当前课程知识点：材料现代研究方法 > 第十章 扫描电子显微镜 > 10.1 电子束与固体样品作用时产生的信号 > 电子束与固体样品作用时产生的信号
同学你好
我们这节课来学习
电子束与固体样品作用时产生的信号
扫描电子显微镜的成像原理
和透射电子显微镜完全不同
扫描电子显微镜
不用电磁透镜放大成像
而是以类似电视摄像显像的方式
利用细聚焦电子束
在样品表面扫描时
激发出来的各种物理信号来调制成像的
我们可以看到样品
在电子束的轰击下
会产生如图所示的各种信号
从图中可以看出
在入射电子的轰击下
可产生特征X射线
背散射电子二次电子
俄歇电子 透射电子以及吸收电子
下面我们就逐个介绍
这六种信号是如何产生的
以及各自的特征
我们首先来看一下背散射电子
背散射电子是被固体样品中的原子
反弹回来的一部分入射电子
其中包括弹性背散射电子
和非弹性背散射电子
弹性背散射电子是指被样品中
原子核反弹回来的
散射角大于90度的那些入射电子
它的能量没有损失
或者是基本上没有损失
由于入射电子的能量很高
所以弹性背散射电子的能量
可以达到数千到数万个电子伏
而非弹性背散射电子是
入射电子和样品核外电子撞击后所产生的
不仅方向发生了改变
能量也有不同程度的损失
如果有一些电子经过多次散射后
仍然能够反弹出样品表面
这就会形成非弹性背散射电子
非弹性背散射电子的能量分布范围很宽
从数十电子伏到数千电子伏
从数量上来看
弹性背散射电子远比非弹性背散射电子
所占的份额要多
背散射电子
是来自样品表层几百纳米的深度范围内
由于它的产额
随着样品原子序数的增大而增多
所以不仅能用作形貌分析
而且可以用来显示原子序数衬度
定性的做成分分析
好我们再来看一下二次电子
二次电子是在入射电子束作用下
被轰击出来并离开样品表面的样品
原子的核外电子
称之为二次电子
二次电子是一种真空中的自由电子
由于原子核和外层价电子间的结合能很小
因此外层的电子比较容易与原子脱离
使原子电离
一个能量很高的入射电子射入到样品时
可以产生许多自由电子
这些自由电子中90%
是来自于样品外层的价电子
二次电子的能量较低
一般都不超过50个电子伏
二次电子一般都是在表层
5到10个纳米深度范围内发射出来的
它对样品的表面形貌是十分敏感的
因此二次电子能够有效地显示出
样品的表面形貌
二次电子的产额
是与原子序数之间没有明显的关系
所以不能利用二次电子来进行成分的分析
我们再来看一下吸收电子
吸收电子是指入射电子
进入样品后
经过多次非弹性散射
能量损失殆尽
最后被样品吸收
如果将样品和地之间
接入一个高灵敏度的电流表
那么就可以测得样品对地的这个信号
信号是由吸收电子所提供的
如果我们假设入射电子的电流为I0
背散射的电子的电流是Ib
二次电子的电流为Is
那么吸收电子所产生的电流这个IA的话
它就是等于I0减去Ib加上Is的和
由此可见入射电子束和样品作用后
如果逸出表面的背散射电子
和二次电子的数量减少的话
那么相应的吸收电子
它的信号强度就会越大
如果把吸收电子信号调制成图像
那么它的衬度
恰好是与二次电子和背散射电子信号
调制的图像的衬度是相反的
当电子束入射到一个多元素的样品表面时
由于不同原子序数部位的二次电子产额
基本上是相同的
则产生背散射电子较多的部位
也就是原子序数较大的部位
它的吸收电子的数量也就较少
反之也是一样的
因此吸收电子能够产生原子序数衬度
同样也可以用来进行定性的微区成分分析
我们再来看一下透射电子
如果被分析的样品很薄
