电子与固体物质的相互作用

电子与固体物质的相互作用

一、电子散射

二、内层电子激发后的弛豫过程

三、自由载流子

四、电子与固体作用产生的各种信号

五、相互作用体积与信号产生的深度和广度

一、电子散射

¾当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样内，在原子库仑电场作用下，入射电子方向改变，称为散射。

¾原子对电子的散射可分为弹性散射和非弹性散射。

¾弹性散射中，电子只改变方向，基本无能量的变化。¾非弹性散射中，电子不但改变方向，能量也有不同程度的减小，转变为热、光、X射线和二次电子等。

在非弹性散射过程中，

¾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。因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。

1.原子的散射截面

¾一个电子被一个试样原子散射后偏转角等于或大于α角的几率可用原子散射截面σ(α)来度量。

¾原子散射截面可定义为电子被散射到等于或者大于α角的几率除以垂直入射电子方向上单位面积的原子数。量纲为面积。¾原子散射截面是弹性散射截面与非弹性散射截面之和，即

σ(α)= σe(α)+ σi(α)

σe(α)----原子的弹性散射截面；σi(α)----原子的非弹性散射截面。

原子对电子的散射又可分为

¾原子核对电子的弹性散射，原子核对电子的非弹性散射；¾核外电子对电子的非弹性散射。

入射电子与原子核作用，被散射到大于2θ的角度以外，故可

用πr n 2（以原子核为中心、r n 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。由于电子与原子核的作

用表现为弹性散射，故将πr n 2叫做

弹性散射截面，用σn 表示。

πr n 2: 原子的弹性散射面积。

¾弹性散射电子由于其能量等于或接近于入射电子能量E 0，因此是透射电镜中成像和衍射的基础。2.原子核对电子的弹性散射试样的原子序数越大，入

射电子的能量越小，距核

越近，散射角越大。

3.原子核对电子的非弹性散射

¾入射电子运动到原子核附近，除受核的库仑电场的作用发生大角度弹性散射外，入射电子也可以被昆仑电势制动而减速，成为一种非弹性散射，入射电子损失的能量ΔE转变为X 射线。

¾由于能量的损失不是固定的，这种X射线无特征波长值，能量损失越大，X射线波长越短，波长连续可变，一般称为连续辐射或者韧致辐射。它本身不能用来进行成分分析，反而会在X射线谱上产生连续本底，影响分析的灵敏度和准确度。

同理，称πr

e 2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

，由前两式可得

σn /Zσ

e

=Z。因此，原子序数越高，

产生弹性散射的比例就越大。

散射截面

πr n2: 一个核外电子对入射电

子的非弹性散射面积。4.核外电子对电子的非弹性散射（1）

入射电子和原子的核外电子碰撞为非弹性碰撞。此时入射电子运动方向改变，能量受到

损失，而原子则受到激发。核外电子对电子的非弹性散射（2

）

非弹性散射的机制有：

(1)单电子激发

入射电子和原子的核外电子碰撞，将核外电子激发到空能级或脱离原子核成为二次电子，而原子则变成离子，此过程称为电离。

入射电子在试样内产生二次电子是一个级联过程，也就是说入射电子产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。

¾一个能量为20keV 的入射电子，在硅中可以产生约3000个二次电子。

¾并不是所有产生的二次电子都能逸出试样表面成为信号，由于二次电子的能量较低（小于50eV ），仅在试样表面10nm 层内产生、且能克服几个电子伏逸出功的电子才有可能逸出。

¾二次电子的主要特点是：对试样表面状态非常敏感，显示表面微区的形貌结构非常有效。二次电子像的分辨率较高，是扫描电镜中的主要成像手段。核外电子对电子的非弹性散射（3）(1)单电子激发

¾入射电子使固体中价电子激发到空能级或游离时损失的能量较小，使内层电子激发或游离时损失的能量相当大，因此价电子激发的几率远远大于内层电子的激发几率。

¾价电子激发使入射电子主要产生小角度散射，内层电子激发可引起入射电子的大角度散射，但几率很小。¾因此单电子激发主要使入射电子受到小角度非弹性散射。核外电子对电子的非弹性散射（4）(1)单电子激发

核外电子对电子的非弹性散射（5）

(2)等离子激发

¾入射电子经过晶体时会引起等离子激发，进而损失能量ΔE P。

因ΔE P有固定值，且随不同元素及成分而异，称为特征能量损失，损失能量后的电子称为特征能量损失电子。

¾在透射电子显微镜中，可以用能量分析器把具有不同的能量透射电子分开，得到电子能量损失谱。

¾由于试样的厚度大于等离子激发平均自由程，电子在透射试样时有数次激发等离子的机会，因此在透射电子的能量损失谱上出现AE P的1倍到几倍的几个峰。可以利用电子能量损失谱进行成分分析，称为能量分析电子显微术；也可选择有特征能量的电子成像，称为能量选择电子显微术。

(3)声子激发

二、内层电子激发后的弛豫过程

¾当试样原子的内层电子被运动的电子轰击脱离了原子后，原子处于高度激发状态，它将跃迁到能量较低的状态，这种过程称为弛豫过程。

¾弛豫过程可以是辐射跃迁，即特征X射线发射；也可以是非辐射跃迁，如俄歇电子发射，这些过程都具有能量特征。¾能谱仪和波谱仪就是利用X射线来进行成分分析的谱仪。

三、自由载流子

阴极荧光、电子束电导和电子生伏特