电子与物质的相互作用

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三、电子的弹性散射
θ
（a）原子核对入射电子的弹性散射
θ
(b)核外电子对入射电子的非弹性散射
原子引起电子束偏转示意图
四、电子的非弹性散射
具有一定能量的电子与物体发生非弹性碰撞的过程。被散 射电子的波长改变，损失的能量大部分转化为热辐射，另一部 分能量导致物体内部的某些激发效应，其表现形式可以是背散 射电子、二次电子、俄歇电子、特征和连续X射线、热辐射、 紫外线和可见光区域的光子等，也可以是等离子激元的激发。
K态（K电子去除）
原子能量
K激发
Ⅰ Ⅱ Ⅲ L态（L电子去除） L激发
M N
M态（M电子去除） N态（N电子去除） 价电子去除 中性原子
二次电子
被入射电子(E<50ev)在样品的导带和价带里打出来的电子，称为 二次电子。 ● 二次电子在样品 (5-10nm) 和容易逸出表面，可用来表征样品表 面形貌信息。 ● 扫描透射模式(STEM)利用二次成像，具有比扫描电镜像有更高的 分辨率。扫描电镜中二次电子像的分辨率为 3-6nm ，透射电镜为 2-3nm。
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透射电子
透过试样的电子束携带试样的成分信息，通过对这些透射电子损 失的能量进行分析，可以得出试样中相应区域的元素组成，得到作 为化学环境函数的核心电子能量位移信息。 ● 能量损失谱 (EELS) ：由于非弹性散射碰撞使电子损失一部分能量， 这一能量等于原子与入射电子碰撞前基态能量与碰撞后激发态能量 之差。 ● 如果最初电子束能量是确定的，损失的能量又可准确的测量，就 可以得到试样内原子受激能级激发态的精确信息。 ● EELS可以分析原子序数z>=1的元素。
电子与物质的相互作用
电子：是一种带负电的基本粒子，电量的基本单元，1897年 由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生在研究阴极射线时发现。
一、电子与物质的相互作用所产生的信息 ● 二、分类 ● 三、电子的弹性散射 ● 四、电子的非弹性散射
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一、电子与物质的相互作用所产生的信息
一束定向飞行的电子打到试样后，电子束穿过薄试样或从试样 表面掠过，电子的轨迹要发生变化。这种变化决定于组成物质 的原子核及其核外电子对电子的作用，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收集、整 理和分析可得出材料的微观形态、结构和成分等信息。
能量损失谱（EELS）
特征x射线
如果入射电子有足够的能量，射 到原子内壳层，将一个电子打出去 ( 使原子电离 ) ，留下一个空穴，这 时上层的电子会跳下来填充这个空 穴，而产生特征x射线。 ● 不同原子序数z有不同的电离能， 原子序数较大的元素，有较大的电 离能。 ● 特征 x 射线用于透射电镜和扫描 电镜中x射线能谱分析(EDS)，可检 测原子序数z>=4的元素。
背散射电子
● 被固体样品中原子核“反弹”回来的一部分电子 ●
来自样品表层几百纳米的深度范围，其产额随原子序数的增加而增加。 ● 用于形貌分析，也可用来显示原子序数的衬度，定性成分分析。 ● 主要用于扫描电镜。
俄歇电子
当固态样品受到入射电子轰击时，元素原子内层轨道上的电子被击出 原子成为自由电子或二次电子而留下空位，外层高能电子补充空位， 多余的能量被该原子吸收而轰击出另一轨道上的电子被称为俄歇电子。
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入射高压电子束 背散射电子 俄歇电子
二次电子 特征X射线 可见光
吸收电子
样品
电子空穴对
韧致辐射X射线
弹性散射电子 透射电子
非弹性散射电子
电子束作用于薄样品时产生的各种信息
二、分类
入射电子束与物质试样碰撞时，电子和组成物质的原子核与核 外电子发生相互作用，使入射电子的方向和能量发生改变，有时 还发生电子消失、重新发射或产生别的粒子，改变物质性态等现 象，统称为电子的散射。 ● 如果碰撞后，电子只改变了方向而无能量改变，为 弹性散射 ， 这是电子衍射和电子衍衬像的基础。 ● 如果碰撞后，电子的方向和能量都发生了改变，为 非弹性散射 。 这是扫描电镜、能谱分析、电子能量损失谱的基础。
