06电子束与物质的物理作用

电子与物质的交互作用
原子核对电子的弹性散射
Zn 据经典散射模型，原子核引起的散射角 n E0 rn 考虑核电子的屏蔽作用，原子对入射电子在 n方向
8 10 10 弹性散射振幅（散射因子）f a n 2.38 10 z f x n sin n z代表核的弹性散射，f x n 代表原子对X射线的散射因子，
电子与物质的交互作用
周期性脉冲电子入射的电声效应
高能电子进入试样内部发生物质相互作用时，除损 失部分能量外，还有40～80%的能量转换为热， 导致电子扩散区域的温度升高。 入射电子采用周期脉冲方式照射试样，且频率极高，
在试样中会产生声波的现象称为电声效应。
由电声效应产生的声波信息也可用作扫描电镜的成
透射电子
衍射效应：入射电子束与晶体物质发生弹性相干散射可
产生衍射。2dsinθ=λ ,从而用于分析研究。
衍衬效应：由于样品相邻区域位向或结构不同，使衍射
束强度不同造成图亮度差别的效应。
用于：显示单相合金晶粒的形貌，或多相合金中不同相
的分布情况，以及晶体内部的结构缺陷等。
电子与物质ຫໍສະໝຸດ Baidu交互作用
第6 章 电子与物质的交互作用
电子与物质的交互作用
电子与物质相互作用会产生透射电子、弹
性散射电子、能量损失电子、二次电子、
背反射电子、吸收电子、X射线、俄歇电 子、阴极发光和电动力等多种物理现象。
电子与物质的交互作用
散射
散射:聚焦电子束照射到样品上时，在样品物质的
库仑电场作用下，入射电子方向发生改变。 分为：弹性散射和非弹性散射。 弹性散射：电子只改变方向，无能量变化。 非弹性散射：电子不但改变方向，能量也有衰减转 变为热、光、X射线、二次电子等。
于入射电子的轨道方向作径向发散运动，在电子路径旁形成正
电区域，而较远处形成负电区域。 一定条件下入射电子可导致晶体的等离子激发，而等离子振荡 的能力也是量子化的，具有特征值，随元素和成分不同而异。 引起等离子激发后能逸出试样表面的入射电子称为特征能量损 失电子；测量其能量进行成分分析称为能量分析显微术； 利 用这种电子信息成像称为能量选择电子显微术。
即核外电子对入射电子的散射作用， 负号表示核外电子对原子核的弹性散射的屏蔽作用。
电子与物质的交互作用
原子核对电子的非弹性散射
非弹性散射使得入射电子不但改变方向，还有能量损失 损失的能力转变为X射线：E h hc

产生的连续谱的强度数据 在分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度时十分有用。
电子与物质的交互作用
入射电子
Auger电子
阴极发光
背散射电子
二次电子 X射线
样 品
透射电子
电子与物质的交互作用
二次电子
定义：入射电子与原子核外电子发生作用时，使原
子变为离子而失掉的电子。
价电子激发：原子中的电子；（主要形式） 芯电子激发：原子内层的电子被激发。 价电子的激发几率远大于内层电子：所耗能量少 特点：1、对样品表面形貌敏感；2、空间分辨率高； 3、信号收集效率高： 成为扫描电镜成像的主要手段。
电子与物质的交互作用
特征X射线：根据波长及强度进行定性和定量分析。 俄歇电子：俄歇过程至少有两个能级 俄歇电子 和三个电子参与，称为KL2L2电子， 能量近似等于EK-EL2-EL3, 具有固定值，随元素不同而不同。 特点： 1.适于轻元素及超轻元素： 它们的电子产率很高； 2.适于表面薄层分析：仅限于 表层以下1nm以内的深度范围。
电子与物质的交互作用
背散射电子
定义：散射过程中，累计散射角超过90º ，重新从样 品表面逸出的电子。 特点： 1）对样品物质的原子序数敏感：电子产额随原子序 数增大而增加，电子像的衬度与样品各微区的成分 相关，可显示金属中各相的分布情况。 2）分辨率及信号收集率较低：能量高，空间分辨率 低，且不易偏转。 电子显微分析利用那些能量较高，尤其是能量接近或等 于E0的电子
