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1、第三章粒子束与材料的相互作用第1页，共28页，编辑于2022年，星期二1、弹性散射设原子的质量为M，质量数（质子数与中子数之和）为A，碰撞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。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（3-1）式中：E0入射的电子能量；半散射角，散射角（2）即散射电子运动方向与入射方向之间的夹角。原子核对电子的散射一般情况下均可视为弹性散射。第2页，共28页，编辑于2022年，星期二2、非弹性散射当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时，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，这种过程称为非弹
2、性散射非弹性散射。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。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。3、散射截面入射电子被原子核散射时，散射角2的大小与瞄准距离（电子入射方向与原子核的距离）rn、原子核电荷Ze以及入射电子的加速电压V有关。如图3-1所示，其关系为第3页，共28页，编辑于2022年，星期二或(3-2)图3-1 电子散射示意图（a）与原子核作用；（b）与核外电子作用由上式可知，当入射电子作用在以原子核为中心，rn为半径的圆内时将被散射到大于2的角度以外，故可用(以原子核为中心、rn为半径的圆的面积）来衡量一个孤立
3、原子核把入射电子散射到大于2角度以外的能力。第4页，共28页，编辑于2022年，星期二由于电子与原子核的作用表现为弹性散射，故将叫做弹性散射截面，用n表示。当入射电子与核外电子作用时，散射角为或（3-3）同理，可用 来衡量一个孤立核外电子把入射电子散射到2角以外的能力，并称(re是入射电子对核外电子的描准距离）为核外电子的非弹性散射截面，用e表示。第5页，共28页，编辑于2022年，星期二对一个原子序数为Z的孤立原子，弹性散射截面为n，非弹性散射截面则为所有核外电子非弹性散射截面之和Ze。由式（3-2）与式（3-3）可得因此，原子序数越高，产生弹性散射的比例就越大。4、电子吸收电子吸收主要指由
4、于电子能量衰减而引起的强度（电子数）衰减，显然不同于X射线的“真吸收”。电子被吸收时所达到的深度称为最大穿入深度（R）。第6页，共28页，编辑于2022年，星期二图3-2 入射电子在固体中传播时的能量损失曲线（E0=1keV、3keV、5keV和8keV）单位入射深度电子能量变化（dE/dz)与入射深度（z）的关系如图3-2所示。曲线与横坐标的交点即为入射电子的最大穿入深度。第7页，共28页，编辑于2022年，星期二3.1.2 电子与固体作用产生的信号电子与固体作用产生的信号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，直至被固体吸收，从而限
5、制了电子在固体中的扩散范围，这个范围称为电子与固体的作用区。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。1、电子与固体作用产生的信号第8页，共28页，编辑于2022年，星期二入射电子与固体作用区及其与固体作用产生的信号可用图3-3简单描述。图3-3 入射电子束与固体作用产生的发射现象第9页，共28页，编辑于2022年，星期二I0是入射电子流，单位是A。描述入射电子的另一物理量是电子束流密度，单位是A/cm2。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。IR为背散射电子流，它是入射电子与固体作用后又离开固体的总电子流。背散射电子主要由两部分组成，一部分是
