材料电子能谱学.ppt

1电子能谱分析电子能谱分析5/10/20241SurfaceAnalysisLab.ofSCUT2参考书目参考书目1.表面分析技术，清华大学表面分析技术，清华大学.陆家和，陈长彦陆家和，陈长彦2.表面分析，复旦大学，华中一，罗维昂表面分析，复旦大学，华中一，罗维昂3.电子能谱学引论，王建祺，国防工业出版社电子能谱学引论，王建祺，国防工业出版社4.电子能谱学，周涛电子能谱学，周涛5.表面化学分析，黄惠忠表面化学分析，黄惠忠，华东理工大学出版社，华东理工大学出版社6.表面分析表面分析(XPS和和AES)引论，引论，(英英)(Watts,J.F Wolstenholme,J.)著著,吴正龙吴正龙 译，华东理工大学出版社译，华东理工大学出版社5/10/20242SurfaceAnalysisLab.ofSCUT3出淤泥而不染出淤泥而不染5/10/20243SurfaceAnalysisLab.ofSCUT4荷叶效应（荷叶效应（Lotus effect）1997年，德国波恩大学的植物学家年，德国波恩大学的植物学家Wilhelm Barthlott 在电子显微镜下，荷叶的表面具有大小约在电子显微镜下，荷叶的表面具有大小约510微米细微突起的表皮细胞微米细微突起的表皮细胞(epidermal cell)，表皮細胞上又覆盖着一层直径约，表皮細胞上又覆盖着一层直径约1纳米纳米的蜡质结晶的蜡质结晶(wax crystal)。5/10/20244SurfaceAnalysisLab.ofSCUT5荷叶表面的自清洁荷叶表面的自清洁5/10/20245SurfaceAnalysisLab.ofSCUT6自然界的启示自然界的启示-材料的仿生制备材料的仿生制备5/10/20246SurfaceAnalysisLab.ofSCUT7材料组成材料组成材料结构材料结构材料性能材料性能材料表面性能材料表面性能材料组成材料组成材料组成材料组成材料结构材料结构材料结构材料结构材料性能材料性能材料性能材料性能表面分析表面分析电子能谱分析电子能谱分析表面形貌表面形貌表面自由能表面自由能表面元素组成、化学状态表面元素组成、化学状态5/10/20247SurfaceAnalysisLab.ofSCUT8课程内容第一章、绪论第一章、绪论 1.电子能谱学研究体系 2.电子能谱学发展简史 3.表面及微束分析方法第二章、电子束及第二章、电子束及X X射线与固体表面相互作用射线与固体表面相互作用 1.电子的双重特性 2.原子核外电子结构 3.电子跃迁规律 4.电子束与固体的相互作用 5.电子束与固体相互作用信息 6.X射线特性 7.X射线与固体的相互作用5/10/20248SurfaceAnalysisLab.ofSCUT9第三章、俄歇电子能谱分析原理及应用第三章、俄歇电子能谱分析原理及应用 1.电子能谱分析法 2.俄歇电子跃迁 3.俄歇电子能谱分析方法 4.俄歇电子能谱仪结构 5.俄歇电子能谱仪的应用第四章、光电子能谱分析原理及应用第四章、光电子能谱分析原理及应用 1.光电子能谱分析法 2.光电效应理论 3.光电子能谱定性定量分析方法 4.光电子能谱仪结构 5.光电子能谱仪的应用（包括样品制备、数据分析等）5/10/20249SurfaceAnalysisLab.ofSCUT10第一章 绪 论电子能谱学研究体系电子能谱学研究体系电子能谱学发展简史电子能谱学发展简史表面及微束分析方法表面及微束分析方法5/10/202410SurfaceAnalysisLab.ofSCUT11 电子能谱学研究体系电子能谱学研究体系u电子能谱属于仪器分析的范畴电子能谱属于仪器分析的范畴 所所谓谓仪仪器器分分析析是是以以物物理理和和化化学学领领域域的的某某些些原原理理和和效效应应为为基基础础，在在利利用用各各科科学学技技术术的的新新成成就就的的基基础础上上而而建建立立起起来来的的分分析析实实验验装装置置，其其测测试试的的对对象象不不是是样样品品的的宏宏观观参参数数，如如重重量量、体体积积、密密度度、溶溶解解度度等等，而而是是光光子子、电电子子、离离子子、原原子子和和分分子子等等的的特特征征参参数数，如如光光子子的的波波长长、电电子子的的能能量量、离离子子质质量量、样样品品对对光光的的吸吸收收、衍衍 射射 等等 为为 主主 要要 参参 数数 来来 表表 征征 物物 质质 的的 组组 成成、含含 量量、结结 构构 和和 形形 貌貌 等等。