材料測試與研究方法第十章電子顯微分析

1、 光學(xué)顯微鏡：以可見光（或紫外線）為光源。 電子顯微鏡：以電子束為光源。 1. 構(gòu)成： 照明系統(tǒng) 光學(xué)放大系統(tǒng) 機(jī)械裝置 2. 原理：經(jīng)物鏡形成倒立實(shí)像，經(jīng)目鏡放大成虛像。 3. 分辨力：指分辨物體最小間隔的能力。 普通光線的波長為400700nm，光鏡分辨力約為0.2m，人眼的分辨力為0.2mm，因此顯微鏡的最大有效倍數(shù)為1000X。sin61. 00nr 對(duì)于光學(xué)透鏡，當(dāng)nsin做到最大時(shí)（n1.5，70-75），上式簡化為：20r加速電壓U/KV 電子波波長/nm 加速電壓U/KV 電子波波長/nm20406080100 0.008590.006010.004870.004180.003

2、71 1201602005001000 0.003340.002850.002510.001420.00087 電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖 電子在磁場中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)電子在磁場中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不平行時(shí)，方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向不平行時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向垂直的力將產(chǎn)生一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向垂直的力（洛侖茲力）使電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)（洛侖茲力）使電子運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。生偏轉(zhuǎn)。 圖圖5-3是一個(gè)電磁線圈。當(dāng)電子沿是一個(gè)電磁線圈。當(dāng)電子沿線圈軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)方向線圈軸線運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致，電子不與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向一致，電子不受力，以直線運(yùn)動(dòng)通過線圈；當(dāng)受力，以直線運(yùn)動(dòng)通過線圈

3、；當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)偏離軸線時(shí)，電子受磁電子運(yùn)動(dòng)偏離軸線時(shí)，電子受磁場力的作用，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，場力的作用，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最后會(huì)聚在軸線上的一點(diǎn)。電子最后會(huì)聚在軸線上的一點(diǎn)。電子運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)圓錐螺旋曲線。運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)圓錐螺旋曲線。P象P透鏡物P光軸圖1-5（a） 球差平面BPA透鏡平面物P光軸PBfA 平面A圖1-5（b）象散 能量為E的電子軌跡象1透鏡物P光軸圖1-5（c） 色差能量為E- E的電子軌跡象2 X射線衍射儀 電子探針儀 掃描電鏡X 射 線 二次電子韌致輻射 入射電子 背散射電子陰極熒光 吸收電子 俄歇電子 試 樣 透射電子 衍射電子 俄歇電鏡 透射電子顯微鏡 電子衍射儀電

4、子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息及相應(yīng)儀器透射電子顯微鏡的構(gòu)造透射電子顯微鏡的構(gòu)造陰極（接負(fù)高壓）控制極（比陰極負(fù)1001000伏）陽極電子束聚光鏡試樣照明部分示意圖燈絲（鎢）燈絲（鎢） 聚光鏡用來會(huì)聚電子槍射聚光鏡用來會(huì)聚電子槍射出的電子束，以最小的損出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑大小。度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)，一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)，如圖如圖5-14所示。第一聚光所示。第一聚光鏡是強(qiáng)激磁透鏡，束斑縮鏡是強(qiáng)激磁透鏡，束斑縮小率為小率為1050倍左右，將倍左右，將電子槍第一交叉點(diǎn)束斑縮電子槍第一交叉點(diǎn)束斑縮小為小為15m；而第二

5、聚；而第二聚光鏡是弱激磁透鏡，適焦光鏡是弱激磁透鏡，適焦時(shí)放大倍數(shù)為時(shí)放大倍數(shù)為2倍左右。倍左右。結(jié)果在樣品平面上可獲得結(jié)果在樣品平面上可獲得210m的照明電子束斑。的照明電子束斑。 聚光鏡聚光鏡圖1-12 （a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡選區(qū)光闌100透射電子顯微鏡使用的銅網(wǎng)一般直徑為2毫米，上面銃有許多微米大小的孔，在銅網(wǎng)上覆蓋了一層很薄的火棉膠膜并在上面蒸鍍了碳層以增加其膜的強(qiáng)度，被分析樣品就承載在這種支撐膜上。 分辨率分辨率 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 加速電壓加速電壓 分辨率是透射電鏡的最主要性能指標(biāo)，它表征電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。兩種指標(biāo)

