2.2电子束与物质相互作用

入射电子与样品相互作用会发生一系列复杂的物理效应，散射过程（scattering events） 是该相互作用最主要的方式。散射过程将电子束能量传递至样品中，激发样品产生一系列信号。
散射过程分为弹性散射（Elastic Scattering）非弹性散射（Inelastic Scattering）
描述散射过程两个关键参数：
散射截面（scattering cross section）
描述特定散射过程的概率，包含了各种复杂相互作用（库仑力、量子效应等）的等效概率面积
平均自由路径（mean free path）
分为弹性散射电子平均自由路径和非弹性散射平均自由路径。

散射截面与平均自由路径示意图

直观感受下，散射过程发生在空气中，比如手电筒光束穿过有灰尘的空气，光线发生了散射。但在SEM中，核心散射过程发生在电子束与物质相互租用区域内，入射电子与固体物质电子云相互作用，发生一些列复杂散射。

弹性散射（Elastic Scattering）
入射电子只改变方向，其能量没有太大的损失，称为弹性散射。弹性散射轨道以一定的角度偏离入射角度（散射角），该散射过程也被称为卢瑟福散射。
弹性散射电子平均自由路径，描述电子在两次弹性散射事件之间所运动的平均距离，它决定了电子束在材料中的作用体积（Interaction Volume）

电子束能量越高，平均自由路径距离相对越长；原子序数越高，原子核的正电荷越强，对电子的库仑引力越大，电子越容易被散射，因此平均自由路径越短。

非弹性散射过程中的主要机制
（1）价电子的激发
等离子体激元过程，导致金属或半导体自由电子气集体震荡，是金属低能电子损失谱的主要特征源。
（2）内层电子的电离
激发原子内层（比如K/L）电子，原子从基态跃迁到激发态，随后弛豫返回基态，释放特征X射线和俄歇电子。
（3）声子激发
入射电子与晶格振动相互作用，是导致样品加热的主要原因。
（4）韧致辐射/连续辐射
入射电子受原子核库仑力作用会减速制动，动能将转化为电磁辐射释放出去。

电子束与物质交互过程中产生的常见信号
背散射电子（Backscattered Electrons）
返回样品表面的入射电子（入射电子也称为初始电子、一次电子）称为背散射电子，背散射电子大多为弹性散射电子，也有部分是从样品内部逃逸的入射电子，其能量约为入射电子能量的0.7-0.9倍。

二次电子（Secondary electrons）
入射电子与样品原子价电子发生非弹性碰撞，损失的部分能量激发出弱结合的价电子或导带电子，脱离原子束缚的价电子或导带电子称为二次电子。

X射线（X-Rays）
入射电子与原子相互作用时，散射过程中的能量损失将以X射线光量子和热量的形式释放。释放的X射线可以分为连续X射线（continuous X-ray ） 与特征X射线（Characteristic X-Rays）

入射电子受原子核库仑力作用会减速制动，动能将转化为电磁辐射释放出去。这种动能损失的能量是连续能量（非量子化），相应的所产生的X射线也是连续的，这种X射线称为连续X射线，该过程即所谓的韧致辐射或制动辐射（bremsstrahlung or braking radiation），韧致辐射是能谱背底连续谱的主要来源。

当入射电子与原子核内层电子相互作用，入射电子会损失大约几百电子伏特的能量，这些能量将会激发内层电子（损失的能量大于内层电子的结合能binding energy ），使原子发生电离(产生电子空穴core hole)，失掉一个内层或较内层电子变为离子，该过程称为芯电子激发。
此时整个原子处于不稳定的激发态，将会自发地发生弛豫/退激发而变为稳定状态,这一过程分为辐射弛豫和非辐射弛豫。

芯电子激发过程中，原子为了回到稳态，外层电子跃迁填补较内层空穴，如果电子跃迁复位过程中所放出的能量呈光量子形式，则会释放出具有特征能量的X射线，这种X射线称为特征X射线，该效应也称为荧光效应。

俄歇电子（非辐射弛豫）
芯电子激发过程中，释放的特征X射线有可能直接以X射线光电子形式释放，也可能被原子再次吸收，释放出一个外层电子，该电子具有原子特征能量，称为俄歇电子。俄歇效应与荧光效为互为竞争关系。
此外电子束与物质相互作用还会产生透射电子，阴极发光，吸收电子，特征能量损失电子等复杂效应。

优秀产品推荐：泽攸科技台式扫描电镜