第8章電子顯微分析

第8章掃描電子顯微分析8.1掃描電鏡的工作原理、和性能構(gòu)造

掃描電子顯微鏡的主要結(jié)構(gòu)1：SEM的主要結(jié)構(gòu)包括電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)的收集和圖像顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)三部分。2：掃描電鏡重要指標(biāo)是分辨率，是由特定樣品在特定工作狀態(tài)，特定環(huán)境下拍攝的圖像上兩點(diǎn)之間的最小間隙的寬度。由于受儀器，工作狀態(tài)，樣品本身性質(zhì)及環(huán)境影響，一般樣品在觀察中的分辨率達(dá)不到這一極限值。8.1.2像襯原理與應(yīng)用

一、像襯原理像的襯度就是像的各部分(即各像元)強(qiáng)度相對(duì)于其平均強(qiáng)度的變化。

SEM可以通過樣品上方的電子檢測(cè)器檢測(cè)到具有不同能量的信號(hào)電子有背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子等。

特征X射線1．二次電子像襯度及特點(diǎn)

二次電子信號(hào)主要來自樣品表層5-10nm深度范圍，能量較低(小于50eV)。影響二次電子產(chǎn)額的因素主要有：

(1)二次電子能譜特性；

(2)入射電子的能量；

(3)材料的原子序數(shù)；

(4)樣品傾斜角。

二次電子像的襯度可以分為以下幾類：

(1)形貌襯度(2)成分襯度(3)電壓襯度(4)磁襯度(第一類)右圖為形貌襯度原理

二次電子像襯度的特點(diǎn)：

（1）分辨率高（2）景深大，立體感強(qiáng)（3）主要反應(yīng)形貌襯度。

(a)加偏壓前(b)加偏壓后

圖4.62加偏壓前后的二次電子收集情況

掃描電鏡的主要性能1.放大倍數(shù)2.景深3.分辨率掃描電子顯微鏡景深8.1.4樣品制備1：導(dǎo)電樣品掃描電鏡的最大優(yōu)點(diǎn)是樣品制備方法簡(jiǎn)單，對(duì)金屬等導(dǎo)電塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導(dǎo)電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。為防治假象的存在，在放試樣前應(yīng)先將試樣用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗，必要時(shí)用超聲波振蕩器清洗，或進(jìn)行表面拋光。2：不導(dǎo)電樣品對(duì)于非導(dǎo)電樣品如塑料、礦物等，在電子束作用下會(huì)產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導(dǎo)電層進(jìn)行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導(dǎo)電層，膜厚控制在20nm左右。

SEM樣品制備大致步驟：

1.從大的樣品上確定取樣部位；

2.根據(jù)需要，確定采用切割還是自由斷裂得到表界面；

3.清洗；

4.包埋打磨、刻蝕、噴金處理，JSM7401超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡

——可直接觀察不導(dǎo)電樣品（不需鍍金）主要功能及應(yīng)用范圍：1、可對(duì)各種有機(jī)、無機(jī)、納米材料進(jìn)行微觀形態(tài)研究，獲得其表面形貌對(duì)于不導(dǎo)電樣品可以直接觀察，不需要鍍金2、用于晶體材料的取向信息與結(jié)構(gòu)信息分析3、含圖像處理軟件，可以直接從圖像中獲得粒徑統(tǒng)計(jì)信息4、圖像可以偽彩處理8.1.3掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用1.表面形貌襯度及其應(yīng)用1）.斷口分析2).金相組織觀察3）.斷裂過程動(dòng)態(tài)研究2.原子序數(shù)襯度像3.表面成分分析1）波譜儀2）能譜儀1.

樣品表面形貌觀察（1）燒結(jié)體燒結(jié)自然表面觀察

(a)晶粒細(xì)小的正方相(b)晶粒尺寸較大的單相立方相(c)雙相混合組織（2）金相表面觀察

有棱角的為Al2O3,白色球狀物為ZrO22.

斷口分析（1）沿晶斷口（2）韌窩斷口（3）解理斷口（4）復(fù)合材料斷口

2.材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過程的原位觀察（1）雙相鋼（2）復(fù)合材料人類紅細(xì)胞瘧疾破壞的兩個(gè)紅細(xì)胞

電子束轟擊樣品表面將產(chǎn)生特征X射線，不同的元素有不同的X射線特征波長(zhǎng)和能量。通過鑒別其特征波長(zhǎng)或特征能量就可以確定所分析的元素。利用特征波長(zhǎng)來確定元素的儀器叫做波長(zhǎng)色散譜儀WDS（波譜儀），利用特征能量的就稱為能量色散譜儀EDS（能譜儀）。

