材料分析檢測(cè)技術(shù)

1、第二篇 電 子 顯 微 分 析 電子顯微分析是基于電子束（波）與材料的相互作用而建立的各種材料現(xiàn)代分析方法。電子顯微分析方法以材料微觀形貌、結(jié)構(gòu)與成分分析為基本目的。從分析原理（技術(shù)基礎(chǔ)）來(lái)看，各種電子顯微分析方法中的一些方法也可歸于光譜分析（如電子探針）、能譜分析（如電子激發(fā)俄歇能譜）和衍射分析（如電子衍射）等方法范疇。電子顯微分析主要介紹透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析及電子探針?lè)治鲞@些基本的、得到廣泛應(yīng)用的分析方法。第七章 透射電子顯微分析 電子光學(xué)基礎(chǔ)1.電子波有何特征？與可見(jiàn)光有何異同？答：電子波具有粒子性和波動(dòng)性波粒二象性，電子顯微鏡中常用的加速電壓為100200kv，電子波長(zhǎng)為

2、0.003700.00251nm，大約是可見(jiàn)光（390760nm）的十萬(wàn)分之一。3.電磁透鏡的像差是怎樣產(chǎn)生的，如何來(lái)消除和減少像差？答：<1>像差分為兩類：幾何像差和色差。幾何像差是因?yàn)橥哥R磁場(chǎng)幾何形狀上的缺陷而造成的。幾何主要指球差和像散。色差是由于電子波的波長(zhǎng)或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。<2>第一，采取穩(wěn)定加速電壓的方法可有效地減小色差。第二，單一能量或波長(zhǎng)的電子束照射樣品物質(zhì)時(shí)，將與樣品原子的核外電子發(fā)生非彈性散射。一般來(lái)說(shuō)，樣品越厚，電子能量損失或波長(zhǎng)變化幅度越大，色差散焦斑越大，透鏡像分辯率越差。所以應(yīng)盡可能減小樣品厚度，以利于提高透鏡像的分辯率。 （

3、球差：球差即球面像差，是由電磁透鏡磁場(chǎng)中，近軸區(qū)域?qū)﹄娮邮恼凵淠芰εc遠(yuǎn)軸區(qū)域不同而產(chǎn)生的。球差除了影響分辨本領(lǐng)外，還會(huì)引起圖像畸變。像散：是由透鏡磁場(chǎng)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱引起的一種像差。像散散焦斑與焦距差fA成正比，透鏡磁場(chǎng)非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性越明顯，焦距差越大，散焦斑越大，透鏡的分辨率越差。像散可以用機(jī)械、靜電或電磁式消像散器適當(dāng)?shù)丶右匝a(bǔ)償矯正。）4.說(shuō)明影響光學(xué)顯微鏡和電磁透鏡分辨率的關(guān)鍵因素是什么？如何提高電磁透鏡的分辨率？答：1.影響光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)主要取決于照明波長(zhǎng)和光差介質(zhì)，因此式r0= 0.61/nsin故若要提高光學(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)，關(guān)鍵是要有短波長(zhǎng)的照明源。2電磁透鏡的分辨本領(lǐng)取決于透鏡的

4、衍射效應(yīng)和像差所產(chǎn)生埃利斑和散焦斑尺寸的大?。ㄍ干潆娮语@微鏡中用磁場(chǎng)來(lái)使電子波聚焦成像的裝置是電磁透鏡。） （限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素是球差rs 。因?yàn)殡姶磐哥R總是會(huì)聚的透鏡，至今還沒(méi)找到一種矯正球差行之有效的方法。而從球差最小散焦斑半徑 r 公式 rs = 1/4Cs³來(lái)看，球差最小散焦斑半徑與球差系數(shù)Cs成正比，與孔徑半角³成正比。）<1>當(dāng)照明電子束波長(zhǎng)一定時(shí)，透鏡孔徑半角越大，衍射效應(yīng)埃利斑半徑越小，透鏡分辨本領(lǐng)越高。<2>減小透鏡孔徑半角，可以顯著地減小散焦斑半徑，因此，也就顯著地提高透鏡的分辨本領(lǐng)。衍射效應(yīng)與球差對(duì)分辨本領(lǐng)的影響是相

