电子与物质的相互作用

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 电子与物质的相互作用,一、电子与物质相互作用所产生的信息,二、分类,三、电子的弹性散射,四、电子的非弹性散射,一、电子与物质相互作用所产生的信息,一束定向飞行的电子打到试样后，电子束穿过薄试样或从试样表面掠过，电子的轨迹要发生变化。这种变化决定于组成物质的原子核及其核外电子对电子的作用，其结果将以不同的信号反映出来。使用不同的电子光学仪器将这些信息加以收集、整理和分析可得出材料的微观形态、结构和成分等信息。,二、分类,入射电子束与物质试样碰撞时，电子和组成物质的原子核与核外电子发生相互作用，使入射电子的方向和能量发生改变，有时还发生电子消失、重新发射或产生别的粒子，改变物质性态等现象，统称为电子的散射。,如果碰撞后，电子只改变了方向而无能量改变，为弹性散射，这是电子衍射和电子衍衬像的基础。,如果碰撞后，电子的方向和能量都发生了改变，为非弹性散射。这是扫描电镜像、能谱分析、电子能量损失谱的基础。,三、电子的弹性散射,入射电子受带正电的核吸引而偏转，受核外电子排斥而向反方向偏转。,电子质量比核质量小很多，在碰撞时，原子核基本不动。,原子核对运动电子的吸引力服从距离平方反比定律,（,5-1,）,原子核对入射电子的散射主要是弹性散射，散射角,取决于入射电子与原子核的距离,r,，,r,越小，散射角,越大。,核外电子对电子的排斥力为,（,5-1,）,核外电子对入射电子的散射主要是非弹性散射。,电子在物质中的弹性散射大于非弹性散射,Z,倍。,原子序数越大，弹性散射就越重要，反之，非弹性散射就越重要。,弹性散射是电子衍射和电子显微像的物理依据。,电子衍射强度比,X,射线衍射高,10,6,-10,8,倍，可以在原子尺度上观察结构的细节。,原子核对入射电子不仅产生大角度弹性散射，入射电子还受到原子核的电势作用而制动，成为一种非弹性散射，其损失的能量以连续,X,射线方式辐射，称为轫致辐射。轫致辐射产生连续背景会降低分析灵敏度，须扣除之。,四、电子的非弹性散射,入射电子的质量与核外电子的质量相当，相互碰撞几乎全是非弹性散射，其损失的能量大部分转变为热能外（辐照损伤），还可能产生：,透射电子,特征,X,射线,二次电子,背散射电子,阴极发光,1,、辐照损伤,电子束可以打断某些物质的化学键，也可以将某些原子从格位碰撞出去，对样品带来不利的影响。,解决办法：,尽可能用最大的加速电压，减少散射截面,尽量少使用高亮度小束斑的电子束,样品尽可能薄。,2,、透射电子,透过试样的电子束携带试样的成分信息，通过对这些透射电子损失的能量进行分析，可以得出试样中相应区域的元素组成，得到作为化学环境函数的核心电子能量位移信息。,能量损失谱（,EELS,）：由于非弹性散射碰撞使电子损失一部分能量，这一能量等于原子与入射电子碰撞前基态能量与碰撞后激发态能量之差。,如果最初电子束能量是确定的，损失的能量有可准确地测得，就可以得到试样内原子受激能级激发态的精确信息。,EELS,可以分析,Z1,的元素。,3,、特征,X,射线,如果入射电子有足够的能量，射到原子内壳层，将一个电子打出去（使原子电离），留下一个空穴，这是上层的电子会跳下来填充这个空穴，而产生特征,X,射线。,不同原子序数,Z,有不同的电离能，原子序数较大的元素，较大的电离能。,特征,X,射线用于透射电镜和扫描电镜中,X,射线能谱分析,(EDS),，可检测,Z4,的元素。,4,、二次电子,被入射电子（,E50eV,）在样品的导带和价带里打出来的电子，成为二次电子。,二次电子在样品表面（,5-10nm,）和容易逸出表面，可用来表征样品表面信息。,扫描透射模式（,STEM,）利用二次电子成像，具有比扫描电镜像有更高的分辨率。,快二次电子：是从内壳层中激发出来的（,50-200keV,），会产生许多,X,射线，干扰,X,射线分析。,5,、背散射电子,被固体样品中原子核“反弹”回来的一部分电子,来自样品表层几百纳米的深度范围，其产额随原子序数的增加而增加，,用于形貌分析，也可用来显示原子序数的衬度，定性成分分析,主要用于扫描电镜。,6,、阴极荧光,半导体样品在入射电子照射下，会产生电子,-,空穴对，当电子跳到空穴位置“复合”时，会发射光子，叫作阴极荧光。,光子的产生率与半导体的能带有关或与半导体中杂质有关。,主要用于扫描电镜，也用于,STEM,。,