那么就会有一部分入射电子
穿过薄样品而成为透射电子
这里所指的透射电子
是指采用扫描透射操作方式
对薄样品成像和微区成分分析时
形成的透射电子
这种透射电子是由直径很小的高能电子束
照射到薄样品时所产生的
因此透射电子信号是由微区的厚度
成分和晶体结构来决定的
透射电子中除了有能量和入射电子相当的
弹性散射电子外
还有各种不同能量损失的非弹性散射电子
其中有些遭受特征能量损失
ΔE非弹性散射电子
和分析区域的成分有关
因此可以利用特征能量损失电子
配合电子能量分析器
来进行微区成分的分析
这样综上所述
如果使样品接地保持电中性的话
那么入射电子激发固体样品产生的
四种电子信号强度
就与入射电子强度之间
必然会满足这样的一个关系
也就是说
ib加上is加上ia加上it等于i0
在这个公式中
ib为背散射电子的信号强度
is为二次电子信号强度
ia为吸收电子的信号强度
it为透射电子的信号强度
也可以把这个公式
两侧都同时除以一个这个i0
这样的话我们就可以把这个公式
改写成为η加上δ加上α加上τ
等于1的这样的一个公式
那么这个公式中
这个η就是等于ib比上i0
我们称之为背散射系数
而这个δ就为二次电子的产额
或者称之为发散系数
和α则为吸收系数
相应的一个τ是为透射的系数
对于给定的材料
当入射电子的能量和强度是一定时
那么我们上面提到的四项系数
与样品质量厚度的之间的关系
是可以如这个图所示的
这个图给出了同样品中
ηδα以及τ系数
与质量厚度ρt之间的关系
从图中我们可以看到
随着样品质量厚度ρt的增大
透射系数的τ的值
是明显的呈一个下降的趋势
而吸收系数α是呈一个增大的变化趋势
当样品厚度超过有效的穿透深度后
这个时候透射系数就是等于0了
这就是说对于大块的试样
样品同一个部位的吸收系数
背散射系数和二次电子发射系数
三者之间是存在着互补的关系的
背散射电子信号强度
二次电子信号强度和吸收电子信号强度
分别是与这个η δ和α是成正比的
但是由于二次电子信号强度与样品原子序数
没有确定的关系
因此可以认为
如果样品微区背散射电子信号强度大
那么吸收电子信号强度则是小的
我们再来看一下特征X射线
当样品原子的内层电子
被入射电子激发或者是发生电离时
原子就会处在能量较高的激发状态
这个时候外层电子将向内层跃迁
以填补内层电子的空缺
从而使得具有特征能量的X射线释放出来
特征X射线的波长和原子序数之间的关系
是服从这个莫塞莱定律的
根据莫塞莱定律
我们可以用X射线探测器
测到样品微区中存在某一个特征的波长
就可以判定在这个微区中存在着相应的元素
公式中这个λ等于K
比上这个Z减去σ的平方
在公式中这个Z是为原子序数
K和这个σ都是常数
我们再来看一下这个俄歇电子
在入射电子激发样品的特征X射线的过程中
如果在原子内层电子能级跃迁的过程中
释放出来的能量
并不是以X射线的形式发射出去的
而是用这部分的能量
把空位层内的另一个电子发射出去了
那么这个被电离出来的电子
就称之为是俄歇电子
因为每一种原子
都有自己的特征壳层的能量
所以其俄歇电子能量也各有特征值
俄歇电子的能量一般是很低
通常在50到1500个电子伏
俄歇电子的平均自由程很小
通常在一个纳米左右
因此在较深的区域中
产生的俄歇电子在向表层运动时
必然会因为碰撞而损失能量
使之失去了具有特征能量的特点
而只有在距离表面层一个纳米左右范围内
也就是在几个原子层厚度左右
在这个范围内逸出的俄歇电子
才具备特征能量
因此俄歇电子特别适用于做
表面层的成分分析
