电子束与固体的相互作用在线视频

大家好

今天我们学习

电子束与固体的相互作用

主要介绍扫描电镜中所使用的

信号是如何产生的

我们知道物质由原子组成

原子又是由原子核和核外电子组成

当电子束打到样品上

入射电子就会和这些原子核

或者核外电子发生相互作用

我们可以理解为是发生碰撞

碰撞之后入射电子的方向会发生改变

这就是散射

有两种情况

一种是入射电子和跟样品中

原子的原子核发生碰撞

由于电子的质量远远小于

原子核的质量

入射电子的能量基本不变

而运动方向发生变化

这种散射就是弹性散射

被反弹回来的这个入射电子

就叫弹性背散射电子

还有一种情况

入射电子是跟样品中

原子的核外电子发生碰撞

两个电子质量相同

入射电子要把一部分能量

传递给原子的核外电子

那么入射电子自己既改变了方向

又损失了能量

这种散射就是非弹性散射

如果这个入射电子被反弹回去

从样品表面发射出去

我们就把它叫做非弹性背散射电子

而被撞击的原子的核外电子

如果能从样品表面发射出去

那它就是二次电子

二次电子中大约90%是来自

样品原子的外层价电子

因为相对于内层电子

外层价电子的结合能很小

比较容易从原子中脱离

一个能量很高的入射电子

可以多次碰撞产生出很多个二次电子

也就是二次电子的数量

要远远的多于背散射电子

如果入射电子碰撞的是

原子的内层电子

内层电子会跃迁到更高的能级

同时在内层产生空位

原子就处于激发态

原子要回到基态

也就是外层电子跃迁至内层空位时

多余的能量可能会以

电磁辐射的方式被释放出来

这个电磁辐射就是特征X射线

而如果这个过程中多余的能量

是转移给另一个外层电子

使这个外层电子

挣脱原子核的束缚而逃逸出来

那这就是俄歇电子

如果特征X射线没有发射出去

而是进一步去激发产生了新的X射线

那就是X射线荧光

另外

入射电子在样品中

可能发生多次碰撞

能量逐渐减少

最后停留在样品内部

被样品吸收

这些电子就是吸收电子

二次电子、特征X射线

俄歇电子、X射线荧光

吸收电子都是在非弹性散射过程中形成的

如果样品足够薄

还可能产生透射电子

原子束打到样品上之后

入射的电子可能会进行多次碰撞

不断地改变方向

从而在样品内部扩散

直到最后被样品全部吸收

不能再扩散了

因此

入射电子在样品中

存在一个有限制的扩散区域

这个区域就称为

电子与物质的相互作用区

这个相互作用区就像这样呈梨形

或者叫液滴形

刚才讲到的那些物理信号

就从这个作用区内发射出去的

但每一种能从样品表面

发射出去的信号

它们出射的深度和广度是不同的

比如俄歇电子

作用区内最上面这一小块红色的

是俄歇电子能发射的区域

其实在整个作用区都有俄歇电子产生

所以只有1nm左右深度内产生的

俄歇电子才能具备特征能量

二次电子的能量大多只有几个电子伏特

一般距表面5-50纳米深度的

二次电子能够逃逸出样品表面

也就是图上蓝色区域这一部分

当然上面红色区域内产生的

二次电子也能逃逸出去

俄歇电子和二次电子

这两种信号出射的区域

电子的作用区还没有发生横向扩散

所以它们出射的横向尺寸

和入射电子束的束斑尺寸是一样的

而背散射电子可以从

更宽更深的紫色区域出射

这个区域是已经扩散了的区域

其深度和宽度都明显增大

而特征X射线的出射范围更大

这个浅紫色区域范围内

产生的特征X射线都可以

从表面发射出去

吸收电子的活动区域

基本也是在这个范围内

再进一步扩展的区域内产生的

是连续X射线和X射线荧光

也可以从样品表面发射出去

不过

连续X射线和X射线荧光

这两种信号在SEM中

属于无用信息或者干扰信息

像俄歇电子、二次电子、背散射电子

特征X射线等这些

有效信号出射的区域

被称为电子有效作用区

这张图中的梨形区域

就是电子有效作用区

每种信号都有其出射的深度和广度

比如俄歇电子

出射的深度为1nm左右

宽度和入射电子束尺寸相同

二次电子的出射深度

大约为5-50nm

出射宽度也是和电子束尺寸基本相同

背散射电子出射的深度

和宽度会达到几百纳米的范围

而特征X射线的出射深度

扩展到了微米级

电子有效作用区的尺寸

并不是一个确定的值

它跟入射电子的能量

以及样品中元素的原子序数有关

入射电子的能量越大

电子能够穿透的深度越大

从而相互作用区越大

而样品中元素的原子序数越大

越能够有效地吸收电子

因而相互作用区会变小

所以

所采用的入射电子的能量不同

样品不同

也会影响图像的分辨率

这次课就讲这么多

谢谢大家

下次课再见