电电子子能能谱谱(Electron Energy Spectrometer)是是采采用用一一定定的的激激发发源源（电电子子束束或或X射射线线等等）与与样样品品作作用用，激激发发样样品品表表面面元元素素产产生生各各种种二二次次信信息息，测测试试出出射射电电子子（俄俄歇歇电电子子、光光电电子子）的的能能量量来来进进行行样样品品表表面面元元素素成成分分、化化学学状状态态等等的的分分析析。5/10/202411SurfaceAnalysisLab.ofSCUT12 电电子子能能谱谱分分析析的的是是样样品品表表面面的的元元素素成成份份及及化化学学状状态态及及结结构构信信息息，这这些些信信息息往往往往是是来来自自样样品品表表面面（几几个个原原子子层层）及及微微区区范范围围，微微区区范范围围大大小小（几几个个纳纳米米至至几几个个微微米米）由由入入射射激激发发源源的的束束斑斑大大小小和和样样品品表表面面状状态态及及测测试试信信息息而而决决定定。这这一一点点使使电电子子能能谱谱分分析析有有别别于于其其他他体体相相分分析析方方法法，如如 NMR、AAS、ICP、MS、LC、GC等等，这这些些分分析析方方法法分分析析的的是是样样品品整整体体的的元元素素、化化合合物物、结结构构等等信信息息，得得到到的的是是有有关关样样品品体体相相的的整整体体或或平平均均信信息息。电子能谱的表面及微区分析能力使我们能更加准确地对样电子能谱的表面及微区分析能力使我们能更加准确地对样品的局部信息进行分析。品的局部信息进行分析。电子能谱属于电子能谱属于表面表面及及微区微区分析的范畴。分析的范畴。5/10/202412SurfaceAnalysisLab.ofSCUT13 物体与周围环境（气体、液体、固体或真空）的边界，物体与周围环境（气体、液体、固体或真空）的边界，即为表面，表面是物质存在的一种形式，所有固体材料通过即为表面，表面是物质存在的一种形式，所有固体材料通过它们的表面与其所处的环境发生相互作用。它们的表面与其所处的环境发生相互作用。固体表面的物理和化学组成、原子排列、原子振动等运固体表面的物理和化学组成、原子排列、原子振动等运动状态常常和体内不同，表面向外一侧没有近邻原子，表面动状态常常和体内不同，表面向外一侧没有近邻原子，表面原子部分化学键伸向空间形成悬空键，表面具有非常活泼的原子部分化学键伸向空间形成悬空键，表面具有非常活泼的化学性质。材料表面性能往往是决定材料使用性能的重要因化学性质。材料表面性能往往是决定材料使用性能的重要因素。素。固体表面有时指表面的第一原子层，有时指上面几个原固体表面有时指表面的第一原子层，有时指上面几个原子层，有时指厚度达几个子层，有时指厚度达几个nmnm或或umum的表面层。的表面层。表面的含义表面的含义5/10/202413SurfaceAnalysisLab.ofSCUT14表面分析，薄膜分析，体相分析的比较表面分析，薄膜分析，体相分析的比较表面分析，薄膜分析，体相分析的比较表面分析，薄膜分析，体相分析的比较5/10/202414SurfaceAnalysisLab.ofSCUT15电子能谱分析的表面范围电子能谱分析的表面范围 当具有足够能量的辐射（当具有足够能量的辐射（hvhv）或粒子与样品碰撞时，原则上均能引起电离或）或粒子与样品碰撞时，原则上均能引起电离或电子激发，但是，只有表面层具有一定能量和动量的电子，才能逃逸出样品，进电子激发，但是，只有表面层具有一定能量和动量的电子，才能逃逸出样品，进入真空而被接收。依据物理学种的弹性散射和非弹性散射原理，有关系式：入真空而被接收。依据物理学种的弹性散射和非弹性散射原理，有关系式：N为从表面逃逸而被接收到的（光）电子数，为从表面逃逸而被接收到的（光）电子数，N0为在样品中产生的所有可被接收为在样品中产生的所有可被接收的（光）电子数；的（光）电子数；Z为样品的取样（检测）深度；为样品的取样（检测）深度；为非弹性散射平均自由程为非弹性散射平均自由程（Inelastic Mean Free Path,IMFP)，当，当z3 时，从该处逃逸而被接收的电子数只有时，从该处逃逸而被接收的电子数只有N0的的5左右，即在左右，即在z3 深度范围内被接收电子数已经占了深度范围内被接收电子数已经占了N0的的95，因此，通常把，因此，通常把z3 称为取样深度。其称为取样深度。其数值取决于不同的材料体系，数值取决于不同的材料体系，Z值一般在值一般在10nm以内。以内。