第2章 电子束与物质作用产生的信号(1)

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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。
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§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×
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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。
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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。
中国地质大学(武汉)材化 学院 The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences
主要内容
第1章 电子光学基础 第2章 电子束与物质作用产生的信号 第3章 扫描电子显微镜的结构及工作原理
第4章 扫描电子显微镜的操作与应用

吸收电子像分辨率低，约为0.1-1μm。
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吸收电子图像
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
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棒状物的EDS图：Al3 Ti
Al-TiO2反应体系SEM图
颗粒物的EDS图: Al2O3
例：一例陨石的研究（2009年降落于山西浑源）
二次电子像
选点进行能谱成分分析
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元素摩尔组成(mol%) 1 2 3 4 5 6 7 8 Si 71.11%、Fe 28.89% Si 70.13%、Fe 29.87% C 32.02%、O 47.07%、Al 0.81%、Si 20.10% C 60.69%、O 9.00%、Si 30.31% Si 70.78%、Fe 29.22% C 69.79%、O 26.80%、Si 3.41% Si 100% Si 70.83%、Fe 29.17%
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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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吸收电子信号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。 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.
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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。
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Leabharlann Baidu
§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
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。 Z<40的范围内，背 散射电子的产额对原
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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。 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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2.5.2 特征X射线的检测 波长色散法（WDS)：测定特征X射线波长， 进行成分分析。 能量色散法（EDS)：测定特征X射线能量进 行成分分析。 2.5.3 特征X射线成分分析方法 点分析:测定样品上某个指定点的化学成分 线分析:测定某种元素沿给定直线分布的情况 面分析:测定某种元素的面分布情况
背散射电子产额与原子序数的关系
子序数十分敏感。
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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
背散射电子与二次电子产 额随原子序数变化的比较。
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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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
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。
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2.2.1 背散射电子的特点
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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。
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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
当电子束照射到薄试样上，如果样品厚度要 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
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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：
电子就称为透射电子。
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透射电子图像
a)珠光体组织 b) 准解理断口 c)断口萃取复型
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晶体生长的细节
晶格条纹像
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电子衍射花样 电子衍射花样 （单晶体：立方氧化锆） （多晶体：Au多晶）
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
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Why?
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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 s1 θ= 0° s2 θ= 30° s3 θ= 60°
S=d/cos θ ，s1<s2<s3
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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。
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。
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。
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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 两边除以i0，改写成 生的四种电子信号强度 η＋δ＋α＋τ＝1 与入射电子强度之间的 关系 η＝ib/i0，叫做背散射系数 ib+is+iα+it=i0 δ＝is/i0，叫做二次电子产 ib－背散射电子信号 额（或发射）系数 is－二次电子信号 α＝iα/i0，叫做吸收系数； iα－吸收电子信号强度 τ＝it/i0，叫做透射系数。 it－透射电子信号强度
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A. 点分析
(top) Scanning electron microscope image of salt crystals. (below) Spectrum of the energy of characteristic X-rays emitted from the salt (NaCl) crystals shown above. In the energy spectrum the X-ray peaks from sodium (Na) and chlorine (Cl) are identified.
糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。
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.
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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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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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
2 ~3 3 4
背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系为:
IZ
式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。
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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。
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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
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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。 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。
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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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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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形貌衬度原理
的衬 黑度 白指 对像 比面 度上 或相 颜邻 色部 差分 间
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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。
:
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。
a、样品的成分
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 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。