、杂质或缺陷的分布.
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
在非弹性散射过程中,入射电子把部分能量转移给原子,引 起原子内部结构的变化,产生各种激发现象,称为电子激发
电子激发是非电磁辐射激发的一种形式
• 散射截面
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
入射电子被原子核散射时,散射角2θ 的大 小与瞄准距离(电子入射方向与原子核的
距离)rn、原子核电荷Ze以及入射电子的加
速电压V有关:
当入射电子作用在以原子核为中心、rn为 半径的圆内时将被散射到大于2θ 的角度 以外,故可用π rn2(以原子核为中心、rn为 半径的圆的面积)来衡量一个孤立原子核
把入射电子散射到大于2θ 角度以外的能 力, 叫做弹性散射截面,用σ n表示
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 散射截面 当入射电子与核外电子作用时,散射角
为 可用π re2 (re是入射电子对核外电子的
描准距离)来衡量一个孤立核外电子把 入射电子散射到2θ 角以外的能力,称为 核外电子的非弹性散射截面,用σ e表示
对一个原子序数为Z的孤立原子,弹性散 射截面为σ n,非弹性散射截面则为所有 核外电子非弹性散射截面之和Zσ e. σ n/Zσ e=Z
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• 3.1.1 散射
入射电子与固体中粒子相互作用： (1)入射电子的散射;(2)入 射电子对固体的激发;(3)受激发粒子在固体中的传播
• 弹性 散射
设原子的质量为M,质量数(质子数与中子数之和)A, 电子 质量与原子质量的比值为me/M=1/1836A.动量和能量守恒 定理,入射电子与原子(核)碰撞后的最大能量损失可表示 为
背散射电子的最大信息深度约为电子最 大穿入深度的一半
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• 电子与固体作用产生的信号
二次电子流IS,入射电子从固体中直接
击出的原子核外电子,称为(真)二次电
子,它们的能量较低,强度按能量连续分
IR
I0
布
入射电子从固体中直接击出的原子核外
在某一能量范围内,二次电子产 额大于1,随着入射角α 的增大 二次电子产额曲线的极大值增 大,并向高能方向推移.
对于多数固体材料,在适当的入 射电子能量和入射角下,二次电 子产额都可能大于1
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• 电子与固体作用产生的信号
IX：电子激发诱导的X射线辐射强度:连续X射线、特征X射线 、X射线荧光
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• 3.1.2 电子与固体作用产生的信号
电子弹性散射使电子偏离原来方向 引起电子在固体中扩散
非弹性散射使电子能量逐渐减小,直 至被固体吸收,从而限制了电子在固 体中的扩散范围,这个范围称为电子 与固体的作用区.
扫描电子显微镜和其它相关分析技 术检测的各种信号和辐射正是来自 这个作用区
• 教材P50.3-1、3-2、3-3
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
电子能谱
如果收集记录背散射电子和二次电子就得到所示的电子能谱,即电子发射强 度按能量的分布
二次电子(能量≤50eV)，扫描电子显微镜作形貌观测 俄歇电子峰或者入射电子的特征能量损失峰，俄歇电子能谱(AES), 电子能
原子序数越高,产生弹性散射的比例就 越大
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 电子吸收
电子吸收主要指由于电子能 量衰减而引起的强度(电子 数)衰减
电子被吸收时所达到的深度 称为最大穿入深度(R)
激发二次电子是入射电子能 量损失的主要过程
曲线与横坐标的交点即为入射 电子的最大穿入深度
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
等离子体振荡引起入射电子损失能量.也具有一定的特征 值,并随样品成分的不同而异.
靠近弹性散射峰的能量损失电子峰即为入射电子激发等离 子体振荡引起的上述特征损失峰.
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.1电子束与材料的相互作用
• 3.1.32 电子激发产生的其他现象
3 粒子(束)与材料的相互作用—3.2离子束与材料的相互作用
• 3.2.0 概述
入射离子的质量和半径与被轰击不提的原子的质量和半径相当 ，入射离子与原子的碰撞几率很大，因此能力损失比电子碰撞 多
动量和能量转移是离子与固体相互作用的主要特征 离子束分析：利用具有一定能量的离子（如：质子、alpha离子