除了我们上面介绍的六种信号
背散射电子 二次电子 吸收电子
透射电子 特征X射线 俄歇电子
固体样品中
还会产生例如阴极荧光
电子束感生效应等信号
经过调制后也可以用于专门的分析
好这节课我们就介绍到这里
-1.1 晶体、空间点阵及晶体学参数
-1.2 倒易点阵
--布拉菲点阵
-1.3 晶体的宏观对称
--晶体的宏观对称
-1.4 晶体的微观对称
--晶体的微观对称
-1.5 倒易点阵
--倒易点阵
-1.6 倒易点阵的应用
--倒易点阵的应用
-1.7 晶体投影
--晶体投影
-1.8 晶体投影的应用
--晶体投影的应用
-1.9 单晶体标准投影图
--单晶体标准投影图
-1.9 单晶体标准投影图--作业
-2.1 X射线的产生
--X射线的产生
-2.2 X射线与物质的相互作用
-2.3 X射线的吸收限与滤波片
-2.4 连续X射线
--连续X射线
-2.5 特征X射线
--特征X射线
-2.5 特征X射线--作业
-3.1 一个电子对X射线的散射
-3.2 一个原子对X射线的散射
-3.3 简单晶体对X 射线的衍射
-3.4 复杂晶体对X射线的衍射
-3.5 爱瓦德作图法
--爱瓦德作图法
-3.5 爱瓦德作图法--作业
-4.1 粉末照相法
--粉末照相法
-4.2 多晶衍射仪
--多晶衍射仪
-4.3 多晶体衍射峰特征
--多晶体衍射峰特征
-4.4 多晶体衍射峰强度
--多晶体衍射峰强度
-4.5 多晶体花样分析
--多晶体花样分析
-4.5 多晶体花样分析--作业
-5.1 晶块尺寸与微观应力的宽化
-5.2 晶胞常数的精确确定
-5.3 宏观应力的测定
--宏观应力的测定
-5.4 织构的表征
--织构的表征
-5.5 织构的测定
--织构的测定
-5.6 织构分析
--织构分析
-5.7 物相定性分析
--物相定性分析
-5.8 物相定量分析
--物相定量分析
-5.8 物相定量分析--作业
-6.1 电子波与电磁透镜
--电子波与电磁透镜
-6.2 电磁透镜的像差与分辨率
-6.3 电磁透镜的景深和焦长
-6.3 电磁透镜的景深和焦长--作业
-7.1 透射电子显微镜的结构与成像原理
-7.2 透射电子显微镜主要部件的结构与工作原理
-7.3 透射电子显微镜分辨率和放大倍数的测定
-7.4 透射电子显微镜样品制备
-7.4 透射电子显微镜样品制备--作业
-8.1 概述
--概述
-8.2 电子衍射原理
--电子衍射原理
-8.3 晶带定律与零层倒易截面
-8.4 倒易阵点的扩展与偏移矢量
-8.5 倒易阵点与电子衍射图的关系
-8.6 衍射斑点指数化
--衍射斑点指数化
-8.7 选区电子衍射
--选区电子衍射
-8.8 单晶电子衍射花样的标定
-8.9 复杂电子衍射花样的标定
-8.9 复杂电子衍射花样的标定--作业
-9.1 衍射衬度成像原理
--衍射衬度成像原理
-9.2 消光距离
--消光距离
-9.3 衍衬运动学
--衍衬运动学
-9.4 衍衬动力学简介
--衍衬动力学简介
-9.5 晶体缺陷分析
--晶体缺陷分析
-9.5 晶体缺陷分析--作业
-10.1 电子束与固体样品作用时产生的信号
-10.2 扫描电子显微镜的构造和工作原理
-10.3 扫描电子显微镜的主要性能
-10.4 表面形貌衬度原理及其应用
-10.5 原子序数衬度原理及其应用
-10.6 电子探针仪的结构与工作原理
-10.7 电子探针仪的分析方法及应用
-10.7 电子探针仪的分析方法及应用--作业