6、： 點(diǎn)分辨率表示電鏡所能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離； 線分辨率表示電鏡所能分辨的兩條線之間的最小距離，通常通過拍攝已知晶體的晶格象來測定，又稱晶格分辨率。理論分辨力約為波長一半，理論分辨力約為波長一半，實(shí)際分辨力遠(yuǎn)沒到極限：存在像差。實(shí)際分辨力遠(yuǎn)沒到極限：存在像差。 透射電鏡的放大倍數(shù)是指電子圖象對(duì)于所透射電鏡的放大倍數(shù)是指電子圖象對(duì)于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。目前高性能透觀察試樣區(qū)的線性放大率。目前高性能透射電鏡的放大倍數(shù)變化范圍為射電鏡的放大倍數(shù)變化范圍為100倍到倍到80萬倍。萬倍。 目鏡目鏡中間鏡中間鏡投影鏡，投影鏡，if 三個(gè)都用了。三個(gè)都用了。根據(jù)放大倍數(shù)標(biāo)注尺寸根據(jù)放大倍數(shù)標(biāo)注尺寸

7、 電鏡的加速電壓是指電子槍的陽極相對(duì)于陰極電鏡的加速電壓是指電子槍的陽極相對(duì)于陰極的電壓，它決定了電子槍發(fā)射的電子的波長和的電壓，它決定了電子槍發(fā)射的電子的波長和能量。能量。 加速電壓高，電子束對(duì)樣品的穿透能力強(qiáng)，可加速電壓高，電子束對(duì)樣品的穿透能力強(qiáng)，可以觀察較厚的試樣，同時(shí)有利于電鏡的分辨率以觀察較厚的試樣，同時(shí)有利于電鏡的分辨率和減小電子束對(duì)試樣的輻射損傷。和減小電子束對(duì)試樣的輻射損傷。 目前普通透射電鏡的最高加速電壓一般為目前普通透射電鏡的最高加速電壓一般為100kV和和200kV，通常所說的加速電壓是指可，通常所說的加速電壓是指可達(dá)到的最高加速電壓。達(dá)到的最高加速電壓。一、粉末樣品制

8、備（重點(diǎn)）一、粉末樣品制備（重點(diǎn)） 分散（超聲波）分散（超聲波） 適當(dāng)?shù)臐舛冗m當(dāng)?shù)臐舛?適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┻m當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)（乙醇）適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)（乙醇）防止團(tuán)聚防止團(tuán)聚轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上：滴轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上：滴 or 撈。撈。干燥：保護(hù)真空。干燥：保護(hù)真空。降低表面張力降低表面張力二、薄晶樣品制備：一切二磨三減薄。二、薄晶樣品制備：一切二磨三減薄。靠轉(zhuǎn)動(dòng)干活的東東靠轉(zhuǎn)動(dòng)干活的東東離子減薄裝置原理示意圖 三、復(fù)型樣品制備（不能直接觀測的情形）三、復(fù)型樣品制備（不能直接觀測的情形）一、一、質(zhì)厚襯度原理（重要）質(zhì)厚襯度原理（重要）二、衍射襯度原理二、衍射襯度原理襯者，相對(duì)也，相對(duì)比而存在。襯者，相對(duì)也，

