A05电子束与物质互作用XRF.ppt

材料显微结构分析方法清华大学研究生课程IV. 电子束与物质的互作用 一. 物质对入射电子的散射 1.电子束来源及主要参数 电子枪 ： ①阴极（灯丝） W丝 LaB6, 发射电子 ②聚焦罩 -102~-103伏 控制电子束质量 聚焦③阳极：正高压 加速e灯丝聚焦罩 阳极电子参数： 束斑直径D： 50 Å ～1μm 电流： 10－12～10－6A 球面发散度：Sr=束斑面积/距离2≈0.5(10-2 rad)2. 两种类型的散射及产物 ①弹性散射 改变轨道，能量不变 ②非弹性散射 改变轨道，能量改变 非弹性散射产物形貌二次电子俄歇电子连续与特征X线长波辐射 （红外,可见,紫外）等离子激光(plasma)电子－空穴对 晶格振动（声子）内电磁场电子结构晶体结构成份分析XRD XRF不同深度成份分析 (Anger谱仪)形貌(SEM)可能获得信息3. 散射截面Q（或σ） 表征物质对电子的散射能力 nt:单位体积内物质的粒子数 Q＝N/ntni cm2 ni:单位面积内的入射电子数 N:单位体积内电子发生散射的次数 Q：相当于发生散射的几率，即相当于一个 给定的互作用的有效原子截面。

nt =ρNo/A 设在dx=λ自由程内， 则 Q=(1/λ)/(ρNo/A) 平均一个电子只发生一次散射 或 λ＝A/(NoρQ) ni=1 N=1/λ 1/λ=1/λa + 1/λb + 1/λc + … cm-1 平均自由程 :Q＝N/ntni cm2 二. 弹性散射截面 散射角超过 0 事件的几率Z:原子系数 QZ2 E:电子能量 (Kev) Q1/E2 E相同时 QPb> QFe> Qc Z相同时 Q10Kv> Q20Kv> Q30Kv 三. 非弹性散射能量损失 固体中单位距离内非弹性散射引起的能量 损失，Bethe方程: 式中，A：是原子量一切可能的能量损失 过程中平均每次互作用的能量损失 Em：路程中平均电子能 （Kev） J：平均电离能: 引入阻碍本领概念S ：由于：可见：四. 散射的作用体积 弹、非弹散射过程迫使 原来的入射电子不断改变方 向即降低能量，运动轨迹是 具有一定区域的弥散颁布的 统计状态 互作用不足以产生二次 辐射反应(如特征X－Ray) 这样一个区域称为散射的作 用体积作用体积影响因素： ① ② ③ #作用体积形态：梨形反之：五. 背散射电子 被、从试样中散射出的电子 nBS:1. 背散射系数: nB :背散射电子总数背散射电流iBS:入射电子总数入射电流iB:通常当试样有+50V偏压时：2.  的影响因素：数目对Z敏感，(1) 原子序数 对多元素试样：即表明 (2)入射电子能量 η受影响不大 →可多次反射→更多机会被散射（从试样中逸出） →穿透深度深→不易被散射（从试样中逸出） 在SEM中作为元素相分析的一种依据 。

(3) 倾倾斜角θ θ:试样试样 法线线和入射e方向的夹夹角 （对纯对纯 元素） 变变成不对对称 (4) 角分布 则： 实际试样表面起伏，即 变，探测器在表面固定处 测量，就可以获得与表面 起伏相应的信号起伏（ SEM图象原理） θθ=0时，与背散射电电子数的函数关系 (1) 能量分布 因为非弹散引起的能量 损失(典型值10ev/10nm)，即分布情况不一样同一Eo,同一Take-off角： Z小(轻)，分布宽； Z大(重)，分布窄，更趋于W=1 同一Eo,不同Take-off角，各逸出路径不同，所 以存在一个能量分布 由入射电电子激发试样发试样 原子发发射出的派生电电子 小于50ev的背散射电电子六. 二次电电子 1.二次电电子发发射系数及逸出深度 a.直接由原入射eB引起 来源：(1)发发射系数δ：b.间接由背散射引起(2)逸出深度 特点： ESE小，易被吸收 逸出深度浅，只有表层层可检测检测 所以SEM二次电子像有高分辨率出射几率： Z: 深度 (1)原子系数Z 对对Z的灵敏程度远远不如 所以在SEM中观观察SEF时时，不应应单纯追求高Kev 2.影响二次电电子的因素 (2)入射电电子能量 (3)试样倾试样倾 角θ 所以，同一take-off接受eSE，可反 映试样起伏. (4)角分布 材料显微结构分析X光化学分析 一. 分析理论基础及方法 理论论基础础： 莫塞莱定率 h: plank常数 K: 与马马德堡常数有关 σ：屏蔽常数L系 常用K系 XRF 激发发源:一次X-Ray e束 EPMA 不必导电导电 ，液体可 试样试样： 微区 导电或镀膜 Be4-U92 相对较对较 低，几百 ppm；绝对较绝对较 高， 10－13－10－14g 少量到百分之百 可，必须须校正 照射区域： 检测检测 范围围：含量限制： 灵敏度： 定量分析： 展谱谱方式： 大面积积 F9－U92 (C6) 相对较对较 高,几-几十 ppm；绝对较绝对较 低。