5、互矛盾的，因此兩者必須兼顧。關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角0<3>盡可能減小樣品厚度，減少像差也有利于提高透鏡像的分辯率。第 9章電子衍射1. 分析電子衍射與x射線衍射有何異同?答：電子衍射原理與X射線衍射相似，是以滿足或基本滿足布拉格方程為產(chǎn)生衍射的必要條件。但因其電子波有其本身的特殊性，與X射線衍射相比具有下列特點(diǎn)：1) 電子波的波長(zhǎng)比X射線短得多 2) 電子波長(zhǎng)短，用Ewald圖解時(shí)，反射球半徑很大，在衍射角很小時(shí)的范圍內(nèi)，反射球的球面可近似為平面。從而可認(rèn)為電子衍射產(chǎn)生斑點(diǎn)大致分布在一個(gè)二維倒易截面內(nèi)，結(jié)果晶體產(chǎn)生的衍射花樣能比較直觀地反映晶體內(nèi)各晶面的位向。3) 電子衍

6、射用薄晶體樣品，其倒易點(diǎn)沿樣品厚度方向擴(kuò)展為倒易桿，增加了倒易點(diǎn)和Ewald球相交截面機(jī)會(huì)，結(jié)果使略偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射。4) 電子衍射束的強(qiáng)度較大，拍攝衍射花樣時(shí)間短。因?yàn)樵訉?duì)電子的散射能力遠(yuǎn)大于對(duì)X射線的散射能力。2. 倒易點(diǎn)陣與正點(diǎn)陣之間關(guān)系如何?倒易點(diǎn)陣與晶體的電子衍射斑點(diǎn)之間有何對(duì)應(yīng)關(guān)系?答：長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)與其電子衍射斑點(diǎn)之間可以通過(guò)另外一個(gè)假想的點(diǎn)陣很好地聯(lián)系起來(lái)，這就是倒易點(diǎn)陣。通過(guò)倒易點(diǎn)陣可以把晶體的電子衍射斑點(diǎn)直接解釋成晶體相應(yīng)晶面的衍射結(jié)果。倒易點(diǎn)陣是一種晶體學(xué)表示方法，是厄互爾德于1912年創(chuàng)立的，它是在量綱為L(zhǎng)-1的倒空間內(nèi)的另外一個(gè)點(diǎn)陣，

7、與正空間內(nèi)的某特定的點(diǎn)陣相對(duì)應(yīng)。 3. 用愛(ài)瓦爾德圖解法證明布拉格定律。答：4. 畫出fcc和bcc晶體的倒易點(diǎn)陣，并標(biāo)出基本矢量a*, b*, c*。答：5.何為零層倒易截面和晶帶定理?說(shuō)明同一晶帶中各晶面及其倒易矢量與晶帶軸之間的關(guān)系。9. 說(shuō)明多晶、單晶及非晶衍射花樣的特征及形成原理。答：10. 請(qǐng)導(dǎo)出電子衍射的基本公式，解釋其物理意義，并闡述倒易點(diǎn)陣與電子衍射圖的關(guān)系及其原因。比較與X射線衍射的異同點(diǎn)。答：11. 單晶電子衍射花樣的標(biāo)定有哪幾種方法？第8章透射電子顯微鏡1.透射電鏡主要由哪幾大系統(tǒng)構(gòu)成？各系統(tǒng)之間關(guān)系如何？答：四大系統(tǒng)：電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、觀察記錄系統(tǒng)）真

