第十一电子与物质的相互作用.ppt
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1、1,电子与物质的相互作用,物理学院 邢晓东 13662195823 课件保存于: 密码:xingxiaodong,2,电子与物质的相互作用,一、电子与物质的相互作用 二、电子散射 三、电子束与物质的相互作用区 四、电子束与样品相互作用产生的信号,3,一、电子与物质的相互作用,(1)运动的微观粒子具有波动性,电子波的波长与质量m、运动速度v、动量p之间的关系由德布罗意波动方程给出: (2)电子速度与电压的关系 对v00的电子,在加速电压U的作用下,速度达到v,则动能E为:,1.1 电子的波长,4,(3)电子波长与加速电压的关系,(4)电子波长的相对论校正,一、电子与物质的相互作用,1.1 电子
2、的波长,5,表 不同加速电压下的电子能量与波长,一、电子与物质的相互作用,1.1 电子的波长,6,1.2 电子与物质的相互作用,电子束照射到试样上,入射电子与试样原子的原子核和核外电子发生弹性散射、或非弹性散射过程,并激发出多种反映试样形貌、结构和组成的物理信号,主要有背散射电子、透射电子、吸收电子、二次电子、俄歇电子、连续X射线、特征X射线、阴极发光、衍射电子等(99%转变为热,仅1%转变为物理信号)。,一、电子与物质的相互作用,7,1.2 电子与物质的相互作用,透射和扫描电镜获取的信息分别为: (1)TEM:电子束斑直径210m,样品厚度0.20.5m,采用的是透射的弹性散射电子进行显微成
3、像或者相干衍射获得电子衍射谱; (2)SEM:电子束斑直径数nm,样品厚度很大,采用的是随着电子束在样品表面扫描过程中所产生的背散射电子、二次电子、俄歇电子、吸收电子、特征X射线、阴极发光等。,一、电子与物质的相互作用,8,二、电子散射,电子散射:当一束聚焦电子束沿一定方向射入试样时,在原子库仑电场作用下,入射电子方向改变,称为电子散射。 电子散射分为: 弹性散射:电子只改变方向,而能量基本无损失。 非弹性散射:电子不但改变方向,能量也有不同程度的减少,转变为热、光、特征X射线和二次电子发射等。,波动性(假设入射电子波是相干的),电子散射分为: 相干散射:保持入射电子的位相和波长; 非相干散射
4、:没有确定的位相关系;,9,二、电子散射,散射角:散射电子的运动方向与原入射电子方向之间的夹角。 前散射:散射角小于90;包括弹性散射、布拉格散射即衍射,及非弹性散射;前弹性散射角通常较小(110),前弹性散射角越大,非相干的程度就越大。非弹性散射总是非相干的。 背散射:散射角大于90;,原子对电子散射表现为: (1)原子核对电子散射:主要为弹性散射,原子核质量远大于电子,强库仑作用;部分非弹性散射,连续X射线; (2)核外电子对电子散射:主要为非弹性散射,产生热、光、特征X射线、二次电子等;,10,二、电子散射,原子核对电子的弹性散射,弹性散射,一个运动的电子靠近孤立的原子时,由于原子核库仑
5、力的作用,电子将向原子核方向偏转 偏转角-n,n的大小取决于距离rn 的大小,2.1 电子散射截面与电子散射能力,式中,U为加速电压,Z为原子序数,11,二、电子散射,核质量电子的质量,此偏转可视为弹性散射,则偏转角n-弹性散射角 在(rn)2 圆面积内的散射,散射角 n ,称(rn)2 为散射角大于n的原子核弹性散射截面 弹性散射是电子衍射及成像的基础,原子核对电子的弹性散射,2.1 电子散射截面与电子散射能力,12,二、电子散射,核外电子的非弹性散射,一个运动的电子靠近孤立的原子中的电子时,由于电子库仑力的排斥作用,电子将向反方向偏转, 偏转角-e, e的大小取决于re 的大小,非弹性散射
