材料特性表征：第7節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用

1、材料特性表征Characteristic Technique of Materials第三章 電子顯微分析第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.3 自由載流子2.4 各種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.1 電子散射當(dāng)一束聚焦電子束沿一定方向入射到試樣內(nèi)時，由于受到固體物質(zhì)中晶格位場和原子庫侖場的作用，其入射方向會發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為散射。2.1 電子散射按照電子的動能是否有變化可以把散射分成兩大類：(1) 彈性散射: 只改變方向，動能不變(2) 非彈性散射: 方向和動能都改變2.1 電子散射

2、彈性散射：elastic scattering如果在散射過程中入射電子只改變方向，但其總動能基本上無變化，則這種散射稱為彈性散射。彈性散射的電子符合布拉格定律。攜帶有晶體結(jié)構(gòu)、對稱性、取向和樣品厚度等信息。在電子顯微鏡中用于分析材料的結(jié)構(gòu)。2.1 電子散射非彈性散射:inelastic scattering如果在散射過程中入射電子的方向和動能都發(fā)生改變，則這種散射稱為非彈性散射。在非彈性散射情況下，非彈性散射電子損失了部分能量，方向也有微小變化?？捎糜陔娮幽芰繐p失譜，提供成分和化學(xué)信息。也能用于特殊成像或衍射模式。 2.1 電子散射原子對電子的散射可以分成三種情況：(1) 原子核對電子的彈性散

3、射(2) 原子核對電子的非彈性散射(3) 原子核外電子對電子的非彈性散射2.1.1 原子核對電子的彈性散射入射電子與原子核發(fā)生彈性碰撞時: m(原子核)m(電子), 電子只改變方向,不改變能量,相等于彈性碰撞式中為散射角，Z為原子序數(shù)，e為 電子電荷，E0 為入射電子能量，rn 為電子距原子核距離2.1.1 原子核對電子的彈性散射入射電子與原子核發(fā)生彈性碰撞時: m(原子核)m(電子), 電子只改變方向,不改變能量,相等于彈性碰撞表明: Z大, E0小, r小, 散射角大 應(yīng)用: 由于彈性散射的電子能量等于或者接近于入射電子能量E0, 因此是透射電鏡中成像和衍射的基礎(chǔ).2.1.2 原子核對電子

4、的非彈性散射能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，由于能量損失不固定，X射線波長無特征值。波長是連續(xù)的，不能用來分析，反而在X射線譜上產(chǎn)生連續(xù)背底，影響分析的靈敏度和準確度。入射電子與原子核發(fā)生彈性碰撞時，除了受核的庫侖電場的作用發(fā)生大角度彈性散射外，入射電子也可以被庫侖電勢制動而減速，成為一種非彈性散射。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射 單電子激發(fā)：二次電子 等離子激發(fā) 聲子激發(fā)入射電子與核外電子的碰撞為非彈性散射，此時入射電子運動方向改變，能量受到損失，而原子則受到激發(fā)。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射 單電子激發(fā) 入射電子與核外電子的碰撞,將核外電子激發(fā)到空能級或者脫離原子核成為二次

5、電子，而原子則成為離子，此過程稱為電離。二次電子：發(fā)生非彈性散射時，被入射電子轟擊出來的樣品中原子的核外電子。特點：級聯(lián)過程 能量低 50ev 主要為小角度非彈性碰撞2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射 單電子激發(fā) 入射電子與核外電子的碰撞,將核外電子激發(fā)到空能級或者脫離原子核成為二次電子，而原子則成為離子，此過程成為電離。二次電子：發(fā)生非彈性散射時，被入射電子轟擊出來的樣品中原子的核外電子。特點：對試樣表面狀態(tài)非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。分辨率高，可達5-10nm。應(yīng)用：掃描電子顯微鏡成像主要手段。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射等離子激發(fā): 晶體是處于點陣固定

6、位置的正離子和漫散在整個空間的價電子云組成的電中性體，因此可以把晶體看成是等離子體，入射電子會引起價電子的集體振蕩，價電子的這種集體振蕩的能量是這種能量量子稱為等離子。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射等離子激發(fā): 晶體是處于點陣固定位置的正離子和漫散在整個空間的價電子云組成的電中性體，因此可以把晶體看成是等離子體，入射電子會引起價電子的集體振蕩，Ep有固定值,隨不同元素以及成分而異，稱為特征能量損失。損失后能量后的電子稱為特征能量損失電子。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射等離子激發(fā): 晶體是處于點陣固定位置的正離子和漫散在整個空間的價電子云組成的電中性體，因此可以把晶體看成