5/10/202415SurfaceAnalysisLab.ofSCUT165/10/202416SurfaceAnalysisLab.ofSCUT17电子非弹性散射平均自由程电子非弹性散射平均自由程IMFP()非弹性平均自由程，具有一定能量的电子连续发生两次有效非弹性平均自由程，具有一定能量的电子连续发生两次有效的非弹性碰撞之间所经过的平均距离的非弹性碰撞之间所经过的平均距离(nm单位单位)，称为电子的非弹性平，称为电子的非弹性平均自由程，在表面分析中是一个重要参数，它与电子能量和表面材料有均自由程，在表面分析中是一个重要参数，它与电子能量和表面材料有关，它可用来估计具有不同特征能量的电子所携带的信息深度。关，它可用来估计具有不同特征能量的电子所携带的信息深度。5/10/202417SurfaceAnalysisLab.ofSCUT185/10/202418SurfaceAnalysisLab.ofSCUT19电子能谱取样深度电子能谱取样深度对于能量在对于能量在100 1000eV的电子来说，非弹性散射平均自由程的典型值的电子来说，非弹性散射平均自由程的典型值在在2 3nm的量级，此一距离对大多数材料而言约为的量级，此一距离对大多数材料而言约为10个原子单层。个原子单层。根据取样深度根据取样深度Z=3，其电子能谱分析样品表面深度为：，其电子能谱分析样品表面深度为：n金属：金属：0.52nmn无机物：无机物：1-3nmn有机物：有机物：3-10nm 与各种物质性质有关与各种物质性质有关5/10/202419SurfaceAnalysisLab.ofSCUT20微区分析微区分析决定电子能谱微区分析能力的因素：决定电子能谱微区分析能力的因素：1、入射源的束斑大小；、入射源的束斑大小；2、分析器的信号收集范围；、分析器的信号收集范围；3、分析信号的种类。、分析信号的种类。俄歇电子能谱：几十俄歇电子能谱：几十nmX射线光电子能谱：射线光电子能谱：10微米微米5/10/202420SurfaceAnalysisLab.ofSCUT21Surfacemicroanalysis5/10/202421SurfaceAnalysisLab.ofSCUT22表面分析的主要内容表面分析的主要内容 表面科学研究表面和表面有关的宏观和微观过程，从原子水平来认识和说表面科学研究表面和表面有关的宏观和微观过程，从原子水平来认识和说明表面原子的化学几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性明表面原子的化学几何排列、运动状态、电子态等性质及其与表面宏观性质的联系质的联系:u表面化学组成：表面元素组成、表面元素的分布、表面元素的化学态、表表面化学组成：表面元素组成、表面元素的分布、表面元素的化学态、表面化学键、化学反应等面化学键、化学反应等;u表面结构：表面原子排列、表面弛豫、表面再构表面缺陷表面形貌表面结构：表面原子排列、表面弛豫、表面再构表面缺陷表面形貌;u表面原子态：表面原子振动状态表面吸附表面原子态：表面原子振动状态表面吸附(吸附能吸附位吸附能吸附位)表面扩散分凝等表面扩散分凝等;u表面电子态：表面电荷密度分布及能量分布表面电子态：表面电荷密度分布及能量分布(DOS)表面能级性质表面态密表面能级性质表面态密度分布价带结构功函数度分布价带结构功函数.5/10/202422SurfaceAnalysisLab.ofSCUT23与固体表面有关的现象与固体表面物理性质、机械性能有关的现象：与固体表面物理性质、机械性能有关的现象：光的反射和吸收、热电子和光电子的发射、离子发射、晶体生长、热辐射、光的反射和吸收、热电子和光电子的发射、离子发射、晶体生长、热辐射、摩擦和润滑、薄膜的附着和粘结，材料的脆断和晶粒间杂质的偏析，以及各摩擦和润滑、薄膜的附着和粘结，材料的脆断和晶粒间杂质的偏析，以及各种薄膜如光学膜、磁性膜、高温超导膜、钝化膜、太阳能薄膜和生物膜等。种薄膜如光学膜、磁性膜、高温超导膜、钝化膜、太阳能薄膜和生物膜等。与固体表面化学性质有关的现象：与固体表面化学性质有关的现象：腐蚀、粘接、吸附、电极表面反应、生物医用材料表面，催化剂等。腐蚀、粘接、吸附、电极表面反应、生物医用材料表面，催化剂等。表面性能非常重要，通过各种改性方法，使表面的某种特性突出，或制造表面性能非常重要，通过各种改性方法，使表面的某种特性突出，或制造具有特殊性质的表面层来改善材料和器件的功能。如材料的表面处理、表面涂具有特殊性质的表面层来改善材料和器件的功能。如材料的表面处理、表面涂层、表面镀层、表面接枝等。层、表面镀层、表面接枝等。