6、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，最后又从样品表面发射出去的入射电子。IS表示二次电子流，它包括入射电子从固体中直接击出的原子核外电子和激发态原子退回基态时产生的电子发射。前者称为二次电子，它们的能量较低，强度按能量连续分布；后者称为特征二次电子，它们的能量取决于原子本身的电子结构，取一些分立的能量值。第10页，共28页，编辑于2022年，星期二从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值（IS/I0）称为二次电子产额，用表示。图3-4 二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系在某一能量范围内（EC1EEC2）二次电子产额大于1，随着（入射
7、束与样品表面法线的夹角）的增大二次电子产额曲线的极大值增大，并向高能方向推移。第11页，共28页，编辑于2022年，星期二IX表示电子激发诱导的X射线辐射强度。连续的X射线特征X射线X射线荧光（二次特征X射线）IE表示表面元素发射的总强度。IA为样品吸收电流。入射电子在固体中传播时，能量逐渐减小，最后失去全部动能，被样品“吸收”。IT为透射电子流。当样品的厚度小于入射电子的平均穿入深度时，有一部分入射电子穿过样品，在样品的背面被接收或检测。第12页，共28页，编辑于2022年，星期二所有这些发射信号的强度均与固体材料的结构、成分、表面状态等性质有关，同时受入射电子的能量和入射角的影响。对导电样
8、品，如果忽略透射方向的二次电子发射和表面元素脱附对样品总电荷量的影响，上述电子信号之间满足：2.电子非弹性散射平均自由程和信息深度电子非弹性散射平均自由程和信息深度入射电子、二次电子和背散射电子在固体中传播时不断经受非弹性散射，相继两次非弹性散射之间电子所经过的平均路程称为电子非弹性散射平均自由程，用e表示。第13页，共28页，编辑于2022年，星期二非弹性散射平均自由程是反映电子与固体相互作用的一个重要物理量，它与材料的组成、结构以及入射电子的能量有关。对单元素固体，实验发现（单原子层厚度）（3-5）式中：E电子的能量（keV）；a固体的单原子层厚度（nm）。第14页，共28页，编辑于202
9、2年，星期二对于无机和有机固体材料，上式分别变为（单原子层厚度）（mg/m2）（3-6）（3-7）式中：a平均单原子层厚度（nm）第15页，共28页，编辑于2022年，星期二图 入射电子产生的各种信息的深度和广度范围(a)电子束散射区域形状(梨形作用体积)(b)重元素样品的电子束散射区域形状(半球形作用体积)1-入射电子束；2-俄歇电子激发体积；3-样品表面；4-二次电子激发体积；5-背散射电子激发体积；6-初级X射线激发体积 第16页，共28页，编辑于2022年，星期二3.电子能谱电子能谱如果收集记录背散射电子和二次电子就得到如图3-5所示的电子能谱，即电子发射强度按能量的分别。图3-5 电
10、子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）第17页，共28页，编辑于2022年，星期二（1）能谱的低能端隆起的峰由真二次电子构成。用扫描电子显微镜作表面形貌观测时就是收集这部分电子并用来成像。（2）在中间平滑背底上叠加着一些小峰，它们对应俄歇电子峰或者入射电子的特征能量损失峰。前者对应俄歇电子能谱，后者则构成电子能量失谱，它们都是常规的表面分析方法。（3）能谱中能量等于入射能量的电子是弹性背散射电子。当入射电子照射晶体样品时，由于电子的波动性，受不同原子弹性散射电子（弹性背散射电子或透射电子）之间的干涉产生的衍射现象是材料电子衍射分析方法的基础。电子衍射分为低能电子衍射、反射式高能电子衍射和透射电
11、子衍射。第18页，共28页，编辑于2022年，星期二2.1.3 电子激发产生的其它现象电子激发产生的其它现象1、等离子体振荡在没有外界扰动的情况下，在整个金属晶体空间正离子与电子云保持中性，即构成所谓等离子体。当电子云径向扩散运动超过平衡位置时，就形成连续的往复运动，造成电子云的集体振荡，称为等离子体振荡。图3-5中靠近弹性散射峰的能量损失电子峰即为入射电子激发等离子体振荡引起的上述特征损失峰。由于等离子体振荡的能量是量子化的，取一定的特征值，因此，在等离子体振荡激发过程中，入射电子的能量损失也具有一定的特征值，并随样品成分的不同而异。图3-5 电子与固体作用产生的发射电子谱（示意图）第19页
