电子探针显微分析电子教案
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• （图像的衬度Hale Waihona Puke Baidu背散射电子像相反。）
2020/8/3
四、特征X射线
• 特征X射线：原子的内层电 子受到激发以后，在能级跃 迁过程中直接释放的一种电 磁辐射。
• 特点： • ① 代表了元素的特征能量
和波长
2020/8/3
• 具体来说，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原 子空有就位E处后＝于，EK-K原E激L子2发的体态能系，量变具释成有放L能2出激量来发E。态K。，当能一量个从L2E层K降电为子EL填2，补这K层时
• 二次电子的特点：
• ① 能量较低；一般小于50 eV，大部分只有几个电子 伏特。
• ② 取样深度较浅；这是因为SE能量很低，只有在接 近表面大约几十nm内的SE才能逸出表面，成为可接 受的信号。
• 因此，二次电子来自表面5～50nm的区域，能量为0～ 50 eV。
2020/8/3
• ③ 主要用于形貌观察；这是因为二次电子产额随原 子序数的变化不明显，主要决定于试样的表面形貌。
K
Z 2
• 式中，Z为原子序数，K、为常数。 • 因此，利用原子序数和特征能量之间的对应关系可以进
行成分分析。
2020/8/3
五、俄歇电子（Auger electron，AUE）
• 如果原子内层电子能级跃迁过 程中释放出来的能量E不以X射 线的形式释放，而是用该能量 将核外另一电子打出，脱离原 子变为二次电子，这种二次电 子就是俄歇电子。
• 产生过程：包括弹性背散射电 子和非弹性背散射电子。非弹 性背散射电子的能量分布范围 很宽，可从数十电子伏特到接 近入射电子的初始能量。
2020/8/3
• 背散射电子的特点：
• ① 分析用的背散射电子信 号通常是指那些能量较高， 其中主要是能量等于或接近 入射电子能量的弹性背散射 电子。
• 如图，这是由于从电子能谱曲 线上看出，能接收到的非弹性 背散射电子数量比弹性背散射 电子少得多。
2020/8/3
• ② 背散射电子像的分辨 率低于二次电子；
• 背散射电子的产生范围在0.1 ～1 m深，来自于比二次电子 更大的区域，故背散射电子像 的分辨率比较低，一般为50 ～200nm。
2020/8/3
• ③ 不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数 衬度，进行定性地微区成分分析。
• 背散射电子的产额随原子序数（Z）的增加而增加 ； 而且与表面形貌也有一定的关系。
• ④ 空间分辨率较高。由于二次电子来自试样的表面 层，入射电子还来不及被多次散射，因此产生二次电 子的面积主要与入射电子的照射面积（即束斑）大小 有关。所以二次电子的空间分辨率较高，一般可达到 5～10nm。
• 扫描电镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。
2020/8/3
二、背散射电子（BSE）
• 背散射电子（也称初级背散 射电子）：指受到固体样品 原子的散射之后又被反射回 来的一部分入射电子。
2020/8/3
第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号
• 高能电子与固体物质相 互作用可以产生很多信 息。检测这些信息，并 通过分析得到样品的形 貌、成分、结构等信息 。
• 这些信息包括：二次电 子、背散射电子、吸收 电子、透射电子以及俄 歇电子、特征X射线等 （如图）。
2020/8/3
• 对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度I0一 定，则Is一定(仅与形貌有关)，那么Ia与Ib存在互补关 系，即背散射电子增多则吸收电子减少。
2020/8/3
• 吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的 原子序数相关。
• 因此，吸收电子像可以反映原子序数衬度，同样 也可以用来进行定性的微区成分分析。
• （若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射 。）
• 此X射线的波长为：
K
hc EK EL2
• 因此，辐射的X射线都有与元素对应的特征能量和特征波 长。
2020/8/3
• ② 特征X射线是从试样0.5～5m深处发出的。
• ③ 可进行微区成分分析。
• 特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：