9、相對(duì)比而存在。由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，各部分對(duì)入射電子發(fā)生相互各部分對(duì)入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的吸收與散射程作用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束度不同，而使得透射電子束的強(qiáng)度分布不同，形成反差，的強(qiáng)度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)稱為質(zhì)-厚襯度。厚襯度。 衍射襯度主要是由于晶衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射體試樣滿足布拉格反射條件程度差異而形成電條件程度差異而形成電子圖象反差。它僅屬于子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)于非晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對(duì)于非晶體試樣是不存在的。晶體試樣是不存在的。一、根據(jù)衍射花樣確定樣品是晶體還是非晶。一、根據(jù)衍射花樣確定樣品是

10、晶體還是非晶。二、根據(jù)衍射斑點(diǎn)確定相應(yīng)晶面的晶面間距。二、根據(jù)衍射斑點(diǎn)確定相應(yīng)晶面的晶面間距。三、衍射斑點(diǎn)指標(biāo)化（自學(xué)，考博士要用的）。三、衍射斑點(diǎn)指標(biāo)化（自學(xué)，考博士要用的）。單晶單晶多晶多晶非晶非晶L:試樣到底板距離試樣到底板距離R:斑點(diǎn)到中心距離斑點(diǎn)到中心距離 （或圓環(huán)半徑）（或圓環(huán)半徑）2d2dsin=tg2sin2sin2 2sind tg2=tg2= R/Ld R/L = d R=L d K = d = / Kd=K/RK = R/L K=L 相機(jī)參數(shù)相機(jī)參數(shù)若結(jié)構(gòu)已知，可方便地標(biāo)注晶面。若結(jié)構(gòu)已知，可方便地標(biāo)注晶面。第八章第八章 電子顯微分析電子顯微分析 第三節(jié)第三節(jié) 掃描電子顯

11、微鏡（掃描電子顯微鏡（SEM)掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電鏡的成像原理掃描電鏡的成像原理掃描電鏡樣品制備掃描電鏡樣品制備TEMSEMTEMSEMSEM的操作比的操作比TEM簡單，通過鼠標(biāo)在屏幕上工作簡單，通過鼠標(biāo)在屏幕上工作 SEM是利用是利用聚焦電子束在聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某種物激發(fā)的某種物理信號(hào)來調(diào)制理信號(hào)來調(diào)制一個(gè)同步掃描一個(gè)同步掃描的顯象管在相的顯象管在相應(yīng)位置的亮度應(yīng)位置的亮度而成象的顯微而成象的顯微鏡。鏡。電子光學(xué)系統(tǒng)：電子光學(xué)系統(tǒng)：掃描系統(tǒng)：掃描系統(tǒng)：包括電子槍、一級(jí)二級(jí)聚光鏡、物鏡等，包括電子槍、一級(jí)二級(jí)聚光鏡、物鏡等，用來縮小而非放大，以獲得盡量小

12、的電用來縮小而非放大，以獲得盡量小的電子束斑，提高分辨率。子束斑，提高分辨率。掃描線圈和掃描發(fā)生器同步運(yùn)行，使樣品表掃描線圈和掃描發(fā)生器同步運(yùn)行，使樣品表面電子束斑位置與顯示屏上的亮點(diǎn)位置一一面電子束斑位置與顯示屏上的亮點(diǎn)位置一一對(duì)應(yīng)。兩套電子束息息相關(guān)又互相隔絕。對(duì)應(yīng)。兩套電子束息息相關(guān)又互相隔絕。信號(hào)探測與放大系統(tǒng)：強(qiáng)度放大尺度放大。信號(hào)探測與放大系統(tǒng)：強(qiáng)度放大尺度放大。探測器（二次電子探測器（二次電子or背散射電子），背散射電子），光電倍增管（強(qiáng)度放大），光電倍增管（強(qiáng)度放大），視頻放大器（尺度放大）。視頻放大器（尺度放大）。圖象顯示和記錄系統(tǒng)：電腦。圖象顯示和記錄系統(tǒng)：電腦。真空系統(tǒng)：