5/10/202423SurfaceAnalysisLab.ofSCUT24与表面有关的相关科学问题与表面有关的相关科学问题5/10/202424SurfaceAnalysisLab.ofSCUT25电子能谱应用范围电子能谱应用范围复合材料表面分析及界面分析复合材料表面分析及界面分析固体材料表面的成分分析及元素化学态分析固体材料表面的成分分析及元素化学态分析薄膜表面与界面分析薄膜表面与界面分析器件、产品质量分析及剖析器件、产品质量分析及剖析金属氧化与腐蚀金属氧化与腐蚀各种固体表面化学问题的测定。各种固体表面化学问题的测定。5/10/202425SurfaceAnalysisLab.ofSCUT26透过表面现象看本质透过表面现象看本质表面性质往往决定材料使用性能表面性质往往决定材料使用性能材料表面性能非常重要材料表面性能非常重要材料研究离不开表面分析材料研究离不开表面分析5/10/202426SurfaceAnalysisLab.ofSCUT272 2、电子能谱学发展简史、电子能谱学发展简史（1 1）俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AESAES）1925年，年，Pierre Auger 在在Welson云室中观察到俄歇电子，并正确解释了这种电云室中观察到俄歇电子，并正确解释了这种电子的来源，子的来源，1953年，年，J.J.Lander首次提出用电子束激发样品表面产生俄歇信号用于表面分首次提出用电子束激发样品表面产生俄歇信号用于表面分析的思想析的思想，1967年，年，L.A.Harris采用微分法和锁相放大器，才解决了如何从强大的本底采用微分法和锁相放大器，才解决了如何从强大的本底 和和噪声中把俄歇信号检测出来的问题，也才有了实际可供表面分析噪声中把俄歇信号检测出来的问题，也才有了实际可供表面分析 的俄歇电子能谱的俄歇电子能谱仪仪。发展：随真空技术、电子光学技术、计算机技术等的发展，扩展了俄歇电子能发展：随真空技术、电子光学技术、计算机技术等的发展，扩展了俄歇电子能谱分析技术，能量分辨率的提高，空间分辨率的提高，扫描俄歇等。谱分析技术，能量分辨率的提高，空间分辨率的提高，扫描俄歇等。5/10/202427SurfaceAnalysisLab.ofSCUT28 （2 2）X X射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPSXPS）所依据的实验原理是爱因斯坦的光电效应理论，所依据的实验原理是爱因斯坦的光电效应理论，光电发射实验现象早在光电发射实验现象早在19世纪末期就被人们所认识，但将这一物理效应发世纪末期就被人们所认识，但将这一物理效应发展成今天被广泛使用的展成今天被广泛使用的X射线光电子能谱仪则要归功于射线光电子能谱仪则要归功于20世纪世纪60年代末瑞典年代末瑞典Uppsala大学大学K.Siegbahn教授及其同事的系列研究。他们当时的工作主要是将教授及其同事的系列研究。他们当时的工作主要是将XPS用于化学研究，所以用于化学研究，所以XPS又被称为化学分析用电子能谱，即又被称为化学分析用电子能谱，即Electron energy spectroscopy for chemical analysis（ESCA）。）。发展：随着检测技术和计算机技术的提高，目前发展了发展：随着检测技术和计算机技术的提高，目前发展了XPS成像、化学态成像、化学态分布、线扫描等技术，提高了分析效率，未来的发展主要集中于激发源、分分布、线扫描等技术，提高了分析效率，未来的发展主要集中于激发源、分析器和检测器等的进步，进一步提供谱仪的能量和空间分辨率。析器和检测器等的进步，进一步提供谱仪的能量和空间分辨率。5/10/202428SurfaceAnalysisLab.ofSCUT29AES-430S俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪5/10/202429SurfaceAnalysisLab.ofSCUT30Axis Ultra DLD 光电子能谱仪Axis Ultra DLD光电子能谱仪光电子能谱仪5/10/202430SurfaceAnalysisLab.ofSCUT31表面分析方法nX射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPS or ESCA）n俄歇电子能谱（俄歇电子能谱（AES）n紫外光电子能谱（紫外光电子能谱（UPS)n低能离子散射谱（低能离子散射谱（ISS）n低能电子能量损失谱（低能电子能量损失谱（EELS)n二次离子质谱（二次离子质谱（SIMS)n低能电子衍射（低能电子衍射（LEED)n扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPM）n表面接触角（表面接触角（SCA）5/10/202431SurfaceAnalysisLab.ofSCUT32表面及微束分析表面及微束分析 表面分析技术表面分析技术是通过微观粒子或（电、磁、力等）场与表面的相互作用而获取表面信息的实验方法，根据所得到的表面信息，具体包括以下内容：表面形貌分析表面形貌分析 表面形貌指表面“宏观和微观外形”，如表面不平整度或粗糙度等，主要使用电子显微镜、离子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等仪器进行分析。表面组分分析表面组分分析 测定表面的元素组成、化学态及在表面层的横向与纵向分布。表面结构分析表面结构分析 测定表面原子的排列，包括测定表面原子及其上吸附单层原子的相对位置，分析方法有低能电子衍射、扫描隧道显微镜、低能电子散射谱。角分辨光电子谱和X射线光电子衍射等表面电子态分析表面电子态分析 主要测定表面原子能级的性质、表面态密度分布、表面电荷密度分布和能量分布。分析仪器有紫外光电子能谱、高分辨电子能量损失谱等。表面原子态分析表面原子态分析 测定表面原子振动，表面原子化学键性质与吸附位置、吸附原子态，吸附原子的成键方向等。5/10/202432SurfaceAnalysisLab.ofSCUT33入射源入射源分析技术分析技术二次效应和分析对象二次效应和分析对象分析内容分析内容X射线射线XPS光电效应、光电子光电效应、光电子表面元素、化学价态表面元素、化学价态电子束电子束AES俄歇效应、俄歇电子俄歇效应、俄歇电子元素分析元素分析EPMA（WDS）特征特征X射线射线元素、形貌元素、形貌CL荧光效应荧光效应形貌形貌SEM（EDS）二次电子、特征二次电子、特征X射线射线形貌、元素形貌、元素TEM（EDS）透射电子透射电子形貌、元素形貌、元素紫外光紫外光UPS光电效应（原子外层电子）光电效应（原子外层电子）元素价带分析元素价带分析离子束离子束ISS散射二次离子散射二次离子元素组成元素组成SPM（探针）（探针）AFM原子力原子力表面原子级形貌表面原子级形貌STM隧道效应、隧道电流隧道效应、隧道电流表面原子级形貌表面原子级形貌常用表面分析方法常用表面分析方法5/10/202433SurfaceAnalysisLab.ofSCUT34对于各种表面及微束（微区）分析方法，表面及微区的概念是不一样对于各种表面及微束（微区）分析方法，表面及微区的概念是不一样的，有的是表面几个原子层，有的分析方法表面深度达几个微米，有的的，有的是表面几个原子层，有的分析方法表面深度达几个微米，有的分析方法可以达到几个纳米微区范围，有的则为几个微米。分析方法可以达到几个纳米微区范围，有的则为几个微米。1.1.入射源的性质入射源的性质（X X射线、电子束、探针、功率、束斑大小等）射线、电子束、探针、功率、束斑大小等）2.2.分析对象分析对象（二次信息）的性质（光电子、俄歇电子、二次电子、（二次信息）的性质（光电子、俄歇电子、二次电子、离子、背散射电子、特征离子、背散射电子、特征X X射线、隧道电流等）射线、隧道电流等）5/10/202434SurfaceAnalysisLab.ofSCUT355/10/202435SurfaceAnalysisLab.ofSCUT365/10/202436SurfaceAnalysisLab.ofSCUT37第二章第二章 电子束及电子束及X X射线与固体表面相互作用射线与固体表面相互作用5/10/202437SurfaceAnalysisLab.ofSCUT381.1.1.1.电子束特性和电子束与固体表面的相互作用电子束特性和电子束与固体表面的相互作用电子束特性和电子束与固体表面的相互作用电子束特性和电子束与固体表面的相互作用 电子的双重特性电子的双重特性 原子核外电子结构原子核外电子结构 电子跃迁规律电子跃迁规律 电子束与固体的相互作用电子束与固体的相互作用 电子束与固体相互作用信息电子束与固体相互作用信息2.X2.X2.X2.X射线特性和射线特性和射线特性和射线特性和X X X X射线与固体的相互作用射线与固体的相互作用射线与固体的相互作用射线与固体的相互作用 X射线特性射线特性X射线与固体的相互作用射线与固体的相互作用5/10/202438SurfaceAnalysisLab.ofSCUT39 现代分析仪器建立在物质相互作用的基础上，是利用各种物质粒子作为现代分析仪器建立在物质相互作用的基础上，是利用各种物质粒子作为“探探针针”来探测物质的性质、含量和结构。