• ④ 利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学 特征。
2020/8/3
三、吸收电子（AE）
• 高能电子入射样品后，其中一部分入射电子经多 次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够 厚度，没有透射电子产生），最后留在样品内部 ，即称为吸收电子。
• 若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则得到吸收电子 像。
• 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表(如毫安表) ，将检测到样品对地的电流信号，这个信号是由吸收电子 提供的，就是吸收电流（或称样品电流信号）。
2020/8/3
• 假如入射电子束照射一个足够厚度(μm数量级)的样品 ，没有透射电子产生，则：
• I0=Ib+Is+Ia
• 式中，入射电子电流强度I0、背散射电子电流强度Ib 、二次电子电流强度Is 、吸收电子电流强度Ia 。
• 显然，一个原子中至少要有三 个以上的电子才能产生俄歇效 应，铍是产生俄歇效应的最轻 元素。
2020/8/3
• 俄歇电子的特点：
• ① 带有元素原子的特征能量 • 俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能
级(如EK、EL)有关。而EK 、 EL各能级的能量仅 与元素(原子序数)有关，所以每一个俄歇电子的 能量都有固定值，即带有元素原子的能量特征。 • ② 俄歇电子能量很低；一般为50～1500eV ，随 不同元素、不同跃迁类型而异。
第八章 扫描电子显微镜与电子探针 显微分析
• 内容提要： • 第一节 电子束与固体样品相互作用时
产生的物理信号 • 第二节 扫描电子显微镜的结构和工作原理 • 第三节 表面形貌衬度原理及其应用 • 第四节 原子序数衬度原理及其应用 • 第五节 电子探针X射线显微分析
2020/8/3
引言
• SEM用于材料分析的特点 • ① 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达
1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； • ② 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）
，且连续可调； • ③ 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大
的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； • ④ 试样制备简单。一般来说，比透射电镜（TEM）的
制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态； • ⑤ 可做综合分析。
2020/8/3
四、特征X射线
• 特征X射线：原子的内层电 子受到激发以后，在能级跃 迁过程中直接释放的一种电 磁辐射。
• 特点： • ① 代表了元素的特征能量
和波长
2020/8/3
• 具体来说，如在高能入射电子作用下使K层电子逸出，原 子空有就位E处后＝于，EK-K原E激L子2发的体态能系，量变具释成有放L能2出激量来发E。态K。，当能一量个从L2E层K降电为子EL填2，补这K层时
• 二次电子的特点：
• ① 能量较低；一般小于50 eV，大部分只有几个电子 伏特。
• ② 取样深度较浅；这是因为SE能量很低，只有在接 近表面大约几十nm内的SE才能逸出表面，成为可接 受的信号。
• 因此，二次电子来自表面5～50nm的区域，能量为0～ 50 eV。
2020/8/3
• ③ 主要用于形貌观察；这是因为二次电子产额随原 子序数的变化不明显，主要决定于试样的表面形貌。
K
Z 2
• 式中，Z为原子序数，K、为常数。 • 因此，利用原子序数和特征能量之间的对应关系可以进
行成分分析。
2020/8/3
五、俄歇电子（Auger electron，AUE）
• 如果原子内层电子能级跃迁过 程中释放出来的能量E不以X射 线的形式释放，而是用该能量 将核外另一电子打出，脱离原 子变为二次电子，这种二次电 子就是俄歇电子。
• 产生过程：包括弹性背散射电 子和非弹性背散射电子。非弹 性背散射电子的能量分布范围 很宽，可从数十电子伏特到接 近入射电子的初始能量。
2020/8/3
• 背散射电子的特点：
• ① 分析用的背散射电子信 号通常是指那些能量较高， 其中主要是能量等于或接近 入射电子能量的弹性背散射 电子。
• 如图，这是由于从电子能谱曲 线上看出，能接收到的非弹性 背散射电子数量比弹性背散射 电子少得多。
