第一节电子与固体的相互作用 第七章分析电镜技术 1、电子的散射 第一节电子与固体的相互作用 2、背散射电子 第二节X射线的测量谱 3、非弹性散射产生的信号 第三节电子能量损失谱 1、电子的胶射 八入射电于到 碰撞戒面：Q=NWnn(cm) 平均白由程：=A/NoPa cm) -d- 领眼电于(Z<10) M:单位体积的散射事件数目： A:原子量： 二次地子(Z<100 t:单位体积中的祝位数目： No:阿伏加德罗常数： :单位面积中的入射粒子数. p:密度 弹性敏射：电子的运动方向发生改变，但速度不变，动能不变。 Q越大，入越小，越容号发生弹性碰撞.-小.I.Goldstein Kal射 非弹性散射：电子的动能减少，能量在入射电子与把之问有传递。 幸弹性散射是进行电子分析的基础。 -电子微射广度：一 9餐 X线发射广度 - Auger electrons (AES) Bockscottered electrons SEM Secondory electrons Cathodoluminescence (low energy) X-rays EDXS) Tronsmitted electrons (TEM and STEM) Brogg diffrocted electrons (TEM and STEM) Energy loss electrons (EELS)
第七章 分析电镜技术 第一节 电子与固体的相互作用 第二节 X射线的测量谱 第三节 电子能量损失谱 第一节 电子与固体的相互作用 1、电子的散射 2、背散射电子 3、非弹性散射产生的信号 1、电子的散射 碰撞截面： Q=N/ntni （cm2） N：单位体积的散射事件数目； nt：单位体积中的靶位数目； ni：单位面积中的入射粒子数。 平均自由程： λ=A/N0ρQ cm） A：原子量； N0：阿伏加德罗常数； ρ：密度 弹性散射：电子的运动方向发生改变，但速度不变，动能不变。 Q越大，λ越小，越容易发生弹性碰撞。-J. I. Goldstein 非弹性散射：电子的动能减少，能量在入射电子与靶之间有传递。 非弹性散射是进行电子分析的基础
入、背散射电子 3、非弹性散射产生的信号 全能济经气子5锅给合的好香电子匠作用面产 背散射电子来源于弹性散射，与二次电子 (2)X射线：连续X射线和特征X射线. 一起构成了扫描电镜成像的物质基础。 (3)俄做电子.来源于附线以及入射电子. (4)荧光辐射。来源于X射线. (5)阴极荧光：有些材料被高能电子轰击时，在紫外和可见区发射 长波长光子，这种现象称为阴极荧光。 第二节X射线的测量谱 一、X射线测量谱的种类 1、X射线测量谱的种类 Sa啡他 (1)、波长分散谱(WDS) (2)、能量分散谱(EDS) 射的定可知元的量 Backscaltered (3)、WDS与EDS的比较 Bectrea De能tw 2、应用 (1)、波长分散谱仪 用来 测定特征X射线波长。 he-g咖eoS0e (2)、能量分散谱仪 (EDS),简称能谐仪，用来 ory-sre 测定X射线特征能量。 (1)、波长分散谱(WD8) WDS的组成：波谱仪主要由分光品体和X射线检测系统组成。 WDS原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过 平整弱体对X射线的布格而射 一定品面间距的品体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射 角。通过连续地改变0，就可以在与X射线入射方向呈2的位置上 测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质 为了提高接收以射线蛋度，分光品 体通常使用弯白晶体。 所含有的元素。 x) Moseley公式 弯曲晶体语仪的一种聚焦方式
2、背散射电子 背散射电子来源于弹性散射，与二次电子 一起构成了扫描电镜成像的物质基础。 3、非弹性散射产生的信号 （1）二次电子：由高能入射电子与弱结合的导带电子相互作用而产 生，能量转移在几个电子伏特。 （2）X射线：连续X射线和特征X射线。 （3）俄歇电子。来源于X射线以及入射电子。 （4）荧光辐射。来源于X射线。 （5）阴极荧光：有些材料被高能电子轰击时，在紫外和可见区发射 长波长光子，这种现象称为阴极荧光。 第二节 X射线的测量谱 1、X射线测量谱的种类 （1）、波长分散谱（WDS） （2）、能量分散谱（EDS） （3）、WDS与EDS的比较 2、应用 一、X射线测量谱的种类 （1）、波长分散谱仪 （WDS），简称波谱仪，用来 测定特征X射线波长。 （2）、能量分散谱仪 （EDS），简称能谱仪，用来 测定X射线特征能量。 电子探针（Electron Probe Microanalysis-EPMA）技术，主要 功能是进行微区成分分析。 其原理是：用细聚焦电子束入射样 品表面，激发出样品元素的特征X 射线，分析特征X射线的波长（或 能量）可知元素种类；分析特征X 射线的强度可知元素的含量。 （1）、波长分散谱（WDS） WDS的组成：波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。 WDS原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征X射线，经过 一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射 角。通过连续地改变θ，就可以在与X射线入射方向呈2 θ的位置上 测到不同波长的特征X射线信号。根据莫塞莱定律可确定被测物质 所含有的元素。 √ 1 λ =K（Z-σ） Moseley 公式 为了提高接收X射线强度，分光晶 体通常使用弯曲晶体