12、，共28页，编辑于2022年，星期二2、电声效应当用周期性脉冲电子束照射样品时，样品中会产生周期性衰减声波（晶格振动），这种现象称为电声效应。用压电器件和成像技术可将电声效应信息用于成像。3、电子感生电导电子在半导体中的非弹性散射产生电子-空穴对。通过外加电压可以分离正负电荷，产生附加电导，称为电子感生电导；而p-n结对这些自由载流子的收集作用可以产生附加电动势，称为电子感生伏特。利用这种效应可以测量少数载流子的扩散长度和寿命。4、阴极荧光在本征和掺杂半导体中，电子空穴可以通过杂质原子能级复合发光，即所谓阴极荧光。阴极荧光是检测杂质和缺陷的有效方法，常用于鉴定物相、杂质或缺陷的分布。第20页，
13、共28页，编辑于2022年，星期二表3-1 电子与材料相互作用产生的信号及据之发展起来的分析方法第21页，共28页，编辑于2022年，星期二3.2 离子束与材料的相互作用3.2.1 散射1、弹性散射动量和能量转移是离子与固体相互作用的重要特征。离子的能量取决于碰撞过程和碰撞之间所经历的路程。考虑两粒子1和2，质量和原子序数分别为M1、Z1和M2、Z2。粒子1以速度v0和能量E0=M1V02/2向静止的粒子2运动并与粒子2发生碰撞，如图3-6所示。图3-6 离子-原子碰撞第22页，共28页，编辑于2022年，星期二由于是弹性碰撞，碰撞过程中两粒子的总能量和总动量守恒。设粒子1出现在散射方向2的几
14、率为p，则有(3-8)上式表明离子弹性散射的两大特点：（1）散射几率正比于Z1和Z2的平方，因此当入射粒子由H+变为He+时，散射几率增加4倍；（2）散射几率正比于1/sin4，强烈地依赖于散射角2，2=90的散射几率是2=180的4倍。第23页，共28页，编辑于2022年，星期二散射后离子的能量其中显然碰撞后离子的能量损失与靶原子的质量有关，离子与轻元素靶原子碰撞的能量损失比与重元素靶原子碰撞的能量损失大。第24页，共28页，编辑于2022年，星期二离子在固体中传播时由于被电子非弹性散射产生的能量损失率称为固体对离子的阻止功率，它与离子的种类、能量以及样品的成分有关。2、非弹性散射3.2.2
15、 溅射与二次离子1、离子溅射能量为E0的入射离子轰击固体时，直接或间接地迫使固体表面许多原子运动，这种过程称为级联碰撞。当表面原子获得足够的动量和能量背离表面运动时，就引起表面粒子的发射，这种现象称为溅射。离子溅射可用于去除样品表面微观尺度的材料。通过严格控制溅射过程可以一层一层地剥蚀样品。用离子溅射配合其它表面分析方法，如俄歇电子能谱，可确定样品的成分随深度的变化，这就是材料的纵深剖析。第25页，共28页，编辑于2022年，星期二溅射产额是描述入射离子对样品剥蚀快慢的物理量，它与入射离子束的参数和样品的性质有关。只有在整个分析层内的溅射产额已知的情况下，才能通过纵深剖析精确标定样品分析层中的
16、成分。溅射产额（Y）定义为溅射出的粒子数（Ns）与入射离子数目（N0）的比值，即(3-11)第26页，共28页，编辑于2022年，星期二设入射离子强度J在溅射区均匀一致，J、Y和剥蚀速率vz以及靶样品原子浓度N之间满足关系(3-12)对于给定的样品，N可由计算得出，试验中测定vz和J，Y就可以确定。同样如果Y已知，J通过实验测定，vz就被确定。因此在任一情况下精确测定J都是非常重要的。2、二次离子固体表面原子以离子态发射叫做二次离子。收集分析二次离子得到二次离子质谱，它可以用于分析所有元素。二次离子质谱目前包括微区分析、纵深剖析、三维实时成像、界面分析、同位素分析等。第27页，共28页，编辑于2022年，星期二入射离子与材料相互作用产生的信号及依此建立的分析方法在表3-2中概括列出。表3-2 离子与材料相互作用产生的信号及据之建立的分析方法 第28页，共28页，编辑于2022年，星期二