2.2 Терминология рассеяния и дифракции

Явление рассеяния электронов может быть разбито на различные группы. Мы уже использовали наиболее важные термины: упругое и неупругое рассеяние. Эти термины, соответственно, описывают рассеяние без потери энергии, и при некоторых измеримых потерях энергии (как правило, малых по сравнению с энергией пучка). В обоих случаях, мы можем рассматривать пучок электронов и атомы образца в виде частиц, и рассеяние падающих электронов на атомах в образце часто может быть приближено по описанию к столкновению бильярдных шаров. Однако, мы также можем разделить рассеянные электроны на когерентные и некогерентные, это разделение уже относится, конечно, к их волновой природе. Эти разделения электронов связаны между собой, так как упруго рассеянные электроны, как правило, когерентны, а не упруго рассеянные электроны, как правило, некогерентны (стоит обратить внимание на модификатор «обычно»). Если представить, что падающие электроны должны быть все когерентными, то есть, они в основном в фазе друг с другом и имеют фиксированную длину волны, регулируемую ускоряющем напряжением. Тогда, когерентно рассеянные электроны являются те, которые остаются в фазе, а бессвязно рассеянные электроны не имеют фазовых соотношений, после взаимодействия с образцом. Характер рассеяния может привести к различным угловым распределениям электронов. Рассеяние может быть как рассеяние вперед, так и обратное рассеяние, в данном случае термины относятся к углу рассеяния по отношению к падающему пучку, а также образцу, который обычно перпендикулярен ему. Если электрон рассеивается на угол менее 90°, то его называют рассеянный вперед, и если рассеивается на угол более 90°, называется обратно рассеянным. Эти различные термины, связанны со следующими общими принципами, приведенными на рисунке 2.2.


  • упругое рассеяние, как правило, когерентно, если образец тонкий и кристаллический

  • упругое рассеяние обычно происходит при относительно малых углах (1 10°), т. е., строго достигает своего максимума в прямом направлении.

  • при более высоких углах (более 10°) упругое рассеяние становится более некогерентным.

  • неупругое рассеяние почти всегда некогерентное и имеет очень малые углы рассеяния (менее 1°).

  • При увеличении толщины образца, меньше количество электронов рассеивается вперед и больше рассеивается обратно. Некогерентные, отраженные электроны остаются от падающего пучка, которые возникают в массивном, непрозрачном образце.

    • Рисунок 2.2. Различные виды рассеяния электронов (А) тонким образцом и (B) массивным образцом: в тонком образце возникают электроны, рассеянные в переднем и обратном направлений, в то время как в массивном образце возникают только обратно рассеянные электроны падающего пучка.

    Замечание, что электроны могут быть рассеяны на разные углы, связано с тем, что электрон также могут быть рассеяны более чем один раз. Вообще, чем больше актов рассеяния, тем больше угол рассеяния (хотя иногда второй акт рассеяния может перенаправить электрон обратно в направлении падающего пучка, и будет казаться, что он не претерпел рассеяния). Самый простой процесс рассеяния - однократное рассеяние, и мы часто будем использовать приближение однократного рассеяния при прохождении электронов через образец в ПЭМ (например, электрон, проходя через образец, испытывает однократный акт рассеяния либо не претерпевает его вообще). Мы увидим, что это очень разумное предположение, если образец очень тонкий (то, что мы можем контролировать). Если электрон рассеивается более чем один раз, мы используем термин множественное рассеяние, и если он рассеивается более 20 раз, мы говорим многократное рассеяние. Как правило, можно предположить, что, если у вас есть достаточно толстый образец (через который, вероятно, ничего не будет видно), многократного рассеяния не будет происходить в ПЭМ. Чем большее число актов рассеяния, тем более трудно предсказать, что произойдет с электроном и труднее интерпретировать изображения, дифракционную картину, и спектры, которые мы получаем. Итак, еще раз, хотелось бы подчеркнуть важность критерия "чем тоньше, тем лучше", то есть, если получить достаточно тонкие образцы, так что предположение однократного рассеяния будет выполняться, то ПЭМ исследования будут более интерпретируемы. Дифракция это особый вид упругого рассеяния и используемая терминология может привести к путанице. Некоторые словари определяют дифракцию как "отклонение в сторону, волны на краю препятствия на своем пути" в то время как рассеяние определяется как «процесс, в котором частицы, атомы и т.д., отклоняются в результате столкновения. "Слово рассеяние может быть также существительным, и обозначать акт рассеяния. Таким образом, термин рассеяние может быть применен к частицам, в то время как дифракция к волнам, однако оба этих термина можно применять к электронам. Необходимо также отметить, что термин дифракции не ограничивается дифракцией Брэгга, которую мы выделяем в ПЭМ, это относится к любым взаимодействия с участием волны. В ПЭМ мы используем электроны, которые проходят через образец, важно отметить, что такие электроны не просто "проходят" в том же смысле что и видимый свет через оконное стекло. Электроны рассеиваются в основном в прямом направлении, т. е. параллельно направлению падающего пучка (и мы уже отметили, путаница между "прямым" и "прошедшим"). Рассеяния, является прямым следствием того, что есть сильное взаимодействие между электронами и материей. Рассеяния вперед включает в себя прямой пучок, большую часть упругого рассеяния, дифракцию, в частности, дифракцию Брэгга, преломление и неупругое рассеяние. Из-за существования рассеяния вперед через наши тонкие образцы, мы можем наблюдать дифракционную картину или изображение на экране, и обнаружить рентгеновский спектр или спектр потерь энергии электронов за пределами ПЭM колонны. Однако нельзя пренебрегать обратным рассеянием; это важный режим визуализации в СЭМ. Когда физики рассматривают теорию взаимодействия электронов с твердым телом, они обычно считают рассеяние электронов на одном, изолированном атоме, а затем переходят к агломерации атомов, сначала в аморфном твердом тела, а затем в кристаллическом твердом теле.