(2)、能量分散谱(EDS) 金电园 为了使硅中的狸稳定和碎低FE的热聚声，平时和测量时都必须用 液氯冷却EDS深测器。 EDS系统 保护探测器的探测馏口有两类， 组成： 被窗口型(beryllium window type） X射线探 这种探测器使用起来比较容易，但是，由于皱薄膜对 测器与显 低能X射线的吸收，所以，不能分析比N?=11轻的 元素。 示系統 超薄窗口型(UTW type:ultra thin window type) 它吸收X射线少，可以测量C辽=)以上的比较轻 的元素。 Q=N-e EDS的工作原理： (3)WDS与EDS的比较 Q:电子产生的电荷量； e:电子电量 N:激发的理想电子.空 -U 穴对数 (eV for Mo-ke (Mo-ka Metal N=E/s Diamond /Si E:入射X光子的能量 p品 Metal :电子-空穴对形成能 N:激发的理想电子空穴对数 hc E=W= λ 1、化学成分分折 二、能谱的应用 EDS谱线收集完毕后定量计算的结果，给 出了重量和原子百分比。 1、化学成分分析 在 镜中 2、元素的线分析 EDS谱线 实时收集的结 3、元素的面分布 果，纵坐标是 分析 X射线光子的 的 计数率CPS 城（点 横坐标是元萧 或而) 的能量值 (KeV)。 EDS应用实例一 一成分分析
（2）、能量分散谱（EDS） EDS系统 组成： X射线探 测器与显 示系统 为了使硅中的锂稳定和降低FET的热噪声，平时和测量时都必须用 液氮冷却EDS探测器。 保护探测器的探测窗口有两类: 铍窗口型（beryllium window type） 这种探测器使用起来比较容易，但是，由于铍薄膜对 低能X射线的吸收，所以，不能分析比Na(Z＝11)轻的 元素。 超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type ） 它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较轻 的元素。 EDS的工作原理： /Si N=E/ε E：入射X光子的能量 ε：电子-空穴对形成能 N：激发的理想电子-空穴对数 Q=N·e Q：电子产生的电荷量； e：电子电量 N：激发的理想电子-空 穴对数 λ ε ν hc E = h = （3） WDS与EDS的比较 二、能谱的应用 1、化学成分分析 2、元素的线分析 3、元素的面分布 EDS应用实例一——成分分析 EDS谱线收集完毕后定量计算的结果，给 出了重量和原子百分比。 EDS谱线 实时收集的结 果，纵坐标是 X射线光子的 计数率CPS， 横坐标是元素 的能量值 （KeV）。 在电 镜中 看到 的形 貌及 需要 分析 的区 域(点 或面)。 1、化学成分分析
2、元素的线分析 3、元素的面分析 图中区域 1是在电 图中的白线是电子 镜中看到 的形貌。 区域2、3、 (线的 4是EDS 信号收集 的右边白色 完毕后给 从元 出的不同 色品外上的 相主要含CU E、Mg和Z元素， EDS应用实例之二一元素的线分析。 电子曲量损失端收 第三节电子能量损失谱 电子能量损失培（ELS):入射电子束与试相西作用。由于非弹性射 1、电子能量损失谱仪 亭天不保 其中具有特征能量损失的通射电子的格号是E丑S进行微区分析的基础， 2、电子能量损失谱 EELS与EDS的比： 3、电子过滤成像和衍射 (1)E日S是测量透射电子，是初次蠹发过程：EDX是二次激发。EELS的 可度大于EDS。可以元有含量DS低. 2)E日LS是电子与试样进行大意的父互作用，息大：而正DS只是内 壳层电子激发，售息少。 EELS和EDS的比较 Comparison of the signal generating and collection process for EDS and EELS EELS E03 1.Signal generation 散射的一次过程 散射的二次过程 EDS-secondary event 散射方向主要为入射束前进 散射方向不是入射束前进方向 High energy incident electros sxcitation of atoms 方向 characteristic X-可y摩 效率低 or Auger elect女ros 效率高 适于分析置元素 EELS-primary event 适于分析轻元豪 提供空态态密度、氧化态、 局域的相邻原子成分和距 X-Ray generatio:forcarbo:1inevery400 k-shellon for Na,1 in 40 高、能带结构信息 Collection eficiency:WDS:103-10+EDS:~102 Gold layer (20am):only allow 67%be transmitted 峡点：峰形复杂、本底变化 The Dead layer belew the gold layer:3%of the67%be EEL象ve灯yihI 75%of the energy loss electrons with a collection angle of 10 mrad 100%when collection angle is 30 mrad
