电子束与物质作用产生的信号

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➢背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散 射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电子低。 ➢背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样品表面， 对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到 背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射 电子像也被称为有影像; ➢背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗 糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
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几例不同元素的特征X射线波长(Ǻ)
元素 4 Be 11 Na 26 Fe 29 Cu 35 Br 55 Cs 74 W 83 Bi
Kα1 114.00 11.91 1.936 1.541 1.041
Kβ1
11.58 1.757 1.392 0.933
40
电子衍射花样 （单晶体：立方氧化锆）
41
电子衍射花样 （多晶体：Au多晶）
42
电子衍射花样 （非晶相）
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§2.4 吸收电子
入射电子进入样品后，经过多次非弹性碰撞， 能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子）， 最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏 度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信 号即由吸收电子提供。
奥氏体铸铁的显微组织
(a)背散射电子像
(b)吸收电子像
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§2.5 特征X射线
2.5.1 特征X射线的产生及特点 特征X射线是高能电子激发原子的内层电子，
使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位 使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释 放出具有特征能量和波长的一种电磁辐射，即特征 X射线。
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ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背 散射电子成分像，1000×
ZrO2-Al2O3-SiO2系 耐火材料的背散射 电子像。由于ZrO2 相平均原子序数远 高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色
相为斜锆石，小的
白色粒状斜锆石与
灰色莫来石混合区
为莫来石－斜锆石
共析体，基体灰色
相为莫来石。
26
背射电子的产额随样品的原子序数增大而 增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化 学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子 序数有关。
Z i ci zi
背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为:
IZ
2 3
~
3 4
式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。
27
Example
SiO2和SnO2，前者的平均原子序数 为15.3，后者的为27.3，因此后者的背散 射强度明显大于前者。
不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个 差别较小。
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b、入射电子的能量与加速电压
所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能 量的电压上。
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c、入射电子束与试样表面法线之间的夹角 入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系：
δ＝k/cosθ δ ：二次电子产额； k ：比例常数 θ ：电子束与试样表面法线之间的夹角
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4、二次电子像举例
陶瓷沿晶断裂
硅-碳-氮纳米材料
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珍珠
祖母绿
高岭石
埃洛石
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5、二次电子像的优点：
（1） 分辨率高，最高可达1Å； （2） 放大倍数灵活，几十到100万倍可调； （3） 景深大，是光学显微镜的几百倍，所以立体感强； （4） 反差对比度好，图象细节清楚； （5） 可以与成分分布状态结合观察，综合分析。
4
§2.1 二次电子及其成像
绿泥石
钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000×
5
2.1.1 二次电子的产生原理
二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中 原子的核外电子。
由于原子核外层价电子间的结合能很小， 当原子的核外电子从入射电子获得了大于相 应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成 自由电子。
6
那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样 品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电 子。
背散射电子产额与原子序数的关系
Z<40的范围内，背 散射电子的产额对原 子序数十分敏感。
25
背散射电子与二次电子产 额随原子序数变化的比较。
背散射电子及二次电 子的产额随原子序数的 增加而增加，但二次电 子增加的不明显。
二次电子信号在原序 数Z>20后，其信号强度 随Z变化很小。
➢背散射电子的发射主要取决于样品中元素 的原子序数及样品表面入射角的大小。
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吸收电子的产额与背散射电子相反， 样品的原子序数越小，背散射电子越少,吸 收电子越多;反之样品的原子序数越大，则 背散射电子越多，吸收电子越少。
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入射电子激发固体样品产 生的四种电子信号强度 与入射电子强度之间的 关系
ib+is+iα+it=i0 ib－背散射电子信号 is－二次电子信号 iα－吸收电子信号强度 it－透射电子信号强度
因此，吸收电子能产生原子序数衬度，同 样也可以用来进行定性的微区成分分析。
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➢ 吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用 高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并 调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。吸收电 子像与背散射电子像成反像.
➢ 吸收电子像分辨率低，约为0.1-1μm。
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吸收电子图像
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特 征 X 射 线 的 一 般 发 射 深 度 为 0.55μm范围.
由于各种元素的原子结构不同，跃迁 方式各异，因而对不同元素电子跃迁所产生 的特征X射线能量（或波长）不同。
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ε=hν= hc/λ
（莫塞莱定律）
ε为特征X射线的能量； λ为特征X射线波长； c为光速，K与σ均为常数。 从以上公式可知：只要测出特征X射线波长，或 测出特征X射线光子的能量，便可确定原子序数Z， 即可确定特征X射线发射区所含的化学元素。
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§2.2 背散射电子
背散射电子：电子束轰击样品表面时，被样品弹射 回来的方向不固定的一部分入射电子。
弹性背散射电子：被原子核反弹回来的，散射角大 于90度的入射电子，其能量基本无变化（数千到数万 eV）。
非弹性背散射电子：入射电子和核外电子撞击后产 生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。 能量范围很宽，从数十eV到数千eV。
在此过程中有99％以上的入射电子能量转变 成热能，只有约1％的入射电子能量从样品中激发 出各种信号。
2
3
只有了解上述物理信息的产生原理及所 代表的含义，才能设法检测它们、利用它 们。 扫描电子显微镜 (SEM) 透射电子显微镜 (TEM) 电子探针 (EPMA)
分别侧重于对上述某一方面或几方面的 信息进行测量分析的。
36
2.3.3 透射电子的用途 1、微区结构分析 2、可观察形貌 3、微区成分分析；
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透射电子图像
用透射电子像 a)珠光体组织 b) 准解理断口 c)断口萃取复型
38
用透射电子拍摄的二次电子像。可观察晶体 生长的细节
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用透射电子拍摄的晶格条纹像。可观察到晶 体中晶体结构单元(层)的厚度及排列。
15
尖端
小颗粒
侧面
凹槽
实际样品中二次电子的激发过程示意图
在扫描电镜中，二次电子检测器一般 是装在入射电子束轴线垂直的方向上。
16
17
3、二次电子检测原理
通过一定的方式控制电子束，在样品表面的 一个微小区域，逐点轰击样品，二次电子接收器 （探测器）也相应地逐点收集。 把以上收集到的 信号转化成图像的方式，即得到二次电子像－－ 形貌像。收集到信号多时，形貌像上表现为亮度 大，否则为阴影。
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背散射电子像的特征
a) 背散射电子像反映在区域内原子序数的相对大小—— 图像相当于成分的反映，因此也叫成分像。
b) 背散射电子对样品的表面形貌也有反映，但不能和二 次电子像比拟。因此一般只用背散射电子像反映物质 的成分信息。
c) 样品的要求：一般样品要经过抛光打磨，使表面平整， 这样反映的成分信息更充分。
可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大， 二次电子产额也越大。
11
Why?