6、,2.1 电子散射截面与电子散射能力,式中,U为加速电压,13,二、电子散射,入射电子受核外电子的散射,电子偏转时有能量的变化,此偏转可视为非弹性散射 在(re)2 圆面积内的散射,散射角e ,称(re)2 为散射角大于e的非弹性散射截面,核外电子的非弹性散射,2.1 电子散射截面与电子散射能力,14,二、电子散射,散射截面:电子被散射的机会,2.1 电子散射截面与电子散射能力,式中,r为散射中心的有效半径,实际代表了电子与散射中心的距离。 散射截面具有面积的单位,但不代表一个实际的物理面积。 散射截面越大,电子散射的机会就越多,散射截面反应了电子的散射能力。,15,二、电子散射,电子电子的散
7、射截面:,2.1 电子散射截面与电子散射能力,电子原子核散射截面:,加速电压越高,电子散射截面越小,电子被散射机会就越少; 散射角越大,电子散射截面越小,电子被散射机会就越少; 非弹性散射截面主要取决于加速电压; 弹性散射截面与原子序数密切相关;,16,二、电子散射,一个孤立原子的总散射截面是所有弹性散射n和非弹性散射e的和:,2.1 电子散射截面与电子散射能力,由核外电子引起的非弹性散射与原子核产生的弹性散射之比:,随着原子序数的增加,弹性散射所占的比重增加; 对于轻元素,非弹性散射占据很大部分; 对于TEM电子能量,弹性散射几乎总是占主要部分。,17,二、电子散射,单位体积中包含N个原子的
8、电子散射截面Q:电子束通过单位面积单位厚度试样所产生的电子散射几率,2.1 电子散射截面与电子散射能力,Qt包含了影响散射几率的所有因素,式中t称为样品的质厚; 在特定的样品点所发生的电子散射数量取决于该点处样品的厚度和密度,与其他性质关系不大; 随着样品质厚的增加,电子的散射几率增加; 非相干弹性散射是非晶材料TEM成像的物理依据,质厚是重要因素;,式中,N0为阿伏伽德罗常数,A为原子量,为密度,N0=NA,试样厚度为t的散射几率为:,18,二、电子散射,当考虑电子的波动性时,能量(波长)不变的弹性散射波可以相互干涉得到加强或减弱。 电子衍射:由于固体晶体中的原子排列具有周期性,各原子弹性散
9、射的电子波相互干涉,在相干散射加强的方向上产生电子衍射束。 电子衍射谱:在透射电镜中,电子衍射束被电磁透镜聚焦放大投影到荧光屏上,形成规则排列的斑点或线条。,2.2 相干弹性散射和电子衍射,相干弹性散射是电子束在晶体中产生电子衍射现象的物理基础; 相干弹性散射是指原子位置的相关性,即晶体中原子的周期性排列;,19,二、电子散射,电子衍射: 电子衍射与X射线衍射一样,遵从衍射产生的必要条件(布拉格方程+选择反射、衍射矢量方程或厄瓦尔德图解等)和消光规律。 电子衍射的特点: (1)入射电子是直接被试样原子所散射,不是场与场之间的交换,电子散射强度比X射线衍射强度要高得多。 (2)电子波长比X射线波
10、长短得多,电子衍射的布拉格角比X射线衍射的布拉格角小得多;,2.2 相干弹性散射和电子衍射,20,三、电子束与物质的相互作用区,电子束与物质的相互作用区,当一束细聚焦的电子束入射到样品上时,入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用,产生弹性散射和非弹性散射。 入射电子非弹性散射所损失的能量大部分转变为热,小部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子,并伴随着产生各种有用信息。 相互作用区形状和大小主要是在扫描电镜分析时考虑(电子束斑直径数nm)。,21,三、电子束与物质的相互作用区,电子与物质的相互作用区:即电子在样品中的扩散区,就是在散射的过程中,入射电子在样品中穿透的深度和侧向扩散的范围。 横
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