8、空系統(tǒng)，供電控制系統(tǒng)，附加儀器系統(tǒng)（EDS、WDS、EELS）2.照明系統(tǒng)的作用是什么？它應(yīng)滿足什么要求？作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度高、束斑小、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足明場(chǎng)和暗場(chǎng)成像需要，照明束可在20-30范圍內(nèi)傾斜。3.成像系統(tǒng)的主要構(gòu)成及其特點(diǎn)是什么？答：由物鏡、物鏡光欄、選區(qū)光欄、中間鏡（1、2）和投影鏡組成1) 物鏡：用來(lái)獲得第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。電鏡的分辨率主要取決于物鏡，必須盡可能降低像差。物鏡通常為強(qiáng)勵(lì)磁、短焦透鏡（f = 1-3mm）,放大倍數(shù)100300倍，目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達(dá)0.1nm。 2) 物鏡光欄：裝在物鏡背焦面，

9、直徑20120um，無(wú)磁金屬制成（Pt、Mo等)作用是提高像襯度減小孔徑角，從而減小像差進(jìn)行暗場(chǎng)成像3) 選區(qū)光欄：裝在物鏡像平面上，直徑20-400um，對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)衍射分析4) 中間鏡是一個(gè)弱勵(lì)磁、長(zhǎng)焦距、變倍率透鏡，放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)020倍，作用是控制電鏡總放大倍數(shù)，成像/衍射模式選擇5) 投影鏡：短焦、強(qiáng)磁透鏡，進(jìn)一步放大中間鏡的像。投影鏡內(nèi)孔徑較小，使電子束進(jìn)入投影鏡孔徑角很小。目前，一般電鏡裝有附加投影鏡，用以自動(dòng)校正磁轉(zhuǎn)角。4. 分別說(shuō)明成像操作與衍射操作時(shí)各級(jí)透鏡(像平面與物平面)之間的相對(duì)位置關(guān)系，并畫出光路圖。u 衍射操作模式v 成像操作模式 v5.透射電鏡中有哪些主要光闌

10、?在什么位置?其作用如何?答：透射電鏡有三種主要光闌：聚光鏡光闌、物鏡光闌和選區(qū)光闌。聚光鏡光闌作用：限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，該光闌裝在第二聚光鏡下方。光闌孔直徑：20-400um，一般分析用時(shí)光闌孔直徑用200-300um，作微束分析時(shí)，采用小孔徑光闌。物鏡光闌：也稱襯度光闌，安裝于物鏡的后焦面。光闌孔直徑20-120um。作用：提高像襯度減小孔徑角，從而減小像差進(jìn)行暗場(chǎng)成像選區(qū)光闌：為了分析樣品上的微區(qū)，應(yīng)在樣品上放置光闌來(lái)限定微區(qū)，對(duì)該微區(qū)進(jìn)行衍射分析叫做選取衍射。該光闌是選區(qū)光闌，也稱限場(chǎng)光闌或視場(chǎng)光闌。6.樣品臺(tái)的結(jié)構(gòu)與功能如何？它應(yīng)滿足那些要求？答：第 十 章晶體薄膜衍射

11、襯度成像分析1.什么是衍射襯度?它與質(zhì)厚襯度有什么區(qū)別?答：由樣品各處衍射束強(qiáng)度的差異形成的襯度稱為衍射襯度。<1>非晶（復(fù)型）樣品電子顯微圖像襯度是由于樣品不同微區(qū)間存在原子序數(shù)或厚度的差異而形成的，即質(zhì)厚襯度。它是建立在非晶樣品中原子對(duì)電子的散射和透射電子顯微鏡小孔徑成像的基礎(chǔ)上的。<2>對(duì)于晶體薄膜樣品而言，厚度大致均勻，原子序數(shù)也無(wú)差別，因此，不可能利用質(zhì)厚襯度來(lái)獲得圖象反差，這樣，晶體薄膜樣品成像是利用衍射襯度成像，簡(jiǎn)稱“衍射襯度”2.畫圖說(shuō)明衍襯成像原理，并說(shuō)明什么是明場(chǎng)像、暗明場(chǎng)像和中心暗場(chǎng)像。衍射成像原理：設(shè)薄膜有A、B兩晶粒，B內(nèi)的某(hkl)晶面嚴(yán)格

