材料现代分析与测试技术第二章电子显微分析.doc

第二章 电子显微分析一、教学目的理解掌握电子光学基础、电子与固体物质的相互作用、衬度理论等电子显微分析的基本理论，掌握透射电镜分析、扫描电镜分析、电子探针分析的应用和特点，掌握用各种衬度理论解释电子显微像，掌握电子显微分析样品的制备方法，了解透射电镜、扫描电镜、电子探针的结构。二、重点、难点重点：电子与物质的相互作用、衬度理论、电子探针X射线显微分析。难点：电子与物质的相互作用、衬度理论。三、教学手段多媒体教学四、学时分配14学时概述：一、光学显微镜的局限性：1.分辨能力（分辨率）：分辨能力（分辨率、分辨本领）： 一个光学系统能分开两个物点的能力，数值上是刚能清楚地分开两个物点间的最小距离。 =(nm)r 分辨率（r小，分辨能力越高）照明光的波长n透镜所处环境介质的折射率透镜孔径半角（）nsina数值孔径 用N.A表示 电子在电、磁场中易改变运动方向，且电子波的波长比可见光短得多，所以电子显微镜在高放大倍数时所能达到的分辨率比光学显微镜高得多。二、电子显微分析：是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号、分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）电子探针（EPMA）特点：1.分辨率高：0.20.3nm2.放大倍数高：2030万倍3.是一种微区分析方法：能进行nm尺度的晶体结构、化学组成分析4.多功能、综合性分析方向发展：形貌、结构、成份第一节 电子光学基础电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律。电子光学与几何光学的相似：1. 聚焦成像：几何光学光学透镜 电子光学电场、磁场2. 电子光学：仿照几何光学把电子运动轨迹看作射线，可用几何光学参数来表征。3. 几何光学中用旋转对称面（如球面）作为折射面。 电镜成像系统中用旋转对称的电场、磁场的等位面作折射面。一、电子的波性及波长1. 电子波性De Broglie波1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子（如中子、电子、离子等）也具有波粒二象性假说运动着的微观粒子也伴随着一个波物质波或德布罗意波 E=hv P=h/ 则 =h/p=h/mv2. 电子波长： V0=0 m/s v：0v E=ev=1/2mv2 当VC时 m=m0 = （A）V 当V=100 KV =0.0037nm 二、电子在电磁场中的运动和电磁透镜1. 电子在静电场中的运动：v= 电场力的加速作用 折射作用当电子运动方向与电场力方向不在一条直线上， 电场力的作用不仅改变电子运动方向的能量，而且也改变电子的运动方向。如图所示：V1xV1yV2yV2图2-1电子越过等电位面方向改变将一个由0v的电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成。当一个电子以V1速度与等电位面AB法线成角方向运动。因为电场对电子作用力的方向总是沿着所处点的等电位面的法线方向，且从低电位指向高电位，而沿电子所处点的等电位面的切线方向电场力为零。V1x=V2xV1=sin=V2sin或：（2-14）与光的折射定律表达式一样， 相当于折射率n，说明电场中的等电位面是对电子折射率相同的表面。与光学系统中两介质界面起折射作用相同。由（2-14）式可知：当电子由低电位区 进入高电位区 时，折射角 小于入射角 ，即电子轨迹趋向于法线，反之，相反。2. 静电透镜： 静电透镜与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似，一定形状的等电位曲面族也可使电子束聚焦成像，产生这种旋转对称等电位曲面族的电极装置即为静电透镜。二极式三极式静电透镜的局限性：强电场导致镜筒内击穿和弧光放电. 特点：1. 折射率与 相当 2. 因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差。应用：静电透镜用于电子枪中使电子束会聚成形。3.电子在磁场中的运动； 电子在磁场中运动时，受到磁场的作用力洛仑兹力 电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：与同向：电子不受磁场影响与垂直：电子在与磁场垂直的平面做均匀圆周运动。与交角：电子是一螺旋线。4. 磁透镜磁透镜 旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种旋的线圈装置磁透镜。目前电镜中使用的是极靴磁透镜。图2-6几种透镜的轴向磁场强度分布（线圈电流相同）如图2-5 在上下极靴附近有很强的磁场，与静电透镜比，焦距短，聚焦能力强。特点： 磁透镜对电子有旋转作用，所得到的电子光学像相对于物来说旋转了一个角度。 磁透镜是可变焦距和可变倍率透镜 F F与（IN）2成反比 场深大（2002000nm） 焦深长（80cm）四、电磁透镜的像差和理论分辨本领旋转对称的磁场可以使电子束聚焦成像，但要得到清晰而又与物体的几何形状相似的图像，必须有以下几个前提：（1） 磁场的分布是严格轴对称的。（2） 满足旁轴条件（3） 电子的波长（速度）相同折射率不同实际的电磁透镜并不能完全满足上述条件，于是产生像差：物面上一点散射出电子束不一定会聚在一点。物面上个点并不按比例成像于同一平面。结果：图像模糊不清；原物的几何形状不完全相似。磁透镜的几何缺陷产生几何像差主要像差：球差色差 轴上像散畸变1. 