【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā) —— 價(jià)電子激發(fā)使入射電子產(chǎn)生小角度散射 內(nèi)層電子 —— 能量低，激發(fā)所需能量大，至少為結(jié)合能 —— 產(chǎn)生大角度散射（ 1）單電子激發(fā) —— 二次電子晶體是由 正離子 和漫散在整個(gè)空間的 價(jià)電子云 構(gòu)成的 電中性體可以把晶體看成是等離子體。等離子體：是由正離子、負(fù)電子及中性粒子組成的電中性體。當(dāng)入射電子經(jīng)過(guò)晶體時(shí)，在其路徑近旁， 價(jià)電子 受排斥而作 徑向發(fā)散 運(yùn)動(dòng)→ 則在入射電子 路徑附近 產(chǎn)生帶 正電 的區(qū)域 路徑較遠(yuǎn) 處為帶 負(fù)電 區(qū)域 電中性被破壞→ 正、負(fù)電區(qū)域的 靜電作用 又使負(fù)電區(qū)域多余的價(jià)電子向正電區(qū)域運(yùn)動(dòng)→ 當(dāng)運(yùn)動(dòng) 超過(guò)平衡位置 后，負(fù)電區(qū)變?yōu)檎妳^(qū)，再重復(fù)上面動(dòng)作 → 如此往復(fù)不已這種縱波式的往復(fù)振蕩是許多原子價(jià)電子參加的長(zhǎng)程作用，稱(chēng)為價(jià)電子的集體振蕩。（ 2）等離子激發(fā)：電子入射到晶體中，引起價(jià)電子集體振蕩，過(guò)程如下：l振蕩的能量 ΔEp是量子化的 這種 能量量子 稱(chēng)為 等離子。l 入射電子激發(fā)等離子后就要損失能量 ΔEp, ΔEp是固定值，且隨不同元素而變化 —— 特征能量損失l 特征能量損失電子： 損失了 ΔEp能量后的電子。 應(yīng)用： △ 電子能量損失譜 —— 能量分析電子顯微術(shù) △ 有特征能量的電子成像 —— 能量選擇電子顯微術(shù)（ 3）聲子激發(fā)l聲子： 晶格振動(dòng) 的能量也是量子化的，它的能量量子稱(chēng)為聲子。l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(guò)程。l碰撞后，電子發(fā)生大角度散射，能量變化甚微，動(dòng)量改變可以相當(dāng)大。二、內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過(guò)程前面講了電子散射，主要從原子核、核外電子兩方面講述了它們對(duì)電子能量和方向改變所起到的作用。通常，電子入射到試樣中，使價(jià)電子激發(fā)的幾率較大，但也有可能使 內(nèi)層電子 激發(fā)。俄歇電子發(fā)射轉(zhuǎn)為晶格振動(dòng)馳豫過(guò)程輻射躍遷非輻射躍遷特征 X射線(xiàn)都具有特征能量可進(jìn)行成分分析當(dāng) 內(nèi)層電子 被入射電子轟擊脫離了原子后，原子處于高度 激發(fā)狀態(tài)，它將 躍遷 回到能量較低狀態(tài) —— 馳豫注意 “躍遷 ” ：指其他較高能級(jí)電子填補(bǔ)內(nèi)層空穴，而把能量放出一部分，從而使整個(gè)原子的能量降下來(lái)。三、自由載流子l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(shí)，不僅可使 內(nèi)層電子激發(fā)產(chǎn)生電離 ，還可使 滿(mǎn)帶 中的 價(jià)電子激發(fā) 到導(dǎo)帶中去，在滿(mǎn)帶和導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和電子等 自由載流子 。l自由載流子可進(jìn)一步產(chǎn)生 陰極熒光 、 電子束電導(dǎo)和 電子生伏特效應(yīng)等 。1. 陰極熒光自由載流子在半導(dǎo)體的局部電場(chǎng)作用下，各自運(yùn)動(dòng)到一定的區(qū)域（如 pn結(jié)）積累起來(lái)，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。2. 電子束電導(dǎo)3. 電子生伏特高能電子束照射半導(dǎo)體材料，將產(chǎn)生自由載流子，若此時(shí)在試樣兩端建立電位差，自由載流子將向異性電極移動(dòng)，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。