电子与物质的相互作用

电子与物质的相互作用与扫描电镜原理

当一束聚焦电子束沿一定方向入射到试样内时，由于受到固体物质中晶格位场和原子库仑场的作用，其入射方向会发生改变，这种现象，称为散射。如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其总动能基本上无变化，则这种散射成为弹性散射；如果在散射过程中入射电子的方向和动能都发生改变，则这种散射成为非弹性散射。

入射电子的散射过程是一种随机过程，每次散射后都使其前进方向改变，在非弹性散射过程是一种随机过程，每次散射后都使其前进方向改变，在非弹性散射情况下，还会损失一部分能量，并伴有各种信息的产生如热、X 射线、光、二次电子发射等。从理论上，入射电子的散射轨迹可以用蒙特卡罗方法来模拟如图2-1 所示。

并且推导得入射电子的最大穿透深度可用如下公式来描述：

Zmax = 0.0019(A / Z)1.63 E01.71 /ρ

式中ρ为密度；

A 原子量；

Z 为原子序数；

E0 为入射电子的能量

1－入射电子；2－二次电子；3－背反射电子；4－俄歇电子；5－X 射线；6－阴极发光；7－扩散云；Zmax －入射电子的最大穿透深度；φ－入射电子的入射角；ψ－返回表面的出射角。

如图2-1 所示，入射电子经过多次弹性和非弹性散射后，可能出现如下情况：

（1）部分入射电子所累积的总散射角大于90°，重新返回表面逸出，这些电子成为背反射电子（原入射电子或称为一次电子）；

（2）部分入射电子所累积的总散射角小于90°，并且试样的厚度小于入射电子的最大贯穿深度，则它可以穿透试样而从另一面逸出，这部分电子称为透射电子；

（3）部分入射电子经过多次非弹性散射后，其能量损失殆尽，不再产生其它效应，被试样吸收，这部分电子称为吸收电子。

系统研究表明，入射电子的散射过程可以在不同的物质层次中进行。如果入射电子的能量是在5～30keV 之间，则可能存在如下几种情况：

（1）入射电子和原子和相互作用；

（2）入射电子和原子中核外电子相互作用；

（3）入射电子核晶格相互作用；

（4）入射电子和晶体空间中电子云相互作用。

现将上述各种相互作用的物理过程说明如下：

2.1.2 入射电子和原子核的相互作用

当入射电子从原子核近距离经过时，由于受原子核库仑电场的作用，会引入入射电子被散射。这种散射过程可以分为弹性散射和非弹性散射两种情况：

1．卢瑟福散射和弹性散射电子

如果入射电子与原子核相互作用遵守库仑定律，则电子在库仑势作用下发生散射，散射后电子的能量并不改变，这种散射即弹性散射，其运动轨道将以一定的散射角θ偏离原来的入射方向。（如图2-2 所示）

这种散射称为卢瑟福散射（Rutherford Scattering），相应被散射的入射电子称为弹性散射电子。理论分析表明，弹性散射电子的散射角θ可以用如下公式来确定：

θ＝ Ze2 / E0rn

式中 E0－入射电子的能量；

Z－原子序数；

e－电子电荷；

rn －入射电子轨道到原子核距离。

由此可见，原子序数越大，电子能量越小，入射轨道距核越近，则散射角越大。在电子显微分析术中，弹性散射电子是电子衍射及其成像的物理基础。

2．非弹性散射和韧致辐射

如果入射电子和原子核发生非弹性散射，则入射电子将连续地损失其能量，这种能量损失除了以热的形式释放出来外，也可能以光量子（X 射线）的形式释放出，并有如下关系存在：

ΔE＝hν＝hc/λ

式中ΔE－非弹性散射的能量损失；

h－普朗克常数；

c－光速；

ν和λ－依次是X 射线的频率和波长。

因为ΔE 是一个连续变量，相应转变为X 射线的波长也是连续可变的，结果发射出无特征波长的连续X 射线，这种现象称为韧致辐射（Bremsstrahlung）。

2.1.3 入射电子与原子中核外电子的相互作用

原子中核外电子对入射电子的散射作用是属于非弹性散射过程。在散射过程中入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子（在半导体情况下），并伴随着产生各种有用信息，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。

