什么是粒子与固体的相互作用?

什么是粒子与固体的相互作用?

[拼音]：lizi yu guti de xianghu zuoyong

[外文]：interaction between particle and solid

具有一定能量的粒子碰撞固体表面或射入固体内部时产生的物理、化学现象和过程。粒子包括电子、原子、原子团、分子、离子、光子、中子等。电子学中的粒子主要是指电子、离子和光子。粒子能量在几百万电子伏以下。

粒子与固体相互作用的研究，可以追溯到1869年发现阴极射线。随着近代物理的发展，特别是60年代末和70年代初以来，由于表面物理、薄膜技术、非晶材料以及微电子技术的发展，粒子与固体间相互作用的研究越来越受到重视。

粒子与固体相互作用的最基本的过程是能量和动量的传递和转换和因此引起的入射粒子本身状态的变化，以及固体成分、结构、状态的变化，或由入射粒子诱导的其他物理、化学变化等。

电子与固体的相互作用

入射电子的散射、反射、吸收和衍射，是电子显微镜和电子衍射仪的物理基础。利用电子轰击下的次级发射(包括俄歇电子发射)现象，人们研制出扫描电镜、俄歇电子能谱仪和电子倍增器。在电子轰击下使固体内部和表面力键断裂及等离子激光的激发可以用电子能量损失谱来分析，而其中晶格振动加剧部分则可用表面声子谱来研究。

在电子轰击下可以产生轫致辐射和特征 X射线辐射，X 射线管和电子探针分析仪即利用这些现象。如果被轰击的固体是发光材料（例如荧光粉），则辐射可见光或不可见射线。黑白和彩色显像管、示波管和其他一些显示器件，就是利用这种现象来显示图像、图形、字符的。电子束轰击所产生的热效应，可以用于热电子发射、电子束退火、电子束焊接、电子束切割和电子束熔炼。

电子轰击可以诱发物理和化学反应，例如可以使表面原子或分子脱附（电子诱导脱附）或使固体表面组分分解或聚合，也可能由此而产生某种元素的表面污染或沉积。电子束轰击可以使近表面层产生反应，例如可以用来使某些薄膜着色或使曝光胶曝光。

借助自旋极化电子束与表面相互作用可以获得更多的信息。

光子与固体的相互作用

各种波长的光束与固体相互作用时，入射光子本身可能被反射、吸收和散射，也可能产生衍射和偏振。这类现象主要用于分析和测量仪器，例如X射线衍射仪和椭圆偏振仪等。光束的热效应可以用于加工(例如激光退火、激光焊接、激光打孔)，还可用于激光武器。

在光子的作用下，固体表面和内部会产生各种激发和驰豫过程，例如产生光电子、 俄歇电子、 光电导等。这些现象已广泛应用于真空电子器件、固态电子器件以及表面分析仪器中，例如像增强管与变像管、光电管与光电倍增管、光电摄像管、红外探测器、紫外光电子能谱仪、X射线光电子能谱仪等。

光子可能诱导固体表面的吸附物脱附或分解，导致吸附或强化气相沉积，或使表面和内部产生光合成以及其他化学反应。这些现象可用于微电子技术中的光刻和X射线光刻等。

离子与固体的相互作用

离子与固体相互作用的现象和过程比较复杂。入射离子可能产生背散射或与表面原子作用而散射（低能离子散射谱），也可能进入固体内部而形成离子注入。

在离子束轰击下，能够从表面溅射出大量的原子、分子、原子团和各种正、负离子。溅射现象可用于刻蚀、薄膜减厚和薄膜的溅射沉积等。溅射出来的次级正、负离子的发射过程包含着电离、激发、中和、结合等一系列物理化学过程。因此，入射离子的化学性质是控制次级离子发射的重要因素。次级离子发射用于动态和静态次级离子质谱仪，后者破坏性极小。

利用离子激发次级电子和 X射线的现象的分析仪器有离子激发俄歇谱仪、离子激发 X射线分析仪以及离子中和谱仪。

离子轰击固体时，往往对固体表面和邻近表面层的成分和结构产生改性作用，例如择优溅射、嵌埋效应、诱导扩散和反应、离子注入等，都会改变近表面层的成分和组态，而级联碰撞则会改变表面形貌和晶格取向，甚至导致无序化；也会在较深层造成大量晶格缺陷。因此应注意控制入射离子束流的能量和密度，以减小它的影响（见真空表面分析技术、真空镀膜、离子表面处理、电子束加工、电子束与离子束微细加工、电子显微镜）。