图中的白线是电子 束扫过的分析区 域，它通过了晶内 及块状相（线的正 中间白色）、晶界 （线的右边白色）。 从元素的分析结果 可以看出：正中间 白色块状相主要含 Cu、Ni、Er元素， 右边白色晶界上的 相主要含Cu、Ni、 Er、Mg和Zr元素。 EDS应用实例之二——元素的线分析。 2、元素的线分析 3、元素的面分析 图中区域 1是在电 镜中看到 的形貌。 区域2、3、 4是EDS 信号收集 完毕后给 出的不同 元素的定 性结果。 说明图中 区域1中 间的白点 和右下边 白色三角 区域都有 元素的偏 聚。 第三节 电子能量损失谱 1、电子能量损失谱仪 2、电子能量损失谱 3、电子过滤成像和衍射 一、电子能量损失谱仪 电子能量损失谱（EELS）：入射电子束与试样相互作用，由于非弹性散射 而损失能量，其中一部分电子所损失的部分能量值是样品中某个元素的特征 值。通过采集透射电子信号强度，并按其损失能量大小展示出来，这就是电 子能量损失谱（electron energy loss spectroscopy ）。 其中具有特征能量损失的透射电子的信号是EELS进行微区分析的基础。 EELS与EDS的比较： （1）EELS是测量透射电子，是初次激发过程；EDX是二次激发。EELS的 信号强度大于EDS，可以测得元素含量比EDS低。 （2）EELS是电子与试样进行大范围的交互作用，信息大；而EDS只是内 壳层电子激发，信息少。 EELS 和 EDS的比较 EELS 散射的一次过程 散射方向主要为入射束前进 方向 效率高 适于分析轻元素 提供空态态密度、氧化态、 局域的相邻原子成分和距 离、能带结构信息 缺点：峰形复杂、本底变化 EDS 散射的二次过程 散射方向不是入射束前进方向 效率低 适于分析重元素 Comparison of the signal generating Comparison of the signal generating Comparison of the signal generating Comparison of the signal generating and collection process for EDS and EELS and collection process for EDS and EELS and collection process for EDS and EELS and collection process for EDS and EELS 1. Signal generation 1. Signal generation 1. Signal generation 1. Signal generation EDS - secondary event EDS - secondary event EDS - secondary event EDS - secondary event High energy incident electrons excitation of atoms High energy incident electrons excitation of atoms High energy incident electrons excitation of atoms High energy incident electrons excitation of atoms characteristic X-rays characteristic X-rays characteristic X-rays characteristic X-rays or Auger electrons or Auger electrons or Auger electrons or Auger electrons EELS - primary event EELS - primary event EELS - primary event EELS - primary event 2. Collection efficiency 2. Collection efficiency 2. Collection efficiency 2. Collection efficiency EDS - very low !! EDS - very low !! EDS - very low !! EDS - very low !! X-Ray generation: for carbon: 1 in every 400 k-shell ionization X-Ray generation: for carbon: 1 in every 400 k-shell ionization X-Ray generation: for carbon: 1 in every 400 k-shell ionization X-Ray generation: for carbon: 1 in every 400 k-shell ionization for Na, 1 in 40 for Na, 1 in 40 for Na, 1 in 40 for