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二次电子像主要是反映样品表面 10nm左右的形貌特征，像的衬度的形 成主要取于样品表面相对于入射电子束 的倾角。如果样品表面光滑平整（无形 貌特征），则不形成衬度；而对于表面 有一定形貌的样品，其形貌可看成由许 多不同倾斜程度的面构成的凸尖、台阶、 凹坑等细节组成，这些细节的不同部位 发射的二次电子数不同，从而产生衬度。 二次电子像分辨率高、无明显阴影 效应、场深大、立体感强，是扫描电镜 的主要成像方式（特别适用于粗糙样品 表面的形貌观察），在材料及生命科学 等领域有着广泛的应用。
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真空 导带 价带
入射电子束 （如 100KeV） K
特征X射线
损失能量的电子
特征x射线示意图
不同材料X射线波长 不同，所以叫特征X射线， 波长取决于阳极靶元素的 原子序数。 特征X射线谱 是叠加在连续X射线谱上 的。
10 8 6 Mo 4 2 Cr 连续光谱
15.2 W β
37.2 特征光谱 α
强 度
0.5
0.7
0.9
波长（A）
图表示的是原子的基态和K、L、M、N等激 发态的能级图，K层电子被击出称为K激发态，L 层电子被击出称为L激发态，依次类推。 原子的激发态是不稳定的，寿命不超过10 秒，此时内层轨道上的空位将被离核更远轨道上 的电子所补充，从而使原子能级降低，这时，多 余的能量便以光量子的形式辐射出来。 处于K激发态的原子，当不同外层的电子（L、 M、N…层）向K层跃迁时放出的能量各不相同， 产生的一系列辐射统称为K系辐射。同样，L层 电子被击出后，原子处于L激发态，所产生一系 列辐射则统称为L系辐射，依次类推。 基于上述机制产生的X射线，其波长只与原 子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关， 而原子的能级是由原子结构决定的，因此，这些 有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点， 我们称之为特征X射线光谱。
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将要研究的材料置于电子显微镜中，用已知动 能的电子束轰击，损失了不同能量的电子数目被记 录为电子损失能谱。电子损失能谱包括了电子与原 子相互作用发生非弹性散射的丰富信息，主要可以 分为三部分： 零损失峰（ZLP，zero-loss peak）：未被散射的 电子、只发生了弹性散射的电子或能量损失很小的 非弹性散射的电子（例如声子散射）； 低能损失区：能量损失小于 50 eV，例如等离子体 共振、切伦科夫辐射、能带间跃迁； 高能损失区：和内层电子相互作用导致的吸收边 （Core-loss edges）、近边精细结构（Near edge fine structure）和扩展能量损失精细结构 （Extended energy loss fine structure） 内层电子的电离适用于检测材料的元素组分， 例如一定数量的电子穿过材料后能量减少了 285 eV，这相当于从碳原子去除一个内层电子所需的 能量，从而可以推测样品中一定存在碳元素。其他 的应用包括用低能损失区分析样品的能带结构和介 电性能，利用零损失峰和总体能谱强度测量样品厚 度等等。
(a) 入射电子束与价带电子作 用前的初始态
(b) 价带电子被激发到导带， 留下一个空穴
(c) 空穴被导带中的电子填充，发 射出一个光子，光子的频率由禁 带宽度决定
阴极荧wenku.baidu.com示意图
阴极荧光
● 半导体样品在入射电子照射下，会产生电子-空穴对，当电子跳到 空穴位置“复合”时会发射光子，叫做阴极荧光。 ● 光子的产生率与半导体的能带有关或与半导体中杂质有关（可以 用于检测杂质，还可以用于鉴定物质相）。 ● 主要用于扫描电镜，也用于STEM。
入射电子束
导带
带宽
价带
阴极荧光
能量损失电子
弹性散射和非弹性散射的区别在于：在碰撞过程中，发生弹性散射 的两个粒子各自保持原来的能量，没有能量的转移；发生非弹性散射的 两个粒子中，能量高的粒子将部分能量传递给能量低的粒子。
辐照损伤
电子束可以打断某些物质的化学键，也可以将某些原子从格位碰 撞出去，对样品带来不利的影响。 解决办法： 尽量可能用最大的加速电压，减少散射面 尽量少使用高亮度小束斑的电子束 样品尽可能薄。