球差： 电磁透镜：远轴区对电子束的会聚能力比近轴区大（正球差） 球差最小弧散圆：在某一位置可获得最小的弥散圆斑，其半径为： Rsm2. 色差产生原因：成像电子波长不同引起 加速电压不稳定 电子与物质相互作用非弹性散射最小弥散圆斑半径：r减小方法：减小试样厚度 3. 轴上像散： 产生原因：透镜磁场不是理想的旋转对称极靴材料不均匀、加工精度、装配误差污染使透镜为近似的双对称场 最小弥散圆斑半径： 减小方法：消像散器4. 畸变正球差：远轴区对电子束会聚能力近轴区枕型畸变负球差：桶型畸变磁转角：旋转畸变5. 电磁透镜的分辨本领： 分辨本领除受影响外，还受衍射效应、球差、色差、轴上像散等因素的影响。其中以衍射效应和球差是最主要的，仅考虑衍射效应和球差时，电磁透镜的理论分辨本领为 A为常数，约为0.40.5，决定于推倒时的不同假设。 电磁透镜的理论分辨本领为0.2nm。 随高压电子束做照明源及用低球差透镜，理论上可达0.1nm。五、电磁透镜的场深和焦深电磁透镜除分辨本领大（r=0.20.3nm）外，还具有场深大（影深），焦深长的特点。1.场深：不影响分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离 当r=1nm =10-310-2rad时，Df200200nm. 故对加速电压为100KV的电镜，样品厚度一般控制在200nm以下，在透镜场深范围内，试样各种位均能调焦成像。 2. 焦深：在不影响透镜成像分辨本领的前提下， 像平面可沿镜轴移动的距离（Di）Di= 当r=1nm =10-2rad M=2000倍时 Di=80cm注：这一结果只有在每级透镜的Df L1时才是正确的。第二节 电子与固体物质的相互作用电子与物质作用产生各种信号,利用这些信号可以进行透射电镀,扫描电镀,电子探针,饿歇电子能谱, X射线光电子能谱分析.一.、电子散射聚焦电子束沿一定方向入射试样时, 在原子库仑电场作用下, 改变运动方向-电子散射弹性散射-只改变方向,不改变能量 (原子核对电子)非弹性散射-既改变方向,也改变能量 热 能量减小: 光 X射线 二次电子1. 原子核对电子的弹性散射 入射电子与原子核发生弹性碰撞时: m(原子核)m(电子)所以电子只改变方向,不改变能量,相等于弹性碰撞-弹性散射散射角: = 其中 Z - 原子序数 E - 电子电荷 E0 - 入射电子能量 rn - 电子距原子核距离(2-31)表明: Z大, E0小, r0小, X大 应用: 由于弹性散射的电子能量等于或者接近于入射电子能量E0, 因此是透射电镜中成像和衍射的基础.2. 原子核对电子的非弹性散射入射电子被库仑电势制动而减-非弹性散射损失的能量 E X射线由于能量损失不固定,X射线波长无特征值.波长是连续的,不能用来分析,反而在X射线谱上产生连续背底.3. 核外电子对入射电子的非弹性散射 入射电子与核外电子的碰撞为非弹性散射单电子激发入射电子与核外电子的碰撞,将核外电子激发脱离原子核二次电子二次电子: 能量低: 50ev应用 对试样表面状态非常敏感,显示表面微区形貌结构非常有效.-扫描电镀成像(主要成像手段).等离子激发:入射电子家电子集体振荡电子能量损失Ep Ep有固定值-特征能量损失该电子-特征能量损失电子应用: 电子能量损失谱-能量分析电子显微术有特征能量的电子成像-能量选择电子显微术 声子激发 入射电子和晶格的作用可以看作是电子激发声子（或吸收声子）的碰撞过程。 碰撞后，电子发生大角度散射，能量变化甚微，动量改变可以相当大。二. 内层电子激发后的驰豫过程内层电子被运动电子轰击,脱离原子后,原子处于高度激发状态,它将跃迁到能量较低状态-驰豫(1)辐射跃迁-标识X射线发射(2)非辐射跃迁-俄歇电子三、自由载流子 当高能量的入射电子照射到半导体,绝缘体和磷光体上时,不仅可在内层电子激发产生电离,还可在满带中的价电子激发到导带中去,在满带和导带内产生大量空穴和电子等自由载流子,这些自由载流子进一步产生阴极荧光,电子束电导和电子束伏特效应.1.阴极荧光 半导体、绝缘体和荧光体，在高能量电子束的照射下射出的可见光。应用：阴极荧光谱线波长(颜色)和强度来鉴别生体物质和分析杂质含量。 2.电子束电导和电子生伏特电子束电导-在试样两端建立电位差，自有载流子向导性电极移动，产生附加电导。电子生伏特-自由载流子在半导体的局部电场作用下，各自运动到一定的区域积累起来,形成净空间电荷而产生电位差。四、各种电信号 高速电子与物质作用-以上的各种作用会产生各种电信号1.背射电子:散射角大于90(1)弹性背散射电子.(2)非弹性背散射电子:单次;多次.注：表面出射电子：(1)背散射电子，(2)二次电子，(3)俄歇电子，(4)特征能量损失电子。2.透射电子：试样厚度10,Z10）为155对表面要求平整，光滑较粗糙表面也适用典型数据收集时间10min23min谱失真少主要包括：逃逸峰、峰重叠脉冲堆积电子束散射铍窗吸收效应等最小束斑直径200nm5nm探测极限（）0.010.10.10.5波谱仪和能谱仪的特点：波谱仪分析的元素范围广、探测极小、分辨率高，适应于精确的定量分析。其缺点是要求试样表面平整光滑，分析速度较慢，需要用较大的束流，从而同意引起样品和镜筒的污染。能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限、分辨率等方面不如波谱仪，但其分析速度快，可用较小的束流和微细的电子束，对试样表面要求不如波谱仪那样严格，因此特别适合于与扫描电镜配合使用。目前扫描电镜或电子探针仪可用时配用能谱仪和波谱仪，构成扫描电镜-波谱仪-能谱仪系统，使两种谱仪互相补充，发挥长处，是非常有效的材料研究工具。四分析方法及应