13、真空系統(tǒng)：電力系統(tǒng)：電力系統(tǒng)： 打點(diǎn)的位置由掃描系統(tǒng)確定（放大倍數(shù)）；打點(diǎn)的位置由掃描系統(tǒng)確定（放大倍數(shù)）； 分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深度度 和廣度共同決定；和廣度共同決定； 打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定；打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定； 成分像與形貌像的分辨率。成分像與形貌像的分辨率。兩套偏轉(zhuǎn)線圈分別移動(dòng)兩束電子束，一束極細(xì)的電子兩套偏轉(zhuǎn)線圈分別移動(dòng)兩束電子束，一束極細(xì)的電子束在樣品表面掃描，另一束較大電子束在熒光屏上掃束在樣品表面掃描，另一束較大電子束在熒光屏上掃描，二者掃描的方向、步調(diào)一致，但步幅差別很大。描，二者掃描的

14、方向、步調(diào)一致，但步幅差別很大。步幅的比例就是放大倍數(shù)。步幅的比例就是放大倍數(shù)。放大倍數(shù)放大倍數(shù)K= AS / AC AS :熒光屏上的掃描步幅熒光屏上的掃描步幅 AC :樣品表面的掃描步幅樣品表面的掃描步幅 假定樣品表面掃描步幅為假定樣品表面掃描步幅為10nm，熒光屏上掃描步幅，熒光屏上掃描步幅為為0.2mm，則放大倍數(shù)為，則放大倍數(shù)為2萬倍。萬倍。做個(gè)超大熒光屏，放大倍數(shù)可以很大，未必看得清。做個(gè)超大熒光屏，放大倍數(shù)可以很大，未必看得清。分辨率分辨率通過聚焦能獲得的通過聚焦能獲得的最小的電子束斑。最小的電子束斑。背散射電子背散射電子：解析度幾十解析度幾十nm：成分像分辨率低成分像分辨率低二

15、次電子二次電子：解析度幾解析度幾nm：形貌像分辨率高形貌像分辨率高入射電入射電子束斑子束斑背散射電子背散射電子逸出區(qū)域逸出區(qū)域二次電子二次電子逸出區(qū)域逸出區(qū)域打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定（如何形成襯度）（如何形成襯度）探測背散射電子：探測背散射電子：50V。（二次電子能量太低被拒之門外）（二次電子能量太低被拒之門外）探測二次電子：探測二次電子：250V 。（同時(shí)探測到背散射電子，沒關(guān)系）（同時(shí)探測到背散射電子，沒關(guān)系）背散射電子背散射電子vs二次電子二次電子入射電子受樣品原子入射電子受樣品原子散射，重又在樣品上散射，重又在樣品上表面逸出，稱背散射

16、表面逸出，稱背散射電子，電子，能量高能量高，與入，與入射電子相當(dāng)。射電子相當(dāng)。數(shù)量少數(shù)量少。樣品原子的外層價(jià)電子樣品原子的外層價(jià)電子被入射電子激發(fā)，從樣被入射電子激發(fā)，從樣品表面逸出，稱二次電品表面逸出，稱二次電子，只獲得入射電子子，只獲得入射電子少少許能量許能量，但，但數(shù)量大數(shù)量大，多，多次碰撞，連鎖反應(yīng)，一次碰撞，連鎖反應(yīng)，一打一長串。打一長串。無賴定義：無賴定義：能量低于能量低于50eV的電的電子統(tǒng)稱二子統(tǒng)稱二次電子。只次電子。只因探測器因探測器加加50V。背散射電子背散射電子的數(shù)目與被的數(shù)目與被打原子的原打原子的原子序數(shù)有關(guān)子序數(shù)有關(guān)樣品的原子序數(shù)樣品的原子序數(shù)背散射電子數(shù)目背散射電子