Na, 1 in 40 Collection efficiency: WDS: 10 Collection efficiency: WDS: 10 Collection efficiency: WDS: 10 Collection efficiency: WDS: 10 -3 - 10-4 EDS: EDS: EDS: EDS: ～10-2 Gold layer (20nm): only allow 67% be transmitted ! Gold layer (20nm): only allow 67% be transmitted ! Gold layer (20nm): only allow 67% be transmitted ! Gold layer (20nm): only allow 67% be transmitted ! The Dead layer below the gold layer: 37% of the 67% be transmitted! The Dead layer below the gold layer: 37% of the 67% be transmitted! The Dead layer below the gold layer: 37% of the 67% be transmitted! The Dead layer below the gold layer: 37% of the 67% be transmitted! EELS: very high!! EELS: very high!! EELS: very high!! EELS: very high!! 75% of the energy loss electrons with a collection angle of 10 75% of the energy loss electrons with a collection angle of 10 75% of the energy loss electrons with a collection angle of 10 75% of the energy loss electrons with a collection angle of 10 mrad 100% when collection angle is 30 100% when collection angle is 30 100% when collection angle is 30 100% when collection angle is 30 mrad
EELS仪分两种：1、磁棱镜谱仪（也称为后（外）置式)：2、内置Ω过滤器。 electron beam dode array (coo As in light optics the resultant polychromatic illumination can be broken down based on the 后（外）置式GATAN-PEELS系统 +在TEM系统下面， wavelength,which in tern,is determined by the energy of the beam. 谱仪的一些重要参数一色散度 dispersion:ddE色散度 贮色散面上的空间坐标 E电子能量 色散度随(1)入射电子的能量变化而变化 (2)磁棱镜的磁场变化而变化 对PEEL8, dxdE1.5 um/eV 内置2过滤器 谱仪的一些重要参数一能量分辨率 谱仪的一些重要参数一谱仪接收角B energy resolution△E:能量分辨率 primary beam △E与电子源种类有关 (AWM>△LaB周>△FEG) B =d/2h 冷场发射枪的能量分辨率可达0.3eV 随损失能量增加，能量分辨率变差 △石损失雌的半高宽
EELS仪分两种：1、磁棱镜谱仪（也称为后（外）置式）；2、内置Ω过滤器。 后（外）置式 GATAN – PEELS 系统 *在TEM系统下面。 As in light optics the resultant polychromatic illumination can be broken down based on the wavelength, which in tern, is determined by the energy of the beam. 内置Ω过滤器 dispersion: dispersion: dispersion: dispersion: dx/dE 色散度 x: 色散面上的空间坐标 E: 电子能量 色散度随 （1）入射电子的能量变化而变化 （2）磁棱镜的磁场变化而变化 对PEELS, PEELS, PEELS, PEELS, dx/dE ≈ 1.5 μm/eV 谱仪的一些重要参数－色散度 谱仪的一些重要参数－能量分辨率 energy resolution energy resolution energy resolution energy resolution ΔE：能量分辨率 ΔE 与电子源种类有关 (ΔE[W] > ΔE[LaB6] > [LaB6] > [LaB6] > [LaB6] > ΔE[FEG]) 冷场发射枪的能量分辨率可达0.3eV 随损失能量增加，能量分辨率变差 ΔE：零损失峰的半高宽 谱仪的一些重要参数－谱仪接收角β β = d/2h