文档介绍：电子与试样作用产生的信息
试样
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1)感应电动势 2)荧光
3)特征X射线 4)二次电子 5)背散射电子 6)俄歇电子 7)吸收电子 8)透射电子
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一、电子与固体试样的相互作用
一束细聚焦的电子束轰击试样表面时,入射电子与试样的原子核和核外电子将产生弹性或非弹性作用,并激发出反映试样形貌、结构和组成的各种信息。
入射电子
(1)感应电动势:
在试样是加一电压时,试样中会产生电流。
电子束照射试样,由于试样中电子电离和电荷积累,试样的局部电导率发生变化,于是试样中产生的电流有所变化,这就是感应电动势(感生电导),这种现象对研究半导体材料很有用。
(2)荧光(阴极发光):
入射电子与试样作用时,电子被电离,高能级的电子向低能级跃迁,并发出可见光或红外光,称为阴极荧光(阴极发光)。例如半导体和一些氧化物、矿物等,在电子束照射下均能发出不同颜色的光。各种元素具有各自特征颜色的荧光,因此可用作光谱分析。
(3)特征X射线:
入射电子与试样作用,被入射电子激发的电子空位由高能级的电子填充时,其多余能量以特征能量和波长的电磁波辐射形式释放,产生特征X射线。特征X射线由若干互相分离且具有特定波长的谱线组成,其强度大大超过连续谱线的强度并可叠加于连续谱线之上,为一线性光谱。
各元素都有自己的特征X射线,具有不同的波长和能量,因此可用来分析样品中某元素的性质、含量及分布状况。
如K层电子逸出,原子就处于K激发态,具有能量EK。
当一个L层电子填充K层空位后,原子体系由K激发态变成L激发态,能量从EK降为EL。
释放的能量△E=(EK-EL),而λ=hc/△E
X射线的波长和原子序数之间服从莫塞莱定律:
λ=K/(Z-σ)2,其中Z为原子序数,K、σ为常数。
用X射线探测器测到样品微区中存在的某一种特征波长,就可以判定这个微区中存在相应的元素→能谱分析EDS(Energy Dispersive Spectrometer)。EDS可以与SEM、TEM等组合,其中SEM-EDS组合是应用最广的显微分析仪器。EDS的发展,几乎成为SEM的标配,是微区成分分析的主要手段之一。
(4)二次电子:
入射电子与样品原子核外电子碰撞,试样表面物质被电离,被激发的电子离开试样表面形成二次电子。
一个能量很高的入射电子射入样品时,可以产生许多自由电子。但在样品表面上方检测到的二次电子绝大部分来自价电子。
二次电子来自表面5~10nm深度范围。能量较低,一般不超过50eV。
对试样表面状态非常敏感,强度与试样表面的几何形状有关,能非常有效地显示样品表面的形貌。
二次电子分辨率较高,SEM的分辨率通常就是二次电子的分辨率。作为SEM的成像信号,代表样品表面的结构特点。
二次电子产额随原子序数变化不明显,它主要决定于表面形貌,不能用于定性分析。
(5)背散射电子:
当电子束照射样品时,入射电子在样品内遭到衍射时,会改变方向,甚至损失一部分能量(在非弹性散射的情况下)。在这种弹性和非弹性散射的过程中,有些入射电子累积散射角超过90度,将重新从样品表面逸出,称为背散射电子。这个过程称为背散射,可分为弹性背散射、单次(多次)非弹性背散射。
背散射电子的能量较高,高于50eV,发射深度约为10nm~1um。被散射电子的强度与试样表面形貌和组成元素有关。背散射电子数量随原子序数增加而增加,可用来定性地作成分分析。
扫描电镜和电子探针中应用背散射电子成像称为背散射电子像,其分辨率较二次成像低。
背散射电子与二次电子的信号强度与原子序数Z的关系
二次电子的信号在Z>20后,其信号强度随Z的变化很小;背散射电子的信号随原子序数Z的增大而增加。
由以上特点可以看出,背散射电子主要反映样品表面的成分特征,即样品平均原子序数Z大的部位产生较强的背散射电子信号,在荧光屏上形成较亮的区域;而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子,在荧光屏上形成较暗的区域,这样就形成原子序数衬度(成分衬度)。
与二次电子像相比,背散射像的分辨率要低,主要应用于样品表面不同成分分布情况的观察,比如有机无机混合物、合金等。
在铅/锡合金样品的二次电子图像上,可观察到表面起伏的形貌信息;在被散射电子图像中,可观察到不同组分的分布情况,在铅(原子序数为82)富集的区域亮度高,而锡(原子序数为50)富集的区域相对较暗。
(6)俄歇电子:
如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的能量不是以X射线的形式释放,而是用该能量将核外另一电子打出,脱离原子变为二次电子,这种二次电子叫做俄歇电子。
因每一种原子都由自己特定的壳层能量,所以它们的俄歇电子能量也各有特征值,能量一般在50-1500eV范围内。
俄歇