12、滿足Bragg條件，或B晶粒內(nèi)滿足“雙光束條件”，則通過(guò)(hkl)衍射使入射強(qiáng)度I0分解為Ihkl和IO-Ihkl兩部分；A晶粒內(nèi)所有晶面與Bragg角相差較大，不能產(chǎn)生衍射。u 明場(chǎng)成像:只讓中心透射束穿過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為明場(chǎng)鏡。 v 暗場(chǎng)成像:只讓某一衍射束通過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為暗場(chǎng)像。 w 中心暗場(chǎng)像:入射電子束相對(duì)衍射晶面傾斜角，此時(shí)衍射斑將移到透鏡的中心位置，該衍射束通過(guò)物鏡光欄形成的衍襯像稱為中心暗場(chǎng)成像。 4.什么是消光距離?影響晶體消光距離的主要物性參數(shù)和外界條件是什么?答：在簡(jiǎn)單雙光束條件下，入射波只被激發(fā)成為透射波和衍射波的情況下，由于透射波和衍射波強(qiáng)烈的動(dòng)力

13、學(xué)相互作用結(jié)果，使I0和Ig在晶體深度方向上發(fā)生周期性的振蕩，此振蕩的深度周期叫消光距離，記作xg。（“消光”的意義指的是，盡管滿足衍射條件，但由于動(dòng)力學(xué)相互作用而在晶體一定深度處衍射波和透射波的實(shí)際強(qiáng)度為0）物理參數(shù)：晶胞體積，晶胞散射振幅（結(jié)構(gòu)因子），入射角，電子波波長(zhǎng)第 十一 章掃描電子顯微鏡1. 電子束入射固體樣品表面會(huì)激發(fā)哪些信號(hào)?它們有哪些特點(diǎn)和用途?答：樣品在電子束的轟擊下會(huì)產(chǎn)生：背散射電子，二次電子，吸收電子，透射電子，特征X射線，俄歇電子。1、背散射電子是指被固體樣品中的原子核或核外電子反彈回來(lái)的一部分入射電子。用Ib示背散射電子流。 特點(diǎn)：1) 彈性背散射電子遠(yuǎn)比非彈性背散

14、射電子所占的份額多 ；2) 能量高，例如彈性背散射，能量達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)ev ；3) 背散射電子束來(lái)自樣品表面幾百nm深度范圍 ；4) 其產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增多 ；5) 用作形貌分析、成分分析（原子序數(shù)襯度）以及結(jié)構(gòu)分析（通道花樣）2、二次電子在入射電子作用下被轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的樣品原子的核外電子。用IS表示二次電子流。 1) 二次電子能量較低。一般不超過(guò)50 ev，大部分幾ev；2) 來(lái)自表層510nm深度范圍；3) 對(duì)樣品表面化狀態(tài)十分敏感，因此能有效地反映樣品表面的形貌；4) 其產(chǎn)額與原子序數(shù)間沒(méi)有明顯的依賴關(guān)系。因此，不能進(jìn)行成分分析。 3、吸收電子：入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)多次非彈

15、性散射，能量損失殆盡，最后被樣品吸收。用IA示吸收電子流。若樣品足夠厚，透射電子流IT=0，則有IA=I0 -（I b+IS） (I0入射電子流)1) 吸收電子信號(hào)調(diào)制成圖像，其襯度恰好和S、E或B、E信號(hào)調(diào)制圖像襯度相反 2) 與背散射電子的襯度互補(bǔ)。入射電子束射入一個(gè)多元素樣品中時(shí)，因Se產(chǎn)額與原子序數(shù)無(wú)關(guān)，則背散射電子較多的部位（Z較大）其吸收電子的數(shù)量就減少，反之亦然；3) 吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，即可用來(lái)進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析 。4、透射電子：如樣品足夠薄，則會(huì)有一部分入射電子穿過(guò)樣品而成透射電子。用IT示透射電子流。 1) 透射電子信號(hào)由微區(qū)的厚度，成分和晶體結(jié)構(gòu)決定 2) 透