是指物質(zhì)在 高能電子束 照射下發(fā)出可見(jiàn)光（或紅外、紫外）的現(xiàn)象。 （ PP112頁(yè) 圖 215） 四、電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種電子信號(hào)252。 彈性散射電子 amp。 彈性背散射電子252。 背散射電子 amp。 二次電子 amp。 俄歇電子252。 彈性背散射電子 單次非彈性背散射電子 多次非彈性背散射電子如前所述 “原子核對(duì)電子的彈性散射 ” → 產(chǎn)生彈性散射電子，其能量等于或接近入射電子的能量 E0。216。 1. 彈性散射電子“初次 ”電子注意這種電子的涵蓋面 :只要是電子在入射及傳播過(guò)程中，發(fā)生的散射過(guò)程都是彈性的，能量未改變，就都在此定義范圍內(nèi)。從發(fā)生彈性散射的 次數(shù) 來(lái)說(shuō)：?jiǎn)未?彈性散射電子 + 多次 彈性散射電子只關(guān)注次數(shù) ，不強(qiáng)調(diào)它發(fā)生彈散后，向什么 方向運(yùn)動(dòng)（即不關(guān)心它是從表面逸出了，還是留下了，還是透射了）從發(fā)生彈性散射后，電子最終的 去向 來(lái)說(shuō)：① 一部分的總散射角＞ 90176。，從試樣表面逸出 ——— 彈性 背散射 電子② 一部分 的 方向改變小，在試樣中繼續(xù)傳播或從試樣另一面透射（總之沒(méi)有從入射面逸出）—— 只關(guān)注能量216。 2. 背散射電子“初次 ”電子電子射入試樣后，將受到原子的彈性和非彈性散射，就要改變運(yùn)動(dòng)方向。經(jīng)歷數(shù)次方向改變后，一部分電子的總散射角 ＞ 90176。，重新從試樣表面逸出，稱(chēng) ~ ~ ~ 。從定義來(lái)看，只要是受到試樣散射后， 從試樣表面逸出 的，就統(tǒng)統(tǒng)劃歸為背散射電子，而并不考慮這些電子的散射經(jīng)歷，比如：經(jīng)過(guò)多少次碰撞？所發(fā)生的碰撞是彈性的還是非彈性的？最后返回到入射方向的電子能量是否有損失？損失多少？等等 ………背散射電子① 彈性 背散射電子：能量接近或等于 E0， △ E=0② 單次非彈性 背散射電子：能量損失，但只損失 一次， E與 E0相差不多， △ E?、? 多次 非彈性 背散射電子：能量損失，且損失多次， E與E0相差多， △ E大 且隨次數(shù) n不同， △ E不同， E不同（是變量）—— 只關(guān)注方向在背散射電子中， E≈E0的彈性背散射電子最多，其次是 E稍小的單次非彈，多次非彈非常少。因此實(shí)際在試樣上方接收到的背散射電子是能量接近于 E0的彈性背散射電子占主導(dǎo)地位。背背背背l 特點(diǎn)： 背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù) Z的增大而增大 背散射電子圖像的襯度與成分密切相關(guān) 背散射電子像 —— 元素的定性分布情況l 應(yīng)用： SEM和電子探針儀二次電子是 “單電子激發(fā) ”過(guò)程中被入射電子轟出的試樣原子的核外電子。216。 3. 二次電子“二次 ”電子? 級(jí)聯(lián)過(guò)程? 二次電子信號(hào)：在試樣表面 10nm層內(nèi)產(chǎn)生且能克服逸出功的? 電子譜中，探測(cè)器只能探測(cè)不同能量電子的數(shù)目，而并不能把能量相近的二次電子和背散射電子區(qū)分開(kāi)。 習(xí)慣上＜ 50ev，當(dāng)成真正的二次電子 ＞ 50ev，歸入背散射電子? 特點(diǎn)及應(yīng)用：二次電子像分辨率高，是 SEM主要成像信號(hào)。216。 4. 特征 X 射線(xiàn)? 產(chǎn)生的根本原因是原子內(nèi)層電子的躍遷。? 化學(xué)元素有特定波長(zhǎng)特征 X 射線(xiàn) —— 成分分析? 應(yīng)用： SEM（增加 X射線(xiàn)譜儀附件）216。 5. 俄歇電子? 屬于 “二次 ”電子類(lèi)別? 