这里所说的粒子，按照其荷电性质可以分来探测物质的性质、含量和结构。这里所说的粒子，按照其荷电性质可以分为两类：为两类：带电粒子：电子和离子等；带电粒子：电子和离子等；中性粒子：原子和能量子（即电磁辐射）。中性粒子：原子和能量子（即电磁辐射）。日常生活中人们见到的各种颜色的光和感觉到的热辐射，以及不能被人们直日常生活中人们见到的各种颜色的光和感觉到的热辐射，以及不能被人们直接感觉到的射线、接感觉到的射线、射线、紫外光等都属于电磁辐射。建立在电磁辐射与物质射线、紫外光等都属于电磁辐射。建立在电磁辐射与物质相互作用基础上的分析方法，按传统习惯称为相互作用基础上的分析方法，按传统习惯称为光学（光谱）分析方法光学（光谱）分析方法。带电粒子。带电粒子（如电子、离子）的特性十分类似于普通光学，故把建立在电（离）子与物质相（如电子、离子）的特性十分类似于普通光学，故把建立在电（离）子与物质相互作用原理基础上的分析方法称为互作用原理基础上的分析方法称为电（离）子光学分析方法电（离）子光学分析方法。5/10/202439SurfaceAnalysisLab.ofSCUT40电子的双重特性 电子是具有一定质量和电荷的带电粒子，其最基本和最重要的特性电子是具有一定质量和电荷的带电粒子，其最基本和最重要的特性是其波粒二象性，即它一方面是具有一定质量并带负电荷的是其波粒二象性，即它一方面是具有一定质量并带负电荷的粒子粒子，同时它又具有同时它又具有象象X射线那样的电磁辐射的射线那样的电磁辐射的波动波动特性。特性。电子特性电子特性（1）荷电粒子：电荷，质量，能量）荷电粒子：电荷，质量，能量（2）电磁辐射：波长，能量）电磁辐射：波长，能量 5/10/202440SurfaceAnalysisLab.ofSCUT411.电子的粒子性电子的粒子性 m m为电子有效质量，为电子有效质量，v v为电子运动速度，为电子运动速度，c c为为光速，光速，m m0 0为电子静止质量（为电子静止质量（vcvc）。）。电子的电荷：电子的电荷：e（1.602060.0003）10-19 库仑。库仑。电子是十分轻的实体粒子，它的质量约为质子质量的电子是十分轻的实体粒子，它的质量约为质子质量的1/1840，其值，其值m0约为约为（9.10830.003）10-28g，考虑相对论效应，电子质量随运动速度而变化，引入，考虑相对论效应，电子质量随运动速度而变化，引入电子有效质量概念，其质量与速度的关系可表示为：电子有效质量概念，其质量与速度的关系可表示为：5/10/202441SurfaceAnalysisLab.ofSCUT42（A）电子波长与电压成反比电子波长与电压成反比1A=10-10 m=0.1nm2、电子的波动性、电子的波动性 对于一个质量为对于一个质量为m，速度为，速度为v的匀速运动粒子，既可以用能量的匀速运动粒子，既可以用能量E和动量和动量P来描述，来描述，也可用频率也可用频率和波长和波长描述，根据爱因斯坦普朗克能量关系表示：描述，根据爱因斯坦普朗克能量关系表示：式中式中E为电子能量，为电子能量，h为普朗克常数，为普朗克常数，P为粒子动量，为粒子动量，V为电子运动速度，为电子运动速度，为频率，为频率，为对应的波长。考虑电子在电场强度为为对应的波长。考虑电子在电场强度为V0的电场中运动，其波长可的电场中运动，其波长可以简化为：以简化为：5/10/202442SurfaceAnalysisLab.ofSCUT43原子核外电子结构原子由原子核和核外电子组成，核外电子按照一定的轨道围绕原子核运动，原子原子由原子核和核外电子组成，核外电子按照一定的轨道围绕原子核运动，原子核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中性。电子在原子核外运动的轨道，核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中性。电子在原子核外运动的轨道，称之为电子壳层，或称之为电子壳层，或电子轨道电子轨道。核外没有两个运动状态完全相同的电子。电子。核外没有两个运动状态完全相同的电子。