材料显微实践

1、 年 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:材料显微分析实践 学生所在院（系）:材料学院学生所在学科:材料工程学 生 姓 名:学 号:学 生 类 别:考核结果阅卷人透射电镜的明暗场成像技术透射电子显微镜（TEM）是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。TEM使用聚焦电子束作照明源，使用于对电子束透明的薄膜试样，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构。透射电子显微镜增加附件后，还可以进行原位的成分分析（能谱仪EDS、特征能量损失谱EELS）、表面形貌观察（二次电子像SED、背散射电子像BED）和扫描透射像（S

2、TEM）。结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透射电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。这样 一台仪器在不更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分（价态）的全面分析。图 Error! Main Document Only. TEM构造及光路一 TEM结构TEM（图1）是由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成，其中电子光学系统是TEM的核心，分为照明系统、成像系统和观察记录系统。1 照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节

3、装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪是透射电子显微镜的光源。常用的是热阴极三级电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极和阳极组成。其中的自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会汇集成一个交叉点，这就是通常说的电子源。聚光镜用来会聚电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小，一般都采用双聚光镜系统。第一聚光镜是强励磁透镜，束斑缩小率为10-50倍，将电子枪的第一交叉点束斑缩小为1-5m，第二聚光镜是弱励磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果是在样品平面上可获得2-10m的照明电子束斑。2 成像系统成像系统主要由物镜、中间镜和投

4、影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨率的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其他透镜进一步放大。通常采用强励磁、短焦距的物镜来降低像差从而提高分辨率。物镜的放大倍数一般在100到300倍。目前，高质量的物镜分辨率可以达到0.1nm。中间镜是一个弱励磁的长焦距变倍率透镜，可在0-20倍范围调节，在电镜的操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总的放大倍数。投影镜的作用是把经过中间镜放大（或缩小）的像进一步放大，并投影到荧光屏上，是一个短焦距的强磁透镜。因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约10-5rad），所以其景

5、深和焦长都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总的放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。3 观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏和照相机构。在荧光屏上放置一个可以自动换片的照相暗盒，照相时只要把荧光屏掀往一侧竖直竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的图像。通常采用在暗室操作情况下人眼较为敏感的、发绿光的荧光物质来涂制荧光屏。这样有利于高放大倍数、低亮度图像的聚焦和观察。现代的透射电镜常使用慢扫描CCD相机，这种CCD数字成像技术可将电子显微图像转接到计算机的显示器上，图像观察和存储非常方便。二 工作原理

6、透射电镜和光学显微镜最基本的原理是相同的，显微放大过程基本相似。不同的是，电镜的照明源不是可见光而是电子束；透镜也不是玻璃而是轴对称的电场或磁场，电镜的总体结构、成像原理、操作方式等与光学显微镜有着本质上的区别。透射电镜的原理是用具有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到样品上，通过样品电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。这些衍射束在物镜的像平面上相互干涉形成反映试样微区特征的电子图像。通过聚焦（调节物镜激磁电流），调节物镜背焦面与像平面和中间镜的物平面之间的关系，如果使物镜的像平面与中间镜的物平面相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅有一定衬度和放大倍数的电子图像，即TEM的成

7、像操作；如果使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，即TEM电子衍射操作。由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图像。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。非晶态复型样品是依据“质量厚度衬度”的原理成像的。而晶体薄膜样品的厚度大致均匀，并且平均原子序数也无差别，不能够利用“质量厚度衬度”的原理成像。薄膜样品是利用另一种成像原理“衍射衬度成像”。衍射衬度成像是由于各处晶体取向不同或晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样

8、下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。这种衬度对晶体结构和取向十分敏感，当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该处相对于周围完整晶体发生了微小的取向变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有不同的衍射条件，将缺陷显示出来。根据成像中是衍射束成像还是透射束成像，可以将衍射程度成像分为“明场像”和“暗场像”（图2a和b）。“明场像”是利用光阑使透射束透过成像，“暗场像”是使用光阑使衍射束透过成像。图 2 衍射成像原理 a）明场像 b）暗场像三 透射电镜的主要性能参数1 分辨率分辨率是TEM的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力

9、。TEM的分辨率分为点分辨率和晶格分辨率。点分辨率是指能够分辨出两点之间最短的距离，晶格分辨率能是通过拍摄已知晶体的晶格像测定测定。2 放大倍数透射电镜的放大倍数是指电子图像对于所观察试样区的线性放大率。TEM的放大倍数随着样品平面的高度、加速电压、透镜电流而变化，目前高性能TEM的放大倍数范围为80100万倍。3 加速电压加速电压是指电子枪阳极相对于阴极灯丝的电压，决定了发射的电子的波长。电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（厚试样）、分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。普通TEM的最高V一般为100kV和200kV。四 操作规程1 在低倍观察的情况下，寻找试样的边缘较薄的区域；2 用inte