电子与物质相互作用会产生透射电子、弹性散射电 子、能量损失电子、二次电子、背反射电子、吸收 电子、X射线、俄歇电子、阴极发光和电动力等多 种物理现象。 电子显微镜就是利用这些信息来对试样进行形貌观 察、成分分析和结构测定的。电子显微镜和光学显 微镜的本质区别就是电子显微镜采用电子束代替光。
电子与物质的交互作用
电子与物质的交互作用
1.二次电子发射效率 SE 进而反映表面形貌。
1 I P cos 从而 发生变化， SE 或I SE 发生变化， I SE 2.二次电子只能在接近表面约10nm以内 才能产生成为信号，此时入射束尚无明显的 侧向扩展，从而信号反映的使一个与入射束 直径相当、很小体积范围内的形貌特征。 3.二次电子能量低，借助电场可检测绝大部分的二次电子。
X射线衍射仪
X射线
电子探针仪
扫描电镜
二次电子
韧致辐射
阴极荧光
入射电子
背散射电子
吸收电子
俄歇电子
试 样
透射电子 衍射电子
俄歇电镜
透射电子显微镜
电子衍射仪
电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器
电子与物质的交互作用
阴极发光
不同种类固体，阴极发光的物理过程不同。
大多数阴极发光材料对杂质十分敏感：杂质原子分 布的不均匀都可造成阴极发光的强度差异，从而可 用来检测杂质；另外鉴定物相也十分有效。
电子与物质的交互作用
入射电子和晶体中电子云相互作用
金属晶体可看作等离子体，当入射电子通过时，电子云在垂直
电子与物质的交互作用
吸收电子
定义：在样品内经多次非弹性散射后既无力穿透样 品，也不能逸出表面的电子。 吸收电流：通过高灵敏度电流表检测到样品对地电 流的大小。 背散射电荷与吸收电子的和等于一，两者在数量上 存在互补关系。 利用吸收电流成像也可得到原子序数不同的元素在 样品上各微区定性的分布。（本身意义不大，但是 可反映背散射电子的强度）
像信息。
电子与物质的交互作用
透射电子
受入射电子束照射的微区在厚度、晶体结构或成分 上的差别会导致透射电子的强度、运动方向及能量 分布上有所反映。 质量衬度效应：质量或厚度的差别导致相应区域透 射电子强度的改变，从而在图象上形成亮暗不同的
区域的效应。可用于观察复型样品。
电子与物质的交互作用
特征X射线及俄歇电子
电子与物质的交互作用
自由载流子形成的伴生效应
对于一些半导体、磷光体和绝缘体物质，内层电子 被激发可通过碰撞电离，使满带电子被激发到导带 中去，形成自由载流子。 物质中电子-空穴对的形成会破坏局部平衡，有回到 平衡状态的趋势，且伴生不同的信息。 产生阴极发光：对于磷光体物质，形成电子-空穴对 后，如发生电子跳回基态的复合过程，多余能量以 发射光的形式释放。 产生电子感生电导：对于半导体物质，产生电子-空 穴后，在外加电场作用下可产生附加电导。
电子与物质的交互作用
核外电子对入射电子的非弹性散射
发生的非弹性散射使入射电子所损失的能量部分转变
为热能，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流
子，并伴随这产生各种有用信息，如二次电子，俄歇
电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、
电子感生电导等。 非弹性散射产生的物理效应可反映样品的形貌、结构 及成分特征，为电子显微分析提供信息来源。
电子与物质的交互作用
入射电子和晶格相互作用
晶格振动：物质晶格点阵中原子在节点平衡位置上不断 热振动。其能量是量子化的 被晶格散射后的入射电子会被晶格吸收部分能量，使原 子在晶格中的振动频率增加。当晶格的振动恢复到原来 的状态时，将以声子发射方式将能量释放。 入射电子和晶格的作用可看作是电子激发声子或吸收声 子的碰撞过程，能量改变不大，但动量改变很大，发生 大角度散射。 低损失电子：经多次声子散射后损失的中能量在10～ 100eV，返回试样表面的入射电子，是产生电子通道效 应的主要衬度来源。