7、是等離子體，入射電子會引起價電子的集體振蕩，應(yīng)用: 電子能量損失譜進行成分分析，稱之為能量分析電子顯微術(shù)選擇有特征能量的電子成像，稱之為能量選擇電子顯微術(shù)聲子激發(fā) 晶格振動的能量也是量子化的，它的能量量子稱之為聲子。2.1.3 原子核外電子對電子的非彈性散射入射電子和晶格的作用可以看作是電子激發(fā)聲子（或吸收聲子）的碰撞過程。碰撞后，電子發(fā)生大角度散射，能量變化甚微，動量改變可以相當(dāng)大。0.03eV。2.1 電子散射樣品電子束核電子和電子的非彈性散射二次電子， SEM樣品表面形狀原子核和電子的彈性散射透射電子， TEM第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程

8、2.3 自由載流子2.4 各種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程當(dāng)內(nèi)層電子被運動電子轟擊脫離原子后,原子處于高度激發(fā)狀態(tài),它將躍遷到能量較低狀態(tài)，這個過程稱作馳豫過程。(1)輻射躍遷，即特征（標識）X射線發(fā)射；(2)非輻射躍遷，即俄歇電子。X射線 ：當(dāng)入射電子與原子中內(nèi)層電子發(fā)生非彈性散射時也會損失其部分能量，這部分能量將激發(fā)內(nèi)層電子電離，芯電子激發(fā)，在此過程中除了產(chǎn)生二次電子外還伴隨著X射線光子產(chǎn)生，失掉內(nèi)層電子的原子處于不穩(wěn)定的較高能量狀態(tài)，依據(jù)一定的選擇定則向能量較低的量子態(tài)躍遷，躍遷的過程中將可能發(fā)射具有特征能量的X射線光子，用于分析材

9、料的成分。入射電子X射線光子非彈性背散射電子二次電子2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.2.1 特征（標識）X射線發(fā)射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.2.1 特征（標識）X射線發(fā)射Z是原子序數(shù)，對于每一個元素，都有特定的X射線波長?？梢愿鶕?jù)特征X射線的波長及強度進行試樣中的元素的定性和定量分析，也可以利用特征X射線成X射線的像。（能譜儀和波譜儀）2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.2.2 俄歇電子俄歇電子：入射電子在樣品原子激發(fā)內(nèi)層電子后外層電子躍遷至內(nèi)層時，多余能量如果不是以X射線光子的形式放出，而是將能量傳遞給一個最外層電子，該電子獲得能量掙脫原子核束縛，并逸出樣品表面，成為自由電子，這樣的

10、自由電子稱為俄歇電子。2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.2.2 俄歇電子俄歇電子產(chǎn)額或俄歇躍遷幾率決定俄歇譜峰強度，直接關(guān)系到元素的定量分析。俄歇電子與特征X射線是兩個互相關(guān)聯(lián)和競爭的發(fā)射過程。2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程樣品電子束二次電子樣品表面形狀特征X射線樣品內(nèi)部成分俄歇電子樣品表面化學(xué)成分透射散射電子第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.3 自由載流子2.4 各種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.3 自由載流子當(dāng)高能量的入射電子照射到半導(dǎo)體，絕緣體和磷光體上時,不僅可在內(nèi)層電子激發(fā)產(chǎn)生電離，還可在滿帶中的價電子激發(fā)到

11、導(dǎo)帶中去，在滿帶和導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和電子等自由載流子，這些自由載流子進一步產(chǎn)生陰極熒光，電子束電導(dǎo)和電子束伏特效應(yīng)。2.3 自由載流子2.3.1 陰極熒光 Cathodoluminescence 半導(dǎo)體、絕緣體和熒光體，在高能量電子束的照射下射出的可見光。 應(yīng)用：陰極熒光譜線波長(顏色)和強度來鑒別生體物質(zhì)和分析雜質(zhì)含量。 2.3.2 電子束電導(dǎo)和電子生伏特在高能電子束的照射下，半導(dǎo)體材料中將產(chǎn)生自由載流子，電子束電導(dǎo)-在試樣兩端建立電位差，自有載流子向?qū)噪姌O移動，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。電子束伏特效應(yīng)-自由載流子在半導(dǎo)體的局部電場作用下，各自運動到一定的區(qū)域積累起來,形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。2

12、.3 自由載流子2.3.2 電子束電導(dǎo)和電子生伏特在高能電子束的照射下，半導(dǎo)體材料中將產(chǎn)生自由載流子，電子束電導(dǎo)-和半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)和缺陷有關(guān)。電子生伏特-用來測量半導(dǎo)體少數(shù)載流子的擴散長度和壽命。2.3 自由載流子2.3 自由載流子樣品電子束二次電子樣品表面形狀特征X射線樣品內(nèi)部成分俄歇電子樣品表面化學(xué)成分透射電子陰極熒光束感生效應(yīng)第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.3 自由載流子2.4 各種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.4 各種電信號在電子與固體物質(zhì)相互作用過程中，產(chǎn)生的電子信號，除了二次電子、俄歇電子和特征能量損失電子