10、nsity按钮，调试入射光的强度，使显示屏上的亮斑收缩为一点，观察亮斑的形态，如果有发散的状况，调节Z轴的位置使得亮斑为唯一的点；3 增加入射束强度，然后进入衍射模式，获得衍射斑点；4 加入物镜光阑，使其只套住透射斑点，然后转换回成像模式；5 调节放大倍数，观察明场像；6 插入选区光阑围住所选择的视场；7 进入衍射操作方式，取出物镜光阑，获得衍射花样；8 倾斜入射电子束的方向，使用于成像的衍射束与电子显微镜的光轴平行，此时衍射斑点位于荧光屏中心；9 插入物镜光阑套住中心的衍射斑点，转入成像模式，取出选区光阑，得到暗场像。五 适用范围TEM在材料科学、生物学上应用较多。由于透射电镜具有高分辨率、

11、 高性能，可应用于材料科学如物理、化学、化工、冶金、材料、半导体等方面的成分和结构分析；在生命科学如生物学、医学、药学等方面进行生化物质定位等许多方面得到了广泛的应用。近些年来逐渐发展出原位透射电子显微分析方法，该方法在继承常规TEM所具有的高空间分辨率和高能量分辨率优点的同时，在电子显微镜内部引入力、热、电、磁以及化学反应等外部激励，实现了物质在外部激励下的微结构响应行为的动态、原位实时观测，大大拓展了TEM的应用范围，解决了大量在传统TEM下不能解决的问题。如利用原位透射电子显微观察，Michael H等人研究了CaCO3成核是直接途径、间接途径还是两者共存的，因此解决了争论了近一个世纪的

12、电解质溶体成核的问题（图3）。图 3 CaCO3形核随时间变化情况5材料显微分析实践读书报告扫描电镜成像原理及基本操作姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX扫描电镜成像原理及基本操作扫描电子显微镜（Scanning electron microscope -SEM）是通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。SEM成像原理与TEM不同，不用电磁透镜放大成像。新式SEM的二次电子分辨率已达1nm以下，放大倍数可从数倍原位放大到30万倍；SEM较光学显微镜景深大，可用于显微断口分析；样品室大，可安装更多的探测器，因此与其它仪器结合，可同位进行多种分析，包括形貌、微

13、区成分、晶体结构。一 电子束与固体试样作用时产生的信号样品在电子束的轰击下会产生如图1所示的各种信号。（1）图 Error! Main Document Only. 电子束与固体样品作用时产生的信号背散射电子背散射电子是指被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子。背散射电子的强度与试样的原子序数由密切关系，背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，可以用作形貌分析、成分分析（原子序数衬度）以及结构分析（通道花样）。（2）二次电子在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。二次电子是从表面5-10 nm层内发射出来的，能量为0-50电子伏。二次电子对试样表面状态非常

14、敏感，能非常有效地显示试样表面的微观形貌。二次电子的产额随原子序数的变化不如背散射电子那么明显，所以不能进行成分分析。（3）吸收电子入射电子中一部分与试样作用后能量损失殆尽，不能再逸出表面，这部分就是吸收电子。吸收电子信号调制成图像的衬度恰好和背散射电子或二次电子信号调制的图像衬度相反，与背散射电子的衬度互补。入射电子束射入一个多元素样品中时，因二次电子产额与原子序数无关，则背散射电子较多的部位（Z较大）其吸收电子的数量就减少，反之亦然；吸收电子能产生原子序数衬度，可以用来进行定性的微区成分分析。（4）透射电子如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。这种透射电子是由直径很小（&

15、lt;10nm）的高能电子束照射薄样品时产生的，因此透射电子信号是由微区的厚度、成分和晶体结构决定的。可利用特征能量损失E电子配合电子能量分析器进行微区成分分析。即电子能量损失谱（EELS）。（5）特征X射线指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。根据莫塞莱定律，=1/（z-）2，可进行成分分析。X射线一般在试样的500nm-5m范围内发出。（6）俄歇电子在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。俄歇电子的能量很低，一

16、般为50-1500eV，只有在距离表层1nm左右范围内（即几个原子层厚度）逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用做表层成分分析。二 扫描电镜的构造扫描电镜由电子光学系统，信号收集处理、图像显示和记录系统，真空系统三个部分组成。图2是扫描电镜构造的框架图。1 电子光学系统电子光学系统：包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。（1）电子枪扫描电镜与透射电镜的电子枪相似，只是加速电压较透射电镜低。（2）电磁透镜能够聚焦电子束，将直径为50m的斑点聚焦到数nm。一般三级透镜来完成，前二者是强透镜，可把电子束光斑缩小，第三个是弱透镜，具有较长的焦距，习惯于叫物镜，其目的在于使样品和透镜之间留