电子运动状态采用一组轨道量子数来表示，各量子数如下：运动状态采用一组轨道量子数来表示，各量子数如下：5/10/202443SurfaceAnalysisLab.ofSCUT44核外电子的量子数表述核外电子的量子数表述轨道量轨道量子数子数名称名称允许取值允许取值定义定义n主量子数主量子数正整数（正整数（1，2，3）电子壳层（电子壳层（1K，2L，3M）决定电子的能量决定电子的能量l角量子数角量子数从从0至（至（n1）整）整数数电子云的形状（电子云的形状（0球形，球形，1哑铃哑铃形）决定电子绕核运动轨道角动量形）决定电子绕核运动轨道角动量m磁量子数磁量子数-l 至至 l，包含，包含0轨道角动量在外磁场方向分量轨道角动量在外磁场方向分量s自旋量子数自旋量子数1/2电子自旋方向电子自旋方向j内量子数内量子数l1/2(j0-1/2)总角动量总角动量5/10/202444SurfaceAnalysisLab.ofSCUT45这一原理限制了在每一个主轨道上排列的最大电子数为2n2，不考虑电子自旋方向，则采用三个量子数表征一个电子轨道，电子轨道量子数及电子排列情况如下表（一般不考虑外磁场的存在，所以不考虑磁量子数m）：电子的排布遵循以下三个规则：能量最低原理能量最低原理:整个体系的能量越低越好。一般来说，新填入的电子都是填在能量最低的空轨道上的。洪特规则洪特规则:电子尽可能占据不同轨道，自旋方向相同。泡利不相容原理泡利不相容原理:在同一体系中，没有两个电子的四个量子数是完全相同的。同一亚层中的各个轨道是简并的，所以电子一般都是先填满能量较低的亚层，再填能量稍高一点的亚层。5/10/202445SurfaceAnalysisLab.ofSCUT46电子轨道量子数及电子排列电子轨道量子数及电子排列n123l0（s）0(s)1(p)0(s)1(p)2(d)j1/21/21/23/21/21/23/23/25/2电子数222422446壳层符号KL1L2L3M1M2M3M4M5轨道命名1s2s2p1/22p3/23s3p1/23p3/23d3/23d5/25/10/202446SurfaceAnalysisLab.ofSCUT47电子跃迁规律电子能够在不同能级之间跃迁，电子跃迁遵循如下三个选择规律：（1）n1，n0，即电子不能在同一主电子层内跃迁（2）l1（3）j1或0只有符合以上三个选择规律的电子跃迁才能发生。5/10/202447SurfaceAnalysisLab.ofSCUT48电子束与固体的相互作用 微区和表面分析基于各种激发源（电子束、离子束或X射线）与固体样品表面的相互作用，产生各种信息。电子束与样品作用，并不是以线性方式穿透样品，而是产生电子束的散射。并最终停留在样品中，其能量绝大部分转变为样品的热量。电子束的散射电子束的散射是指因为电子束与样品原子和电子之间的相互作用，而引起电子束的运动方向（路径）或能量发生变化。电子束的散射包括弹性弹性散射散射和非弹性散射非弹性散射。5/10/202448SurfaceAnalysisLab.ofSCUT49是由于电子与原子核原子核的碰撞而引起的。由于电子与原子核的质量相差非常大，在弹性碰撞下，原子没有被激发（原子内能不变），电子与原子的总动能在散射前后保持不变，而只是电子束运动方向发生改变。由电子弹性散射的平均自由程分析表明，在高原子序数和低能电子束的情况下，弹性散射的平均自由程越小，越容易发生弹性散射。弹性散射（电子背散射）：弹性散射（电子背散射）：5/10/202449SurfaceAnalysisLab.ofSCUT50非弹性散射非弹性散射 非弹性散射是由电子束与核外电子的碰撞引起的。在非弹性散射过程中，电子的入射方向改变较小入射方向改变较小，而电子的动能减少，把能量传递给靶原子和核外电子，引起各种二次效应发生。伴随着电子和受激原子能量变化，能量变化，电子的非弹性散射过程产生各种二次效应，如：光子激发、等离子激发、二次电子发射、内壳层电离、韧致辐射或连续X射线、声子激发、特征X射线、俄歇电子发射等。5/10/202450SurfaceAnalysisLab.ofSCUT51相互作用区相互作用区 电子的弹性散射与非弹性散射过程是同时发生的。弹性散射使电子束偏离原来的运动方向，并使电子在固体中进行扩散。而非弹性散射过程则使束电子的能量逐渐减少，直到被固体完全吸收而限制电子束在固体中的扩散范围，并将能量沉积在电子束和固体相互作用的区域内，产生各种二次辐射，这个区域我们称为相互作用区。5/10/202451SurfaceAnalysisLab.ofSCUT52电子束与固体的梨形相互作用区可以用散射过程来解释：对于一个低原子序数的基体，入射电子较容易发生非弹性碰撞，电子束能量损失，而运动方向改变较小，穿透深度较浅，因而形成作用区的颈部。