原子內(nèi)殼層電子被打出后，內(nèi)層出現(xiàn)空位，當(dāng)較外層電子填補(bǔ)時(shí)，能量傳給另一外層電子，使它被打出去 —— 雙電離。? Auger電子僅在表面 1nm層內(nèi)產(chǎn)生? Auger電子能量一般幾十 ~~幾百 eV? 特點(diǎn)及應(yīng)用： Auger電子對(duì)表面微量元素有很高的靈敏度，且分析速度快，可進(jìn)行定性分析、定量分析、表面狀態(tài)分析。“二次 ”電子216。 6. 特征能量損失電子? “等離子激發(fā) ” 后， 損 失了特征能量 ΔEP后的入射 電 子? 應(yīng) 用： TEM 電子能量損失譜 —— 能量分析電子顯微術(shù)“初次 ”電子當(dāng)試樣厚度 小于 入射電子的穿透深度時(shí)，入射電子將穿透試樣 ，從另一表面射出，稱(chēng)為透射電子。216。 7. 透射電子252。 是 TEM的成像電子252。 若試樣較?。?1020nm） —— 透射電子主要是彈性散射電子 —— 成像比較清晰，電子衍射斑點(diǎn)較明銳 若試樣較厚 （但仍小于穿透深度） —— 透射電子包含大量非彈性散射電子，且能量是變量 —— 由于色差，成像模糊入射電子經(jīng)多次 非彈性 散射后，能量耗盡，不再產(chǎn)生其他效應(yīng)，稱(chēng)被試樣吸收，這種電子稱(chēng)吸收電子。216。 8. 吸收電子? 連接納安表 —— 測(cè)試樣吸收電子產(chǎn)生的吸收電流。? 試樣 厚度 越大， 密度 越大， 原子序數(shù) Z越大，吸收電子越多，吸收電流越大。? 應(yīng)用： SEM和電子探針儀 可得原子序數(shù)不同的元素的定性分布五、相互作用體積與信號(hào)產(chǎn)生的深度和廣度l擴(kuò)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(chēng)為 ~。l相互作用體積： 擴(kuò)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(chēng) ~。l蒙特一卡洛 電子彈道模擬技術(shù)顯示 216。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216。入射電子能量： 能量 ↗， 體積 ↗，但形狀基本不變216。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 形狀和大小的影響因素：相互作用體積形狀和大小決定各種物理信號(hào)產(chǎn)生的深度和廣度信號(hào)深廣度：俄歇電子 二次電子 背散射電子 X射線(xiàn)l 背散射電子：可從試樣深處射出 廣度比入射束直徑大 分辨率低l 俄歇電子 : 僅在表面 1nm層內(nèi)產(chǎn)生，適用于表面分析l 二次電子 : 在表面 10nm層內(nèi)產(chǎn)生 ，表面分析，分辨率高 基本還按入射方向前進(jìn) 廣度與入射束直徑相當(dāng)l X射線(xiàn)：信號(hào)產(chǎn)生的深廣度最大 分辨率更低電子能量大于 EK才有可能產(chǎn)生 K系特征 X射線(xiàn)，深廣度由 E＞ EK范圍決定原子核對(duì)電子非彈性散射產(chǎn)生的， E＞ 0就可能發(fā)生，因此產(chǎn)生范圍比前者大 由特征 X射線(xiàn)和連續(xù)輻射激發(fā)的 次級(jí) 特征輻射 ， X射線(xiàn)強(qiáng)穿透，因此產(chǎn)生范圍更大 連續(xù)輻射：特征 X射線(xiàn)：X光熒光： 小 結(jié)u 原子核對(duì)電子彈性散射的特點(diǎn)、應(yīng)用；u二次電子、特點(diǎn)；u特征能量損失電子；u內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過(guò)程；u自由載流子、陰極熒光、電子束電導(dǎo)和電子生伏特；u各種電子信號(hào)：試樣上方接收的電子信號(hào)（背散射電子）、透射電子、吸收電子；u各種信號(hào)產(chǎn)生的深度和廣度。電子顯微鏡的發(fā)展簡(jiǎn)史：216。 1924年， 德布羅意發(fā)現(xiàn) 電子波 的波長(zhǎng)可以比可見(jiàn)光短十萬(wàn)倍216。 1926年， Busch指出：軸對(duì)稱(chēng)非均勻磁場(chǎng)能使電子波聚焦216。 19321933年 克諾爾 (Knoll M.)和魯斯卡 (Ruska E.)