1．原子的电离

当入射电子与原子中核外电子发生相互作用时，会使原子中电子失掉一个电子而变成离子，这种现象称为电离，而这个脱离原子的电子称为二次电子。在扫描电镜中，二次电子是最重要的成像信息。

一般来说，原子的电离有两种途径：

（1）价电子激发。当入射电子和原子中价电子发生非弹性散射作用是会损失其部分能量（约30～50eV），这部分能量激发价电子脱离原子的价电子，称为二次电子。一般二次电子的能量在30～50eV 之间，这种过程称为价电子激发，它是产生二次电子的主要物理过程。

（2）芯电子激发。当入射电子和原子中内层电子发生非弹性散射作用时也会损失其部分能量（约几百电子伏特），这部分能量将激发内层电子发生电离，从而使一个原子失掉一个内层电子而变成离子，这种

过程称为芯电子激发。在芯电子激发过程中，除了能产生二次电子外，同时还伴随着产生特征X 射线和俄歇电子等重要物理过程。

2．芯电子激发的伴生效应

（1）产生特征X 射线。如果电子跃迁复位过程中所放出能量以光量子形式释放出，则产生具有特征能量的X 射线，简称为特征X 射线。在扫描电镜中，特征X 射线信息主要用来进行成分分析。

（2）产生俄歇电子。如果电子跃迁复位过程所放出的能量再次使原子的电子产生电离变成具有特征能量的二次电子，则称这种具有特征能量的二次电子为俄歇电子。

综上所述，芯电子激发及其复位所释放能量，或者产生该元素的特征X 射线，或者产生俄歇电子，这两个过程是互斥事件。如果产生特征X 射线的几率是ωx，产生俄歇电子的几率是ωA ,则有如下关系存在：ωx＋ωA＝1

实验表明，产生上述两种互斥过程的几率是同物质的原子序数Z 有关，对于轻元素（当Z<32 时），ωA> ωx ；对于重元素（当Z>33 时），ωA< ωx ；而当Z=32～33 时，ωA ＝ωx 。因此，对于重元素的成分分析，宜采用X 射线信息，反之，对于轻元素的成分分析，宜采用俄歇电子信息。

2.1.4 入射电子和晶格的相互作用

晶格对入射电子的扩散作用也是属于一种非弹性散射过程，因此，入射电子被晶格散射后也会损失部分能量（约0.1eV），这部分能量被晶格吸收，结果导致原子在晶格中的振动频率增加。当晶格回复到原来状态时，它将以声子发射的形式把这部分能量释放出，这种现象称为声子激发。由于导致声子激发后入射电子所损失的能量很小，如果这种电子能逸出试样表面，则这种电子称为低能损失电子，它是电子通道现象的主要衬度效应来源。

2.1.5 入射电子与晶体中电子云的相互作用

原子在金属晶体中的分布是长程有序的，因此，我们可以把金属晶体看作是一种等离子，即一些正离子基本上是处于晶体点阵的固定位置，而价电子构成流动的电子云，漫散在整个晶体空间中，并且在晶体空间中正离子与电子的分布基本上能保持电荷中性。

当入射电子通过晶体空间时，在它的轨道周围会破坏那里的电中性，使电子受到排斥作用而在垂直于入射电子的轨道方向作径向发散运动。当这种径向发散运动超过电中性要求的平衡位置时，则在入射电子的轨道周围变成正电性，又会使电子云受到吸引力相反方向作径向向心运动。当超过其平衡位置后，又再产生负电性，迫使入射电子周围的电子云再作一次径向发散运动，如此往复不已，造成电子云相对于晶格结点上的正离子位置发生集体振荡现象，称为等离子激发。

入射电子导致晶体的等离子激发也会伴随着能量损失（约几十电子伏特），但这种能量损失具有一定的特征值，随不同元素和成分而异。因为入射电子在晶体中的不同位置可以使电子云相对于晶格结点上的