微量到百分之百 WDS或EDS 分光(展谱)原理因试样试样 中所有元素的特征X线线同时时被激出 ！1.WDS：Wave Dispersive Spectroscopy利用波动性 逐一展谱2.EDS：Energy Dispersive pectroscopy利用粒子性h 同时时展谱谱两种展谱方式 二.WDS分光 原理：利用Bragg方程 但几何布置有区别 EPMA与XRF的WDS分光 原理相同， 试样e束 分光晶体准直光栏探测器G例：常用分光晶体LiF 时，接收到强信号 则：为 CoK1.7901 当分光晶体： 由Bragg方程∴对一定的晶体的(hkl), λ有确定范围 如：LiF 就不适用 λ↑ 晶体d↑， 必须配备多个分光晶体 ∴对分光晶体选择原则： (2) 同一元素精细结构： 高分辨率(1) 特征谱线波长相近的元素： ADP(NH4H2PO4) (200) 7.50ÅSiO2 (101) 6.86Å分光晶体：d↓，θ↑，则 对标准晶体:d不变 分辨率越高 大角(接近90º), ∴小面间距晶体, ∴∵**聚焦条件： 线条不宽化，避免重叠 XRF的聚焦方式： 弯曲晶体置于聚焦 圆上以ω绕圆心转 探测器置于聚焦 圆上以2ω绕圆心转 ,并自转。

符合 探测器G弯曲晶体D EPMA聚焦方式： 弯曲晶体以v直线运动探测器四叶玫瑰园 轨迹运动 符合 以上聚焦方式可分辨如： e束 探测器G弯曲晶体 直进V l *遇下述情况，解决方案： ① 很小时 改为探测 ：AsK 或 L Pb L②不同级别级别 衍射线线重叠 ②不同级别级别 衍射线线重叠 可采取在探测测器线线路中加上PHA 装置来区别别解决办办法: PHA: pulse height analysiser 一定能量的光子在PHA中产生电离形成一 电压脉冲，这种脉冲高度与hυ成正比 晶体分光优点： 分辨率高 1. 分光系统复杂 晶体分光缺点： 2. 元素逐一检测 3. 总的灵敏度不高：XRD效率低； 进到计数器就更低；立体角小 三.EDS X光子作用下， 原子电离产生电子－空穴 对.在反向电压下，电子空 穴对载流子运动,使负载电 阻上产生压降,输出脉冲信号→放大器 锂漂移硅检测器： 原理： Si(Li)或Ge(Li) PN中 间 层_+前 置 放 大 器平均3.8ev可产产生一个电电子－空穴对对 →所以不同Z激发检测发检测 器的X光子能量及总总 强度不同，可作元素成份分析及定量。

检测检测 器→等量放大器及主放大器 →多道 分析器→存储储→显显示（屏幕、打印） X光子h个数(强度)→每秒产产生脉冲的次数 →通过过某道的该该数量的X射线线强度→定量 X光子能量h→一个光子引起的脉冲幅度高 度→占多道分析器某道→定性 020Kev, 10ev/每道，2048道EDS优优点： 探测器可与试样离得很近，效率 很高，同时展谱 分辨率较低，目前商品为150ev EDS缺点： 四. X光荧荧光定量分析(2) 基体增强效应应： 被检检元素特征X射线线被 基体中其它元素所吸收； (1) 基体吸收效应应：不成线线性关系，原因为为基体效应应待测基体某元素 基体效应应例不成线线性关系 吸收限波长质 量 吸 收 系 数 FeK:1.9373, K吸收:1.7433 MoK:0.7107 NiK:1.6592 若测Ni？(1) 基本参数法：理论计论计 算，由数学模型 及计计算机编编程 定量分析： (2) 经验经验 系数法：用经验经验 方法来确定一种 元素对对另一种元素的基体效应应 *应应用举举例 混合物中i元素的 混合物中第 i 元素的相对荧对荧 光强 度 纯纯i相的 n种元素试样 令： ：混合物中第i 元素重量百分比 ：纯纯i元素重量百分比 K 应应是基体各元素 j对对 i元素影响的总总效果。

那么有： 代表j 元素(包括 i)对对i元素的基体效应应的影响因子 Qij：令：∴∵有n种元素，显显然有即把激发发源的多色谱线谱线 看成某种 有效波长长的增强效应削弱的低吸收效 应的近似处处理 关键求 个试样试样 有A,B,C三元素， (1) 配三个wt%已知的标标准试样试样 应应用举举例： 找出纯纯A,B,C三标样标样 求第 i 元素的Ri 实验实验 条件完全一致 (2) XRF测测三试样试样 及纯纯A,B,C三标样标样 ， 求出各： 同理求： (3) 求各元素j 对对i 元素的影响因 子 对对待测试样测试样 及各纯纯A,B,C作XRF， 求出各 (4) 实测实测 ： 应用已求得的 由 和 解 作业：习题二十一习题二十四习题二十三实验、上课安排：1. 实验： PMN-PT-PZ铁电陶瓷的织构 的取向分布函数测定第八周 十一月十日周五2. 上课：第九周 十一月十七日周五实 验：PMN-PT-PZ铁电陶瓷的织构的取向分布函数测定不同配方、不同烧结工艺、不同极化电压一. 求极化后PMN-PT-PZ陶瓷的织构的三. 作极化后PMN-PT-PZ陶瓷的织构的反极图 .二. 求所作试样PMN-PT-PZ陶瓷的实际晶格常数 .四. 为什么试样的XRD花样特征与JCPDS卡81- 0861的PMN数据存在差异?。