在 德國(guó) 制作了 第一臺(tái) 透射電鏡 TEM（ Transmission Electron Microscope）216。 19391940年，商品 電子顯微鏡問(wèn)世，進(jìn)入實(shí)用階段。德國(guó)西門(mén)子公司生產(chǎn)了分辨本領(lǐng)優(yōu)于 10nm的商品電子顯微鏡。216。 我國(guó) 1959年 開(kāi)始制造電鏡。216。 現(xiàn)代透射電鏡的放大倍數(shù)可以達(dá)到 200萬(wàn)倍萬(wàn)倍 以上，其分辨本領(lǐng)已經(jīng)達(dá)到原子大小的水平。 167。23 透射電子顯微分析Outline of TEM：分辨率高放大倍數(shù)高照明源為聚焦電子束成像信號(hào)為透射電子試樣為薄膜（幾十到幾百 nm）工作原理：252。 聚焦電子束作照明光源： 電子槍產(chǎn)生的電子束，經(jīng) 12級(jí)聚光鏡會(huì)聚后，均勻地照射試樣上的某一待觀(guān)察的微小區(qū)域上。252。 透射電子作為成像信號(hào)： 電子束與試樣作用，試樣很薄 —— 透射電子 —— 其強(qiáng)度分布與試樣的形貌、組成、結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。252。 透射出的電子經(jīng)一系列透鏡放大投射到熒光屏上。252。 熒光屏把電子強(qiáng)度分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光強(qiáng)度分布 ——— 圖像 （陰極射線(xiàn)發(fā)光過(guò)程）工作過(guò)程概括： ① 電子槍發(fā)出電子束 →② 經(jīng)會(huì)聚透鏡 會(huì)聚 → ③ 照射并 穿透試樣 →④ 經(jīng) 物鏡 成像 → ⑤ 中間鏡投影鏡放大 → ⑥ 電子顯微像 (屏或底片 )一、透射電子顯微鏡 （ TEM） 分辨本領(lǐng)高并且能夠作電子衍射（一）透射電鏡的結(jié)構(gòu)l光學(xué)成像系統(tǒng)l真空系統(tǒng)l電氣系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng) —— 又稱(chēng)鏡筒1. 照明部分2. 成像放大系統(tǒng)3. 圖像觀(guān)察記錄部分4. 樣品臺(tái)? 發(fā)叉式鎢絲陰極三級(jí)電子槍(1) 電子槍(2) 聚光鏡(1)電子槍 —— 產(chǎn)生電子束? LaB6陰極電子槍? 場(chǎng)發(fā)射電子槍 用于超高壓電鏡（ 1000kV），亮度大，能量分散性小，有利于提高分辨率。? 發(fā)叉式鎢絲陰極三級(jí)電子槍 相當(dāng)于陰極 (發(fā)叉式熱鎢絲 ) 、柵極 (控制極 )和陽(yáng)極組成的 靜電透鏡發(fā)叉式鎢絲陰極三級(jí)電子槍示意圖陰極 加負(fù)高壓（ 50~200KV）陽(yáng)極 接地（ 0電位）控制柵極 加比陰極負(fù)幾百 ~幾千伏的偏壓其電位大小決定了陰極和陽(yáng)極之間等電位面的分布和形狀，從而控制陰極的電子發(fā)射電流電子槍交叉點(diǎn)： 由陰極發(fā)射的發(fā)散電子束受到電場(chǎng)徑向分量的作用，會(huì)聚，通過(guò)一最小截面 ，此處電子密度最高，稱(chēng) ~~~。是電鏡的實(shí)際電子源。 磁透鏡? 中級(jí)透射電鏡 — 單聚光鏡 電子束斑直徑與交叉斑直徑相當(dāng)，易造成試樣熱損傷和污染? 高級(jí)透射電鏡 — 雙聚光鏡單聚光鏡和雙聚光鏡工作原理比較(2)聚光鏡 —— 將電子束會(huì)聚，照射在試樣上第 I聚光鏡 用短焦距強(qiáng)磁透鏡，將電子槍形成的交叉斑 縮小縮小 幾十至上百倍。第 II聚光鏡 用長(zhǎng)焦距弱磁透鏡，調(diào)節(jié)孔徑角和亮度。其與試樣間有較大空間，以便放置試樣臺(tái)、測(cè)角臺(tái)及其他附件。 物鏡 + 1～ 2級(jí)中間境 + 1～ 2級(jí)投影鏡o 中級(jí) 透射電鏡 （三級(jí)成像放大系統(tǒng)） 物鏡 + 1級(jí)中間境 + 1級(jí)投影鏡o 高級(jí) 透射電鏡 （多級(jí)成像放大系統(tǒng)） 物鏡 + 2級(jí)中間境 + 2級(jí)投影鏡 l 物鏡（磁透鏡）? 第一級(jí)放