材料分析方法13 粒子(束)与材料的相互作用

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1、 在材料现代分析方法中，电子束是一种常用的入射激发源在材料现代分析方法中，电子束是一种常用的入射激发源之一。入射电子（又称为初始或一次电子）照射固体时与固体之一。入射电子（又称为初始或一次电子）照射固体时与固体中粒子相互作用，它包括：中粒子相互作用，它包括： 入射电子的散射入射电子的散射 入射电子对固体的激发入射电子对固体的激发 受激发粒子在固体种的传播受激发粒子在固体种的传播电子散射源于库仑相互作用，它不同于光子在固体种的散射。电子散射源于库仑相互作用，它不同于光子在固体种的散射。 散射散射入射电子照射固体时将与固体中的电子、原子核入射电子照射固体时将与固体中的电子、原子核等作用而产生的现象

2、。与辐射的散射一样，电子散射同样有等作用而产生的现象。与辐射的散射一样，电子散射同样有弹性和非弹性散射之分。弹性和非弹性散射之分。3.1 3.1 电子束与材料的相互作用电子束与材料的相互作用 设原子的质量为设原子的质量为M ，质量数（质子数与中子数之和）为，质量数（质子数与中子数之和）为A，碰撞，碰撞前原子处于静止状态。电子质量与原子质量的比值为前原子处于静止状态。电子质量与原子质量的比值为me/M=1/1836A.v 根据动量和能量守恒定理，入射电子与原子（核）碰撞后的最大根据动量和能量守恒定理，入射电子与原子（核）碰撞后的最大能量损失可表示为能量损失可表示为 （1） 式中：式中：E0 入射

3、的电子能量；入射的电子能量； 半散射角，散射角（半散射角，散射角（2）即散射电子运动方向与入射方向）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。之间的夹角。 以以100keV的电子为例，对于小角度散射（的电子为例，对于小角度散射（ 5），电子的能量），电子的能量损失在损失在10-310-1eV的范围；对于背散射电子（的范围；对于背散射电子（/2）,能量损失可以能量损失可以达到几个达到几个eV。可见电子的能量损失入射能量相比，完全可以忽略。因。可见电子的能量损失入射能量相比，完全可以忽略。因此，原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射。此，原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射。203ma

4、xsin1017.2AEE1.1.弹性散射弹性散射 非弹性散射非弹性散射当入射电子与原子中电子的作用称当入射电子与原子中电子的作用称为主要过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射为主要过程时，由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生显著变化的过程。电子的能量发生显著变化的过程。 在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量转移给在非弹性散射过程中，入射电子把部分能量转移给原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。原子，引起原子内部结构的变化，产生各种激发现象。因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为因为这些激发现象都是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。电子激发是非电磁辐射

5、激发的一种形式。电子激发。电子激发是非电磁辐射激发的一种形式。2.2.非弹性散射非弹性散射入射电子被原子核散射时，散射角入射电子被原子核散射时，散射角2的大小与瞄准距离（电子入射的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）方向与原子核的距离）rn 、原子核电荷、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压以及入射电子的加速电压V有关。如图所示，其关系为有关。如图所示，其关系为 或或 （2） 由上式可知，当入射电子作用在以原子核为中心、由上式可知，当入射电子作用在以原子核为中心、rn 为半径的圆为半径的圆内时将被散射到大于内时将被散射到大于2的角度以外，故可用的角度以外，故可用rn2(以原子核为中心，

6、以原子核为中心，rn 为半径的圆的面即为半径的圆的面即)来衡量一个孤立原子核把入射电子散射到大于来衡量一个孤立原子核把入射电子散射到大于2角度以外的能力。由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将角度以外的能力。由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将rn2叫做弹性散射截面，用叫做弹性散射截面，用n表示。表示。nVrZe2)2(VZern3. 3. 散射截面散射截面当入射电子与核外电子作用时，散射角为：当入射电子与核外电子作用时，散射角为： 或或 （3） 同理，可用同理，可用re2(re是入射电子对核外电子的瞄准距离是入射电子对核外电子的瞄准距离)来衡量一个来衡量一个孤立何外电子把入射电子散

7、射到孤立何外电子把入射电子散射到2角以外的能力，并称角以外的能力，并称re2为核外电为核外电子的非弹性散射截面，用子的非弹性散射截面，用e表示。表示。 对一个原子序数为对一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为的孤立原子，弹性散射截面为n，非弹性散，非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Ze。由式（。由式（2）与式）与式（3）可得）可得n/Ze=Z.因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。大。eVre2)2(Vere 由于库仑相互作用，入射电子在固体中的散射比由于库仑相互作用，入射电子在固体中的

8、散射比X射线强得多。射线强得多。同样固体对电子的同样固体对电子的“吸收吸收”比对比对X射线的吸收快得多。射线的吸收快得多。 随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体随着激发次数的增多，入射电子的动能逐渐减小，最终被固体吸收（束缚）。吸收（束缚）。 电子吸收主要指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰电子吸收主要指由于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减，显然不同于减，显然不同于X射线的射线的“真吸收真吸收”。 电子被吸收时所达到的深度称为最大传入深度（电子被吸收时所达到的深度称为最大传入深度（R）. 在不同固体中，电子激发过程有差别，多数情况下激发二次电在不同固体中，电子激发

9、过程有差别，多数情况下激发二次电子是入射电子能量损失的主要过程。子是入射电子能量损失的主要过程。 单位入射深度电子能量变化（单位入射深度电子能量变化（dE/dz）与入射深度（）与入射深度（z）的关系）的关系如图所示。曲线与横坐标的交点即为入射电子的最大深度。如图所示。曲线与横坐标的交点即为入射电子的最大深度。4 4电子吸收电子吸收v 弹性散射和非弹性散射同时发生，前者使电子偏离原来方向弹性散射和非弹性散射同时发生，前者使电子偏离原来方向引起电子在固体中扩散；后者使电子能量逐渐减小，直至被固体引起电子在固体中扩散；后者使电子能量逐渐减小，直至被固体吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围

10、称为电子吸收，从而限制了电子在固体中的扩散范围，这个范围称为电子在固体中的作用区。在固体中的作用区。v 扫描电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和辐射扫描电子显微镜和其它相关分析技术检测的各种信号和辐射正是来自这个作用区。正是来自这个作用区。 1.1.电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号入射电子与固体作用区及其固体作用产生的信号可用图简单描述。入射电子与固体作用区及其固体作用产生的信号可用图简单描述。I0是入射电子流是入射电子流，单位是，单位是A。描述入射电子的另一个物理量是电。描述入射电子的另一个物理量是电子束流密度，单位是子束流密度，单位是A/cm2。在强聚焦的情况下，电

11、子束流密度很。在强聚焦的情况下，电子束流密度很高，而总的电子流往往很小。高，而总的电子流往往很小。 IR背散射电子流背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。背它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。背散射电子主要有两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，散射电子主要有两部分组成，一部分是被样品表面原子反射回来的入射电子，另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又从样品表另一部分是入射电子进入固体后通过散射连续改变前进方向，最后又从样品表面发射出去的入射电子。前者一般没有能量损失，称为弹性背散射电子；后者面发射出去的入射电子。前者一般没有