而穿透到样品中的电子失去了一部分能量，在能量较低时，发生弹性碰撞的几率增加，结果使电子偏离其运动方向而进行横向扩散，从而形成梨形相互作用区的“球径”部分。梨形相互作用区梨形相互作用区5/10/202452SurfaceAnalysisLab.ofSCUT53影响相互作用体积和形状的两个因素：(1)非弹性散射引起的能量损失 (2)弹性散射引起的电子数损失及背散射电子束与样品表面作用体积的大小最终形成一个具有瓶茎形的半球形结构，电子束穿透的深度和作用体积的大小受以下因素的影响：(1)电子束入射角度 (2)束流的大小 (3)加速电压的大小 (4)样品的平均原子序数(Z)其中，加速电压加速电压和样品的平均原子序数平均原子序数（密度）对作用区的大小起非常重要的作用。5/10/202453SurfaceAnalysisLab.ofSCUT54相互作用体积与平均原子序数相互作用体积与平均原子序数(Z)和入射电子束能量和入射电子束能量(Eo)的关系的关系相互作用体积与平均原子序数(Z)和入射电子束能量(Eo)的关系对于低原子序数的样品，电子束容易发生非弹性碰撞，电子能量损失，穿透深度浅，横向扩散的范围也窄，而对于高原子序数的样品，发生弹性碰撞的几率增大，电子束容易在表面形成横向扩散，这样将影响分析的横向分辨率。5/10/202454SurfaceAnalysisLab.ofSCUT55Comparison of electron paths(top)and sites of X-ray excitation(bottom)in targets of aluminum,copper,and gold at 20 keV,simulated in a Monte Carlo procedure(after Heinrich,1981).The excited volume is roughly spherical and truncated by the specimen surface.The depth of the center of the sphere decreases with increasing atomic number of the target.5/10/202455SurfaceAnalysisLab.ofSCUT56相互作用信息相互作用信息当电子束与固体样品相互作用时会产生各种信息，这些信息包括由弹性散射形成的背散射电子和非弹性散射产生的信息。Effects produced by electron bombardment of a material.5/10/202456SurfaceAnalysisLab.ofSCUT57背散射电子（弹性散射电子）背散射电子（弹性散射电子）Backscattered Electrons当电子束与固体相互作用时，其中有一部分当电子束与固体相互作用时，其中有一部分电子发生弹性碰撞，而重新从固体表面出射，电子发生弹性碰撞，而重新从固体表面出射，这部分电子称为背散射电子。这部分电子称为背散射电子。背散射系数（背散射电子数对入射电子数的背散射系数（背散射电子数对入射电子数的比）随原子序数比）随原子序数Z增加而上升，而与电子能增加而上升，而与电子能量关系不大。量关系不大。背散射电子对原子序数非常敏感，背散射电背散射电子对原子序数非常敏感，背散射电子像可以对样品表面元素分布进行分析。子像可以对样品表面元素分布进行分析。5/10/202457SurfaceAnalysisLab.ofSCUT58背散射电子背散射电子背散射电子系数强烈依赖于样品表面的平均原子序数背散射电子系数强烈依赖于样品表面的平均原子序数 Z。忽略电子束入。忽略电子束入射能量射能量E0的影响的影响,可以采用下式对背散射系数可以采用下式对背散射系数nb进行近似的计算进行近似的计算,(Love&Scott,1978):5/10/202458SurfaceAnalysisLab.ofSCUT59其中平均原子序数采用每个元素的重量分数进行计算：其中平均原子序数采用每个元素的重量分数进行计算：对 SiO2,Si和O的重量百分数分别为0.4674和 0.5326:被散射系数=0.142.（SiO2和Na），因此对于平均原子序数相近的样品具有同样相近的背散射系数。About 48%of incident electrons are backscattered by a tungsten target(Z=74),whereas only a