第5-电子与物质的相互作用分析

❖单个原子对λ射电子的散射
❖ 1、原子核的散射 — 弹性散射
❖ 弹性散射：仅改变方向，不改变能
量。
Ze U rn
或rn
Ze
U
rn：瞄准距离；：散射角； ❖ Ze：原子核电荷；U：加速电压
❖ 意 义：弹性散射是电子衍射谱和电子
❖衍射像的基础
❖ 2、核外电子的散射 — 非弹性散射
❖ 非弹性散射：即改变方向、又改变 能量。
材料电子显微分析
第3章 电子与物质的相互 作用
材料电子显微分析
3.1 几种基本信号及其应用
Transmission Electrons
3.2 电子与物质的相互作用
电子的散射
弹性散射
非弹性散射
❖弹性散射 原子对入射电子的散射仅改变电子 的运动方向，而无能量的变化。 称为弹性散射。
非弹性散射
原子对入射电子的散射不仅改变电 子的运动方向，而且使其能量减少。 则为非弹性散射。
晶界成分分析
3.2.5 透射电子
入射电子经弹性散射和非弹性散射后， 穿过样品并携带有样品的内部信息。
特点：能量高；成象分辨率较高。 穿透深度： < 10－20nm。 透射电镜中成像和衍射的基本信号。
3.2.6 吸收电子
入射电子经多次非弹性散射后 能量损失殆尽而留在试样中，称 为吸收电子。
特点：由吸收电子产生的吸收电流随试样厚度和 原子序数的增大而增大。 （其图象衬度恰与背反射电子图象的相反）
应用：
TEM或SEM中利用能谱探头接受特征X射 线做成分分析
应用
3.2.4 俄歇电子
俄歇 电子 产生
3.2.4 俄歇电子
处于电离态的原子中的电子发生能级跃迁 （退激）时，所释放的能量使另一核外 电子被电离，并勉出样品，此电子即为 俄歇电子。
特点：能量与试样原子壳层能级有关 逸出深度：在试样表面1nm层内。
定义： 当样品原子的内层电子被入射电子激发 或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态， 外层电子向内层跃迁填补内层空缺，多于的能 量以特征X射线辐射出来。
特点：能量与试样原子壳层能级有关
发射深度：较二次电子和背散射电子的逸出
深度深。
由于不同原子具有不同的内部 结构，电子轨道之间的能量差 不同，所以辐射出的X-Ray光 子的波长不同 — 称为 特征XRay。
逸出深度：距表面几个微米深度范围
背散射电子的产额： 与样品中原子的原子序数（Z）有关。 Z大，背散射电子的电子数量多。
背散射电子的信号即可以用来进行形貌分析， 也可用于成分分析．
二次电子和背散射电子的产额 与试样原子序数的关系
1）背散射电子形貌衬度特点
用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比 二次电子低。Why?
2）背散射电子原子序数衬度原理
背散射电子产额随样品中元素原子序数的增 大而增加，因而样品上原子序数较高的区域产生较 强的信号，在背散射电子像上显示较高的衬度．这 样就可以根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区 域原子序数的相对高低，对金属及其合金进行定性 的成分分析。
3.2.3 特征X射线
3.2.3 特征X射线
(２).二次电子衬度原理
(２).二次电子衬度原理
2
二次电子的产额
1 c os
(θ为入射电子束与试样表面法线的 夹来自百度文库)
(２).二次电子衬度原理
3.2.2 背散射电子
入射电子受弹性碰撞后，散射角>90°的散射 电子。
特点：能量高 （>50eV，多与入射电子能 量相近：E0） 数目与成分有关，成像分辨率较低 （可从试样表面较深处射出，故发射广度 较大）
（适宜作表层微区成分分析） 是俄歇能谱仪的检测信号。
表面组成的分析
Ar轰击表面清洁处理后，由 于Ag的溅射几率较高，合金 表面Pd的相对浓度为57%
体相Pd原子浓度为 40%的Ag-Pd合金
高温退火后，合金稳定的表
面组成为Pd32Ag68，表面为 Ag富集。
Ag-Pd合金退火前后的AES谱 a.退火前；b.700K退火5min.
长分析谱仪（WDS） — 成分分析； ❖ 阴极荧光：荧光光谱仪 — 成分分析； ❖ 俄歇电子：俄歇谱仪 — 表面成分分析。
作业
❖ 1、电子束入射固体样品表面会激发哪 些信号？它们有哪些特点和用途？
❖ 2、二次电子像和背散射电子像在显示 表面形貌衬度时有何相同与不同之处？
3.2.7 阴极荧光
电子轰击样品表面时产生的发光 现象，光波波长在可见光范围 。
各种电子信号的能量与数目（强度）
在试样表面上方接受到的电子谱
各种信号产生的深度和广度
小结：各种信号的用途
❖ 透射电子： ❖ TEM、能量损失谱仪 — 结构、组织、成
分分析； ❖ 背散射电子、二次电子、吸收电子： ❖ SEM – 表面形貌观察； ❖ 特征X-Ray：能量色散谱仪（EDS）、波
降低图像衬度。
3.2.1 二次电子
❖入射电子激发样品中原子的外层价电 子，使之成为自由电子，并勉出样品 表面。
特点：对试样表面状态非常敏感
试样表面形貌分析，成象分辨率最高
逸 出 深 度 ： 试 样 表 面 10nm 层 内 （<50eV）
❖二次电子产额与样品表面形貌凸 凹不平敏感，与原子序数（Z）无 关，所以不能做成分分析。
e U re
或re
e
U
❖意 义：电子在非弹性散射中损失的能量 ❖被转换成热、光、X射线、二次电子发射等， ❖电子的非弹性散射是扫描电镜像、 ❖能谱分析、电子能量损失谱的基础
❖ 结 论：
❖ 1) 、弹性散射>>非弹性散射； ❖ 2)、弹性散射是TEM成像的基础； ❖ 3)、非弹性散射引起色差和背底强度，