12
产生上述规律的原因：
I.随着θ角的增加,入射电子束在样品表层范围 内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会 增多，产生二次电子数量就增加；
10nm d
θ= 0° s1
θ= 30° s2
θ= 60° s3
S=d/cos θ ，s1<s2<s3
7
2.1.2 二次电子的特点
（1）二次电子发生在材料表面5-10nm的 区域，能量为0-50eV，大部分为2－3eV。
因为只有在这个深度范围，由于入射电 子激发而产生的自由电子，才具有足够的 能量，克服材料表面的势垒，从样品中发 射出来，成为二次电子。
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（2） 二次电子产额：
二次电子产额与以下三个因素有关： a、样品的成分
两边除以i0，改写成 η＋δ＋α＋τ＝1
η＝ib/i0，叫做背散射系数 δ＝is/i0，叫做二次电子产 额（或发射）系数 α＝iα/i0，叫做吸收系数； τ＝it/i0，叫做透射系数。
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铜样品η、δ、α及τ系数与ρt之间关系
（入射电子能量E0=10keV）
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当样品厚度足够大时，透射电子电流为 零，即it=0，这时 i0 = ib+is+iα。
背散射电子成像分辨率一般为50-200nm。
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2.2.3 背散射电子像
An image of a (Cu,Al) alloy formed using backscattered electron imaging. The light area is Cu and the dark area is Al.
d) 背散射电子像一般与二次电子像以及X射线成分分析联 合使用。
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二次电子像、背散射电子像与原子序数Z的关系
SEI
BEI
SrTiO3+MgO复相陶瓷的二次电子像和背散射电子像
SEI:试样表面起伏清晰
BEI：起伏模糊，但亮度变化大
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§2.3 透射电子
2.3.1 透射电子的产生 当电子束照射到薄试样上，如果样品厚度要
则吸收电子电流为：iα=i0–（ib+is）。
若逸出表面的背散射电子和二次电子数 量越少，则吸收电子信号强度越大。
若把吸收电子信号调制成图像，则它的 衬度恰好和二次电子或背散射电子信号调 制的图像衬度相反。
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由于二次电子与原子序数基本无关，因此， 产生背散射电子较多的部位（原子序数大）其 吸收电子数量就少，反之亦然。
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2.2.1 背散射电子的特点
从数量上看，弹性背散射电子远比非弹性背 散射电子所占的份额多。
产生范围:100nm-1μm深度。 能量：能量损失较小，其能量大多与入射电 子能量相当，在几十—几千eV。
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二次电子与背散射电子能量比较
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背散射电子产额
背散射电子的产 额随原子序数的增加 而增加。
第2章 电子束与物质作用产生的信号
§2.1 二次电子 §2.2 背散射电子 §2.3 透射电子 §2.4 吸收电子 §2.5 特征X射线 §2.6 俄歇电子 §2.7 阴极荧光
1
高速运动的电子束轰击样品表面，电子与元 素的原子核及外层电子发生单次或多次弹性与非 弹性碰撞，有一些电子被反射出样品的表面，其 余的渗入样品中，逐渐失去其动能，最后被阻止， 并被样品吸收。
因此不同的物质相也具有不同的背散射能力， 用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中 物质相态的差别。
背散射电子像亦称为成分像。
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2.2.2 背散射电子成像原理(原子序数衬度原理）
样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的 背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序 数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏 上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数 衬度。
比入射电子的有效穿透深度薄很多（如薄膜样品）， 这时就会有一部分入射电子穿透样品，这部分入射 电子就称为透射电子。
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2.3.2 透射电子的特点 1、电子的穿透能力与加速电压有关，加速电
压高，则入射电子能量高，穿透能力强，在相同 条件下透射电子数量多。
2、透射电子数目：与样品厚度成反比 与原子序数成正比
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II. 随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面 层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的 机会增多，从而二次电子的产额增大。
14
的衬
黑度
白指 对像 比面 度上 或相 颜邻 色部 差分
间
:
形貌衬度原理
由于试样表 面凹凸不平， 各点所产生的 二次电子数量 不等，这样就 可形成试样外 貌的二次电子 像。
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公式原型 k1 (Z k2 )2
λ=c/ν c=3×108m/s=1016Å/s
对于Kα射线
k1
R(1 1
1 22
)
3 4
R
源自文库
k2=1
对于Lα射线
k1
1 R( 2 2
1 32 )
5R 36
k2=7.4
R为里德伯格频率，3.29×1015Hz
如果能测定出 X射线的波长， 则可确定原子 序数Z。