17、有一定空间以装入各种信号探测器。SEM中束斑越小，即成像系元越小，相应的分辨率就愈高。（3）扫描线圈图 Error! Main Document Only. 扫描电镜构造原理框架图其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。（4）样品室放置样品，安装信号探测器。样品台本身是复杂而精密的组件，能进行平移、倾斜和转动等运动。新式电镜的样品室是个微型试验室，带有各种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验如拉伸、疲劳。2 信号收集处理和图像显示记录系统二次电子，背散射电子，透镜电子的信号都采用闪

18、烁计数器检测。其原理是：信号电子进入闪烁体即引起电离，当离子和自由电子复合后产生可见光，可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视上面频放大后就成为调制信号。3 真空系统为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一定的要求，一般为10-4-10-5mmHg。三 扫描电镜的主要性能1 分辨率SEM的分辨率高低与检测信号种类有关，表1是各种信号产生区域即空间分辨率。表 1 各种信号的空间分辨率因为图像分析时二次电子信号的分辨率最高，所以扫描电镜的分辨率用二次电子的分辨率表示。目前，扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于5nm，甚至更低。

19、2 放大倍数当入射电子做光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度As，相应的在荧光屏上阴极射线同步扫描的幅度是Ac，Ac和As的比值就是扫描电镜的放大倍数。目前放大倍数可达80万倍。四 成像原理扫描电子显微镜像衬度主要是利用样品表面微区特征的差异，在电子束作用下产生不同强度的物理信号，导致阴极管荧光屏上不同区域出现不同亮度，获得具有一定衬度的像。1二次电子成像原理SE信号主要用于分析样品表面形貌，（510 nm）。其成像原理为二次电子产额对微区表面的几何形状十分敏感。如图3，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大。因为电子束穿入样品激发二次电子的有效深度增加了，使表面5-10 nm作

20、用体积内逸出表面的二次电子数量增多。根据上述原理画出二次电子形貌衬度的示意图如图4。图 4 二次电子成像原理图图 5 二次电子形貌衬度示意图2原子序数衬度原理原子序数衬度是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的一种显示微区化学成分差别的像衬度。成像信号可以是背散射电子或吸收电子，一般是背散射电子成像。原子序数对背散射电子产额的影响，在原子序数Z小于40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。利用原子序数造成的衬度变化可以对各种金属和合金进行定性的成分分析。样品中重元素区域相对于图像上是亮区，而轻元素区域则为暗区。利用原子序数衬度分析晶界上或晶粒内部不同种类的

21、析出相是十分有效的。5材料显微分析实践读书报告原子力显微镜的工作原理及基本操作姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX原子力显微镜的工作原理及基本操作原于力显微镜（AFM）与SEM、TEM相比有明显不同，它用一个微小的探针来“摸索”微观世界。AFM超越了光和电子波长对显微镜分辨率的限制，在立体三维上观察物质的形貌，并能获得探针与样品相互作用的信息。典型AFM的侧向分辨率(x，y方向)可达到2nm，垂直分辩牢(Z方向)小于0.1 nmAFM具有操作容易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点。一 原子力显微镜的工作原理原子力显微镜是由IBM公司苏黎世研究中心的格尔德·宾宁与斯坦福

22、大学的Calvin Quate于一九八五年所发明的，其目的是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜（SPM）的观测方法。AFM的原理较为简单，它是用微小探针“摸索”样品表面来获得信息。如图1所示，当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变。悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化就可以获得样品表面信息图像。由于原子力显微镜既可以观察导体，也可以观察非导体，从而弥补了扫描隧道显微镜的不足。图 1 原子力显微镜成像原理原子力显微镜（AFM）与扫描隧道显微镜（STM）最大的差别在于并非利用电子隧穿效应，而是检测原子之间的接触，

23、原子键合，范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品的表面特性。二 原子力显微镜的工作模式1接触式原子力显微镜接触式AFM是一个排斥性的模式，探针尖端和样品做柔软性的“实际接触”，当针尖轻轻扫过样品表面时，接触的力量引起悬臂弯曲，进而得到样品的表面图形。由于是接触式扫描，在接触样品时可能会是样品表面弯曲。经过多次扫描后，针尖或者样品有钝化现象。通常情况下，接触模式都可以产生稳定的、分辨率高的图像。但是这种模式不适用于研究生物大分子、低弹性模量样品以及容易移动和变形的样品。2非接触式原子力显微镜在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探测器检测的是范德华作用力和静电力等对成像样品

24、没有破坏的长程作用力。需要使用较坚硬的悬臂（防止与样品接触）。所得到的信号更小，需要更灵敏的装置，这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低。由于为非接触状态，对于研究柔软或有弹性的样品较佳，而且针尖或者样品表面不会有钝化效应，不过会有误判现象。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。3间歇接触式原子力显微镜微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻的敲击表面，间断地和样品接触。当针尖与样品不接触时，微悬臂以最大振幅自由振荡。当针尖与样品表面接触时，尽管压电陶瓷片以同样的能量激发微悬臂振荡，但是空间阻