13、以外，還有背散射電子、透射電子和吸收電子等初次電子。2.4 各種電信號2.4.1 背散射電子: 電子射入試樣后，受到原子散射，有一部分電子的總散射角大于90，重新從試樣表面逸出，稱為背散射電子，這個過程稱為背散射。(1) 彈性背散射電子.(2) 非彈性背散射電子 單次 ;多次.入射電子彈性背散射電子非彈性背散射電子二次電子2.4 各種電信號2.4.1 背散射電子: 彈性背散射電子和非彈性背散射電子.前者是指只受到原子核單次或很少幾次大角度彈性散射后即被反射回來的入射電子，能量沒有發(fā)生變化；后者主要是指受樣品原子核外電子多次非彈性散射而反射回來的電子。入射電子彈性背散射電子非彈性背散射電子二次電

14、子2.4 各種電信號表面出射電子：(1)二次電子，50ev(3)俄歇電子，(4)特征能量損失電子。2.4.1 背散射電子: 2.4 各種電信號2.4.1 背散射電子: 背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增大2.4 各種電信號特點：背散射電子反應(yīng)樣品表面不同取向、不同平均原子量的區(qū)域差別，產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增大應(yīng)用：背散射電子作為成像信號，不僅能分析形貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)的襯度，進行定性分析2.4.1 背散射電子: 2.4.2 透射電子：當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時，入射電子將穿透試樣，從另外一表面射出稱為透射電子。特點：如果試樣厚度小于電子穿透能力，透射電子主要是由彈性散射電子組

15、裝，成像比較清晰，電子衍射斑點比較明銳。如果試樣厚度大于電子穿透能力，透射電子中有相當(dāng)一部分是非彈性散射電子，能量低于入射電子能量，而且是一個變量，經(jīng)磁透鏡成像后，由于色差，影響成像的清晰度。2.4 各種電信號2.4.3 吸收電子 入射電子位多次非彈性散射后，能量消失殆盡，不再產(chǎn)生其他效應(yīng)，一般稱為被試樣吸收，這種電子稱之為吸收電子。 如果將試樣和納安表鏈接并接地，可以顯示出吸收電子產(chǎn)生的吸收電流。 如果樣品厚度越大，密度越大，原子序數(shù)越大，吸收電子就越多，吸收電流就越大。 應(yīng)用： 利用吸收電流這個信號成像， 還可以分析原子序數(shù)不同的元素的定性分布2.4 各種電信號背投射電子、透射電子和吸收電

16、子等2.4 各種電信號2.4 各種電信號樣品電子束二次電子樣品表面形狀特征X射線樣品內(nèi)部成分背反射電子原子種類與樣品表面形貌俄歇電子樣品表面化學(xué)成分透過散射電子陰極熒光樣品電流，樣品電性束感生效應(yīng)透射電子2.4 各種電信號信號儀器電子二次電子掃描電子顯微鏡(SEM)彈性散射電子低能電子繞射(LEED)反射式高能電子繞射(RHEED)穿透式電子顯微鏡(TEM)非彈性背散射電子電子能損譜(EELS)俄歇電子俄歇電子能譜(AES)光子特征X射線能譜(EDS)波譜(WDS)可見光陰極激發(fā)光(CL)第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.3 自由載流子2.4 各

17、種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.5.1 基本概念電子束受到物質(zhì)原子散射作用，偏離原來方向，向外發(fā)散，所以隨著電子束進入樣品深度的不斷增加，入射電子的分布范圍不斷增大，同時動能不斷降低，直至動能降低為零，最終形成一個規(guī)則的作用區(qū)域。2.5 相互作用體積2.5.1 基本概念擴散：入射電子射入固體試樣，經(jīng)多次散射后，完全失掉方向性，即各方向散射幾率相等，稱為擴散或漫反射。相互作用體積：擴散作用使電子與物質(zhì)相互作用不限于電子入射方向，而具有一定體積范圍，稱相互作用體積。2.5 相互作用體積2.5 相互作用體積2.5.2 .相互作用形狀和大小的影響因素：試樣原子序數(shù)入射電子能

18、量電子束入射方向2.5 相互作用體積2.5.2 .相互作用形狀和大小的影響因素：試樣原子序數(shù)：輕元素試樣，相互作用體積呈梨形 重元素試樣，相互作用體積呈半球形2.5 相互作用體積2.5.2 .相互作用形狀和大小的影響因素：入射電子能量：能量增加，體積增加，但形狀基本不變2.5 相互作用體積2.5.2 .相互作用形狀和大小的影響因素：電子束入射方向：傾斜入射，試樣表面處相互作用體積橫向尺寸增加2.5 相互作用體積相互作用體積形狀和大小決定各種物理信號產(chǎn)生的深度和廣度第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用2.1 電子散射2.2 內(nèi)層電子激發(fā)的馳豫過程2.3 自由載流子2.4 各種電信號2.5 相互作用體積2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度2.6 信號產(chǎn)生的深度和廣度可以產(chǎn)生信號的區(qū)域稱為有效作用區(qū)，有效作用區(qū)的最深處為電子有效作用深度。但在有效作用區(qū)內(nèi)的