8.3、波譜儀

波譜儀

波譜儀的關(guān)鍵在于怎樣實(shí)現(xiàn)將未知的特征譜線與已知元素Z聯(lián)系起來？為此設(shè)想有一種晶面間距為d的特定晶體，當(dāng)不同特征波長(zhǎng)λ的X射線照射其上時(shí)，如果滿足布拉格條件（2dsinθ=λ）將產(chǎn)生衍射。顯然，對(duì)于任意一個(gè)給定的入射角θ僅有一個(gè)確定的波長(zhǎng)λ滿足衍射條件。這樣我們可以事先建立一系列θ角與相應(yīng)元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)某個(gè)由電子束激發(fā)的X特征射線照射到分光晶體上時(shí)，我們可在與入射方向交成2θ角的相應(yīng)方向上接收到該波長(zhǎng)的X射線信號(hào)，同時(shí)也就測(cè)出了對(duì)應(yīng)的化學(xué)元素。只要令探測(cè)器連續(xù)進(jìn)行2θ角的掃描，即可在整個(gè)元素范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。波譜儀的特點(diǎn)：1：波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)分辨率很高。如它可將波長(zhǎng)十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根譜線清晰地分開。2：由于經(jīng)過晶體衍射后，強(qiáng)度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，這是波譜儀的兩個(gè)缺點(diǎn)。能譜儀結(jié)構(gòu)框圖8.4、能譜儀

能譜儀全稱為能量分散譜儀(EDS)．目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測(cè)器，即鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器，它實(shí)際上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)的n-i-p型二極管。Si(Li)檢測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)示意圖

WT%AT%Al36.7252.25Si5.717.80Cr1.621.20Mn25.2917.62Fe30.6621.08

100.00

Si(Li)能譜儀的優(yōu)點(diǎn)：

(1)分析速度快可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹窗口的探測(cè)器可探測(cè)的元素范圍為11Na-92U，20世紀(jì)80年代推向市場(chǎng)的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測(cè)元素的范圍為4Be-92U。(2)靈敏度高能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線重復(fù)性好。由于能譜儀沒有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好。能譜儀的缺點(diǎn)：

(1)能量分辨率低，峰背比低。(2)工作條件要求嚴(yán)格。(a)能譜曲線；(b)波譜曲線能譜議和波譜儀的譜線比較(3)波譜儀與能譜儀的性能比較檢測(cè)效率

能譜儀中鋰漂移硅探測(cè)器對(duì)X射線發(fā)射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接受到更多的X射線；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強(qiáng)度損失，因此能譜儀的檢測(cè)效率較高?？臻g分析能力

能譜儀因檢測(cè)效率高可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區(qū)已經(jīng)達(dá)到毫微米的數(shù)量級(jí)，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數(shù)量級(jí)。能量分辨本領(lǐng)

能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的能量分辨本領(lǐng)為0.5nm，相當(dāng)于5-10eV，可見波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個(gè)數(shù)量級(jí)。分析速度

能譜儀可在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)分析點(diǎn)內(nèi)的所有X射線光子的能量進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)數(shù)，僅需幾分鐘時(shí)間可得到全譜定性分析結(jié)果；而波譜儀只能逐個(gè)測(cè)定每一元素的特征波長(zhǎng)，一次全分析往往需要幾個(gè)小時(shí)。分析元素的范圍

波譜儀可以測(cè)量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測(cè)器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析納（Na）以上的元素?？煽啃?/p>

能譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有機(jī)械傳動(dòng)部分，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。但波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠(yuǎn)小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。樣品要求

波譜儀在檢測(cè)時(shí)要求樣品表面平整，以滿足聚焦條件。能譜儀對(duì)樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的成分分析。根據(jù)上述分析，能譜儀和波譜一各有特點(diǎn)，彼此不能取代。近年來，常將二者與掃描電境結(jié)合為一體，實(shí)質(zhì)在一臺(tái)儀器上實(shí)現(xiàn)快速地進(jìn)行材料組織結(jié)構(gòu)成分等資料的分析。8.5電子探針分析方法及微區(qū)成分分析技術(shù)1.基本原理2.分析方法點(diǎn)、線、面掃描3.分析的最小區(qū)域4.電子探針應(yīng)用

所謂電子探針是指用聚焦很細(xì)的電子束照射要檢測(cè)的樣品表面，用X射線分光譜儀測(cè)量其產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。由于電子束照射面積很小，因而相應(yīng)的X射線特征譜線將反映出該微小區(qū)域內(nèi)的元素種類及其含量。顯然，如果將電子放大成像與X射線衍射分析結(jié)合起來，就能將所測(cè)微區(qū)的形狀和物相分析對(duì)應(yīng)起來(微區(qū)成分分析)，這是電子探針的最大優(yōu)點(diǎn)。

分析原理由莫塞萊定律可知，各種元素的特征X射線都具有各自確定的波長(zhǎng)，并滿足以下關(guān)系：

構(gòu)造電子探針主要由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒），X射線譜儀和信息記錄顯示系統(tǒng)組成。電子探針和掃描電鏡在電子光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造基本相同，它們常常組合成單一的儀器。

EPMA-1600的外觀照射電子束SEM圖像成分分析X射線檢測(cè)器X射線分光晶體BSE檢測(cè)器SE檢測(cè)器SEBSE

樣品

EPMA的主要信息Si片EPMA-1600結(jié)構(gòu)圖電子探針分析的基本工作方式

一:是定點(diǎn)分析，即對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)行定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量分析；二:是線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進(jìn)行所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析；三:是面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特定元素的X射線的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