16、射電子包括：彈性散射電子和非彈性散射電子（各種不同能量損失，特征能量損失E,與區(qū)域成分有關(guān)）可利用特征能量損失E電子配合電子能量分析器進(jìn)行微區(qū)成分分析。即電子能量損失譜EELS。 5、特征X射線：指原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級(jí)躍遷過(guò)程中直接釋放的具有特征能量和特征波長(zhǎng)的一種電磁波輻射。 特征X射線的波長(zhǎng)和原子序數(shù)間的關(guān)系服從莫塞萊定律。（Z原子序數(shù)，K、常數(shù)）特點(diǎn)：1) 用特征值進(jìn)行成分分析2) 來(lái)自樣品較深的區(qū)域 6、俄歇電子：如果原子內(nèi)層電子在能級(jí)躍過(guò)程中釋放出來(lái)的能量E并不以X射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層的另一個(gè)電子發(fā)射出去（或空位層的外層電子發(fā)射出去），這一個(gè)被電離

17、的電子稱為俄歇電子。每種原子都有自己的特定殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值。1) 各元素的俄歇電子能量值很低，501500ev ； 2) 來(lái)自樣品表面12nm范圍。其平均自由程很?。?lt;1 nm ）， 較深區(qū)域產(chǎn)生的俄歇電子向表面運(yùn)動(dòng)時(shí)必然會(huì)因碰撞損失能量而失去特征值的特點(diǎn)。因此，只有在距表面1nm左右范圍內(nèi)逸出的俄歇電子才具有特征能量。因此它適合做表面分析。 2. 掃描電鏡的分辨率受哪些因素影響?用不同的信號(hào)成像時(shí)，其分辨率有何不同?所謂掃描電鏡的分辨率是指用何種信號(hào)成像時(shí)的分辨率?答：影響分辨率的三大因素：1) 電子束束斑大小2) 檢測(cè)信號(hào)類型3) 檢測(cè)部位原子序數(shù)SEM的

18、分辨率高低與檢測(cè)信號(hào)種類有關(guān)。因?yàn)镾E或AE信號(hào)的分辨率最高，因此，SEM的分辨率是指二次電子像的分辨率。 3. 掃描電鏡的成像原理與透射電鏡有何不同?答：SEM是由電子光學(xué)系統(tǒng)，信號(hào)收集處理、圖像顯示和紀(jì)錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)三部組成。 透射電鏡成像是平行光照射到一個(gè)光柵時(shí)，通過(guò)聚光鏡中間鏡投影鏡，放大倍數(shù)是三鏡的乘積。掃描電鏡成像是通過(guò)聚光鏡會(huì)聚電子槍發(fā)射出來(lái)的電子束，掃描線圈對(duì)試樣表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，并與試樣相互作用激發(fā)出各種信號(hào)（如二次電子），這些信號(hào)通過(guò)后續(xù)的同步檢測(cè)、放大后，最終在設(shè)于鏡體外的顯像管（CRT）熒光屏上形成一幅反映試樣表面形貌、組成及其他信息的掃描圖像。區(qū)別：TEM的放大倍數(shù)

19、M=物鏡*中間鏡*投影鏡；SEM是通過(guò)掃描電圈，逐點(diǎn)掃描逐點(diǎn)成像，熒光屏與物鏡上是對(duì)應(yīng)的，時(shí)間與空間是一致的。一次性透射，同時(shí)成像M=Ac/As（Ac為在熒光屏上的幅度，As為在掃描鏡上的幅度）第 十二 章電子探針顯微分析1電子探針儀與掃描電鏡有何異同？電子探針儀如何與掃描電鏡和透射電鏡配合進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學(xué)成分的同位分析?2.波譜儀和能譜儀各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?答：能譜儀與波譜儀相比具有以下優(yōu)點(diǎn)（與波譜儀相比） 1) 能譜儀探測(cè)X射線的效率高。其靈敏度比波譜儀高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。2) 在同一時(shí)間對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)所有元素X射線光子的能量進(jìn)行測(cè)定和計(jì)數(shù)，在幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果，而波譜儀只能逐個(gè)測(cè)量每種元素特征波長(zhǎng)。 3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)