2020/8/3
• ② 背散射电子像的分辨 率低于二次电子；
• 背散射电子的产生范围在0.1 ～1 m深，来自于比二次电子 更大的区域，故背散射电子像 的分辨率比较低，一般为50 ～200nm。
2020/8/3
• ③ 不仅能分析形貌特征，也可用来显示原子序数 衬度，进行定性地微区成分分析。
• 背散射电子的产额随原子序数（Z）的增加而增加 ； 而且与表面形貌也有一定的关系。
• ④ 空间分辨率较高。由于二次电子来自试样的表面 层，入射电子还来不及被多次散射，因此产生二次电 子的面积主要与入射电子的照射面积（即束斑）大小 有关。所以二次电子的空间分辨率较高，一般可达到 5～10nm。
• 扫描电镜的分辨率通常就是二次电子分辨率。
2020/8/3
二、背散射电子（BSE）
• 背散射电子（也称初级背散 射电子）：指受到固体样品 原子的散射之后又被反射回 来的一部分入射电子。
2020/8/3
第一节 电子束与固体样品相互作用时 产生的物理信号
• 高能电子与固体物质相 互作用可以产生很多信 息。检测这些信息，并 通过分析得到样品的形 貌、成分、结构等信息 。
• 这些信息包括：二次电 子、背散射电子、吸收 电子、透射电子以及俄 歇电子、特征X射线等 （如图）。
2020/8/3
• 对于一个多元素的平试样来说，当入射电流强度I0一 定，则Is一定(仅与形貌有关)，那么Ia与Ib存在互补关 系，即背散射电子增多则吸收电子减少。
2020/8/3
• 吸收电子的产额同背散射电子一样与样品微区的 原子序数相关。
• 因此，吸收电子像可以反映原子序数衬度，同样 也可以用来进行定性的微区成分分析。
• （若这一能量以X射线形式放出，这就是该元素的K辐射 。）
• 此X射线的波长为：
K
hc EK EL2
• 因此，辐射的X射线都有与元素对应的特征能量和特征波 长。
2020/8/3
• ② 特征X射线是从试样0.5～5m深处发出的。
• ③ 可进行微区成分分析。
• 特征X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律：
• ④ 利用BSE的衍射信息还可以研究样品的结晶学 特征。
2020/8/3
三、吸收电子（AE）
• 高能电子入射样品后，其中一部分入射电子经多 次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品有足够 厚度，没有透射电子产生），最后留在样品内部 ，即称为吸收电子。
• 若把吸收电子信号作为调制图像的信号，则得到吸收电子 像。
• 若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电流表(如毫安表) ，将检测到样品对地的电流信号，这个信号是由吸收电子 提供的，就是吸收电流（或称样品电流信号）。
2020/8/3
• 假如入射电子束照射一个足够厚度(μm数量级)的样品 ，没有透射电子产生，则：
• I0=Ib+Is+Ia
• 式中，入射电子电流强度I0、背散射电子电流强度Ib 、二次电子电流强度Is 、吸收电子电流强度Ia 。
• 显然，一个原子中至少要有三 个以上的电子才能产生俄歇效 应，铍是产生俄歇效应的最轻 元素。
2020/8/3
• 俄歇电子的特点：
• ① 带有元素原子的特征能量 • 俄歇电子的能量与其发生过程相关的原子壳层能
级(如EK、EL)有关。而EK 、 EL各能级的能量仅 与元素(原子序数)有关，所以每一个俄歇电子的 能量都有固定值，即带有元素原子的能量特征。 • ② 俄歇电子能量很低；一般为50～1500eV ，随 不同元素、不同跃迁类型而异。
第八章 扫描电子显微镜与电子探针 显微分析
• 内容提要： • 第一节 电子束与固体样品相互作用时
产生的物理信号 • 第二节 扫描电子显微镜的结构和工作原理 • 第三节 表面形貌衬度原理及其应用 • 第四节 原子序数衬度原理及其应用 • 第五节 电子探针X射线显微分析
2020/8/3
引言
• SEM用于材料分析的特点 • ① 仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达
1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)； • ② 仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍）
，且连续可调； • ③ 图像景深大，富有立体感。可直接观察起伏较大
的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）； • ④ 试样制备简单。一般来说，比透射电镜（TEM）的
制样简单，且可使图像更近于试样的真实状态； • ⑤ 可做综合分析。