17、數(shù)目打點(diǎn)的亮度打點(diǎn)的亮度原子序數(shù)越大，背散射電子越多，越亮。原子序數(shù)越大，背散射電子越多，越亮。重元素亮，輕元素暗，形成比較。重元素亮，輕元素暗，形成比較。 成份像成份像 襯度襯度!背散射電子與成份像背散射電子與成份像垂直于樣品表面入射一次電子時(shí)，樣品垂直于樣品表面入射一次電子時(shí)，樣品表面所產(chǎn)生的二次電子的量最小。隨著表面所產(chǎn)生的二次電子的量最小。隨著傾斜度的增加，二次電子的產(chǎn)率逐漸增傾斜度的增加，二次電子的產(chǎn)率逐漸增加。因此，二次電子的強(qiáng)度分布反映了加。因此，二次電子的強(qiáng)度分布反映了樣品表面的形貌信息。樣品表面的形貌信息。二次電子與形貌像二次電子與形貌像電子容易逃逸的地方產(chǎn)額高電子容易逃逸的

18、地方產(chǎn)額高亮度高亮度高一尖、二斜、三平、四凹。一尖、二斜、三平、四凹。襯度襯度!SEM樣品制備（清潔樣品制備（清潔/干燥干燥/鍍金）鍍金） 對(duì)于其它導(dǎo)電性好的樣品如金屬，合金以及半導(dǎo)體材料，薄膜樣品基本不需要進(jìn)行樣品處理，就可以直接觀察。只要注意幾何尺寸上的要求。但要求樣品表面清潔，如果被污染容易產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。 對(duì)于需要進(jìn)行元素組成分析的樣品，一般在表面蒸發(fā)輕元素作為導(dǎo)電層如：金屬鋁和碳薄膜層。對(duì)于粉體樣品可以直接固定在導(dǎo)電膠帶上。 防止荷電現(xiàn)象； 減輕電子束對(duì)樣品表面損傷； 增加二次電子的產(chǎn)率，提高圖像的清晰度； 消除成份襯度對(duì)形貌襯度的影響。 導(dǎo)電性差的樣品做形貌像都要鍍金導(dǎo)電性差的樣品做

19、形貌像都要鍍金 當(dāng)樣品的導(dǎo)電性差時(shí)，在樣品表面可以積累電荷，可以在樣品表面形成電場，不僅影響電子束的掃描過程，還會(huì)改變圖像的亮度，對(duì)二次電子象產(chǎn)生嚴(yán)重影響。 第八章第八章 電子顯微分析電子顯微分析 第四節(jié)第四節(jié) 電子探針電子探針X射線顯微分析射線顯微分析（元素分析）（元素分析） 電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理波長色散譜儀波長色散譜儀(WDS) 能量色散譜儀能量色散譜儀(EDS) 兩種色散譜儀的比較兩種色散譜儀的比較電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理 除探測系統(tǒng)外，其他系除探測系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)與掃描電鏡一樣，常統(tǒng)與掃描電鏡一樣，常合用一套設(shè)備。合用一套設(shè)備

20、。 聚焦好的電子束斑在掃聚焦好的電子束斑在掃描線圈的控制下激發(fā)樣描線圈的控制下激發(fā)樣品某處的特征品某處的特征X射線。射線。探測波長：波譜儀。探測波長：波譜儀。探測能量：能譜儀。探測能量：能譜儀。波譜儀波譜儀波譜儀主要由分光晶體和波譜儀主要由分光晶體和X射線檢測系統(tǒng)組成。射線檢測系統(tǒng)組成。檢測器與檢測器與X射線衍射儀相仿：轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)光子。射線衍射儀相仿：轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)光子。原理：根據(jù)布拉格定律，從試樣中原理：根據(jù)布拉格定律，從試樣中發(fā)出的特征發(fā)出的特征X射線，經(jīng)過一定晶面間射線，經(jīng)過一定晶面間距距d的晶體分光，波長不同的特征的晶體分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角。通過連續(xù)射線將有不同的衍射角。通過連續(xù)地改變地改變 ，就可以在與，就可以在與X射線入射方射線入射方向呈向呈2 的位置的位置上測到不同波長上測到不同波長的