第六章 电子与物质的交互作用

第六章电子与物质的交互作用

6.1 散射

散射：当一束聚焦电子沿一定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生改变，称为散射。

弹性散射：电子只改变运动方向，基本上无能量变化。

非弹性散射：电子运动方向改变，

能量也有不同程度的衰减。

6.1.1原子核对电子的弹性散射

当入射电子从距原子核

r处经过

n

时，由于原子核的正电荷的吸引作用，

入射电子偏离入射方向。此即原子核对

电子的弹性散射

散射角n 与瞄准距离n r、核电荷数

e Z 及入射电子的能量0E 之间的关系为：

n n n r E Z 0=θ

可见，原子序数越大，电子能量越小，距核越近，则散射角越大。 除原子核对电子的散射外，核外电子带负电荷，对原子核的弹性散射有屏蔽作用。

由于原子对电子的散射比对X 射线的散射强得多，因此，电子在物质内部的穿透深度要比X 射线小得多。

作用：原子核对电子的弹性散射是电子衍射及成像的基础。

6.1.2原子核对电子的非弹性散射

非弹性散射发生后，电子运动方向改变，能量也有不同程度的损失，损失的能量△E 转化为相应的X 射线的能量：

λγ∆/hc h E ==

可见，能量损失越大，X 射线的波长越短。

不利影响：产生的X射线是连续的无特征波长的X射线，不能反映样品结构或成分特征，反而产生背景信号，影响成分分析的灵敏度和准确度，对X射线衍射不利。

作用：连续X射线谱的强度数据可用于分析颗粒样品和粗糙表面样品的绝对浓度。

6.1.3核外电子对入射电子的非弹性散射

散射时入射电子所损失的能量部分转变为热，部分使物质中的原子发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生二次电子、俄歇电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光和电子感生电导等有用信息。

不利影响：在电子衍射及透射电镜成像中引起色差而增加背景强度及降低图像衬度。

作用：产生的电离、阴极发光及电子云的集体振荡等物理效应，可以反映样品的形貌、结构及成分特征，是各种电子显微分析仪器的重要信息来源。

6.2 高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息

6.2.1 二次电子

电离：入射电子与核外电子发生相互作用时，使原子失去电子而变成离子，这种过程叫电离。

二次电子：电离时脱离原子的电子。

价电子激发：原子的最外层电子（价电子）被电离出来变成二次电子的过程。

芯电子激发：原子的内层电子被电离出来变成二次电子的过程。

价电子激发所需的能量比芯电子激发所需的能量小得多，故价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。

二次电子的主要特点：

1.对样品表面形貌敏感

二次电子的产额（发射效率）

δ与入射电子束的入射角θ有下列关

SE

系：

θδcos 1=∝=P SE SE I I

式中SE I 为二次电子电流强

度，P I 为入射电子电流强度。

当样品表面不平时，入

射角θ不同，二次电子的强

度相应改变，用检测器检测

样品上方的二次电子，则得

到形貌衬度图像，这种图像

就能反映出样品表面形貌特

征。见右图。

2.空间分辨率高

入射电子束进入样品后，

由于受到原子核及核外电子的散射，

其作用范围有所扩展，见下图。

图中，(a)电子束散射区域梨形形

状；(b)重元素样品的电子束散射区

域半球形状。2-俄歇电子激发区域；

4-二次电子激发区域；5-背散射电

子激发区域；6-初级X射线激发区

域

只有接近表面约10nm

以内的二次电子才能逸出表

面被检测器接收，在此深度

入射束尚无明显侧向扩散，

检测到的信号仅反映了与入射束直径相当、很小体积范围内的形貌特征，所以，二次电子具有较高的空间分辨率。

扫描电镜中二次电子像的分辨率为3-6nm，透射电镜为2-3nm。

3.信号收集效率高

二次电子信号是以入射束的照射点为中心向四面八方发射的（相当于点光源）。但由于仪器结构设计方面的困难，二次电子信号检测器的检测部分只占信号分布范围的很小一部分，这样，信号收集效率必然很低。

好在二次电子能量很低，易受电场作用。因此，可在检测器上面加一个5-10kV的正电压，就可使样品上方的绝大部分二次电子都进入检测器。

目前，二次电子是扫描电镜成像的主要手段。

6.2.2 背散射电子

入射电子照射样品后，发生弹性和非弹性散射，有些入射电子的累计散射角超过90°，它们将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。

在样品上方能够测量的电子数目随能量的分布如下图（电子能谱曲线）。其中，E0处为弹性散射峰，＜50eV的低能段为二次电子峰，两峰之间是非弹性散射电子构成的背景，包括：背散射电子峰、俄歇电子峰、

特征能量损失峰。

背散射电子的能量分布

较宽。电子显微分析仪器中

利用的背散射电子是那些能

量较高的（能量接近或等于

E0的电子），这些背散射电子

有如下特点：

1.对样品物质的原子序

数敏感

背散射电子产额随原子序数的增大而增加，如图。所以，背散射电子像的衬度与样品上各微区的成分密切相关，金属中各相分布易于显示。

2.空间分辨率及信号收集率较低

如右图，5-背散射电子激发区域

背散射电子激发区域大，空间分辨率

低，只能达到100nm。

而且，背散射电子能量大，运动方向

不易偏转，检测器只能接收一定方向上的

及较小立体角范围内的电子，信号收集率

较低。

6.2.3 吸收电子

当样品较厚（达微米数量级），入射电

子的一部分在样品内经过多次非弹性散射后，能量耗尽，既无力穿透样品，也不能逸出表面，这种电子称为吸收电子。

吸收电子与背散射电子（包括二次电子）是互补关系，即原子序

数越大，背散射电子越多，则吸收电子越少，反之亦然。因此，吸收