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，吸收电子像的衬度正好与背散射电子像相反，同样可以得到原子序数不同的元素在样品上各微区定性的分布情况。

6.2.4特征X 射线及俄歇电子入射电子照射样品，内层（K 层）电子被激发（发生电离），原子处于激发态，能量为E K ，L 2层电子填补内层电子空位，能量由E K 变为E L ，此时，可通过两种途径释放能量E K –E L ：1.产生X 射线，即该元素的αK 辐射，其波长为αλk L K hc E E /=-，不同元素E K 和E L 的值不同，有特征性，αK 辐射波长不同，故为特征X 射线。

可用于成分分析、晶体结构研究等。

2.释放出的能量E K –E L 使另一核外电子电离成二次电子，它的能量随元素不同而不同，这种具有特征能量的二次电子称为KL2L2俄歇电子。

俄歇电子已用于俄歇电子能谱仪进行元素分析。

俄歇电子有以下特点：1.适于分析轻元素及超轻元素轻元素及超轻元素的X射线产额低，而俄歇电子产额高，用于成分分析灵敏度远高于X射线。

2.适于表面薄层分析俄歇电子激发区域小，能够保持其特征能量而逸出表面的俄歇电子只限于表层以下1nm以内的深度范围。

因此，俄歇电子可用于样品表面、晶界或相界面处的成分分析。

6.2.5自由载流子形成的伴生效应当入射电子进入一些半导体、磷光体和绝缘体物质时，使内层电子激发，激发过程中还可通过碰撞电离，使满带电子被激发到导带，从而在导带和满带内产生大量电子和空穴等自由载流子。

自由载流子的形成会因物质的不同而伴生不同信息。

1.产生阴极发光在磷光体中产生电子-空穴对后，导带中的负载流子（电子）跳回基态，同时发射光而释放能量，光的波长在可见光到红外光范围内，这种现象称为阴极发光。

大多数阴极发光材料对杂质十分敏感，任何杂质原子分布的不均匀都能造成阴极发光的强度差异，因此，阴极发光信息可用于检测杂质，灵敏度比X射线发射光谱高三个数量级。

还可用于鉴定物质相。

2.产生电子感生电导入射电子在半导体中产生电子-空穴对后，在外加电场作用下可产生附加电导，这种效应称为电子感生电导。

可用于测量半导体中载流子的扩散长度和寿命。

6.2.6入射电子和晶体中电子云相互作用当入射电子通过晶体空间时，电子云会作发散回复运动，造成电子云的集体振荡现象，称为等离子激发。

同时伴随能量损失，入射电子的能量损失随元素和成分不同而异，有特征性。

如果入射电子引起等离子激发后能逸出试样表面，则这种电子称为特征能量损失电子。

若测量这种电子能量信息，可进行成分分析，则称为能量分析电子显微术。

若利用这种电子信息成像，则称为能量选择电子显微术。

6.2.7入射电子和晶格相互作用（自学）6.2.8周期脉冲电子入射的电声效应（自学）6.2.9透射电子入射电子穿透厚度为几十至几百纳米的薄膜样品，被样品下方的检测器所接收，这种电子称为透射电子。

入射电子束照射的微区在厚度、晶体结构或成分上有差别，则会引起透射电子的强度、运动方向和能量分布的变化。

1.质厚衬度效应样品不同微区质量或厚度的不同，所引起的相应微区透射电子强度的不同，进而使得图像上不同区域的亮暗程度不同，这种现象称为质厚衬度效应。

质厚衬度效应可以观察样品的组织形貌细节。

2.衍射效应入射电子束相当于波长恒定的平面单色波，可以在晶体上发生如X 射线一样的衍射现象，衍射规律同样满足布拉格方程。

测出产生衍射时掠射角的大小，由已知的电子束波长，就可算出相应的晶面间距d，以确定样品晶体结构。

若晶体结构已知，也可通过衍射效应确定晶体的空间方位及与相邻晶体间的位向关系。

3.衍衬效应入射电子束照射位向或结构不同的样品相邻区域时，会由于衍射束或与其互补的透射束强度的不同引起图像亮度的差别（衬度），称为衍衬效应。

衍衬效应可以测量单相合金晶粒的形貌、多相合金中不同相的分布及晶体内部的结构缺陷。