25、碍作用使得微悬臂的振幅减小。反馈系统控制微悬臂的振幅恒定，针尖就跟随表面的起伏上下移动获得形貌信息。类似非接触式AFM，比非接触式更靠近样品表面，损害样品的可能性比接触式少（不用侧面力，摩擦或者拖拽）；轻敲模式的分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，通常为1pN-1nN，剪切力引起的分辨率的降低和对样品的破坏几乎消失，所以适用于对生物大分子、聚合物等软样品进行成像研究。三 原子力显微镜的特点（1）与传统的电子显微镜，特别是扫描电子显微镜相比，具有非常高的横向分辨率和纵向分辨率。横向分辨率可达到0.10.2nm，纵向分辨率高达0.01nm；（2）原子力显微

26、镜具有很宽的工作范围，可以在诸如真空、空气、高温、常温、低温以及液体环境下扫描成像；（3）样品制备简单。原子力显微镜所观察的标本不需要包埋、覆盖、染色等处理，可以直接观察；（4）非破坏性，远比以往触针式粗糙度仪压力小，不会损伤样品，不存在扫描电子显微镜的电子束损伤问题。 （5）应用范围广，可用于表面观察、尺寸测定、表面粗糙测定、颗粒度解析、突起与凹坑的统计处理、层间绝缘膜的平整度评价、定向薄膜的摩擦处理过程的评价、缺陷分析等； （6）软件处理功能强，三维图象显示其大小、视角、显示色、光泽可以自由设；（7）并可选用网络、等高线、线条显示。图象处理的宏管理，断面的形状与粗糙度解析，形貌解析等多种功

27、能。四 原子力显微镜应用由于AFM可以在大气、真空、低温和高温、不同气氛以及溶液等各种环境下工作，且不受样品导电性质的限制，因此已获得比STM更为广泛的应用。主要用途：（1）导体、半导体和绝缘体表面的高分辨成像（2）生物样品、有机膜的高分辨成像（3）表面化学反应研究（4）纳米加工与操纵（5）超高密度信息存储（6）分子间力和表面力研究（7）摩擦学及各种力学研究（8）在线检测和质量控制3材料显微分析实践读书报告离子/电子双束系统的工作原理与实践姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX离子/电子双束系统的工作原理与实践聚焦离子束（FIB）的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微加工仪器。通过荷

28、能离子轰击材料表面，实现材料的剥离、沉积、注入和改性。目前商用系统的离子束为液相金属离子源（LMIS）。现代先进FIB系统为双束，即（离子束+电子束）FIB+SEM的系统，在SEM微观成像实时观察下，用离子束进行微加工。一 离子源离子源是聚焦离子束系统的心脏，依据发展过程分为：双等离子体离子源、液态金属离子源、气态场发射离子源。真正的聚焦离子束始于液态金属离子源的出现，液态金属离子源产生的离子具有高亮度、极小的源尺寸等系列优点一系列优点，使之成为目前所有聚焦离子束系统的离子源。液态金属离子源是利用液态金属在强电场作用下产生场致离子发射所形成的离子源。液态金属离子源的基本结构如图1所示。已有用G

29、a、In、Al等金属作为发射材料的单质液态离子源，也有包含高熔点的Be、B、Si高液态蒸汽压的P、Zn、As等掺杂元素的共晶合金液态离子源。由于镓元素具有低熔点、低蒸汽压以及良好的抗氧化力，因而液态金属离子源中的金属材料多为镓。图 1 液态金属离子源结构示意图二 工作原理（1）在离子柱顶端外加电场（Suppressor）于液态金属离子源，可使液态金属形成细小尖端，再加上负电场（Extractor）牵引尖端的金属，从而导出离子束。（2）然后通过静电透镜聚焦，经过一连串可变化孔径（Automatic Variable Aperture，AVA）可决定离子束的大小，而后通过八极偏转装置及物镜将离子束

30、聚焦在样品上并扫描。（3）离子束轰击样品，产生的二次电子和离子被收集并成像或利用物理碰撞来实现切割或研磨。图 2 工作原理示意图三 离子束与材料的相互作用聚焦离子束产生的正性聚焦离子束具有5-150keV的能量，其束斑直径为几纳米到几微米，束流为几皮安到几十纳安。 这样的离子束入射到固体材料表面时，离子与固体材料的原子核和电子相互作用，可产生各种物理化学现象，如图3。图 3 离子与材料相互作用示意图（1）入射离子注入入射离子在与材料中的电子和原子的不断碰撞中，逐渐丧失能量并被固体材料中的电子所中和，最后镶嵌到固体材料中。镶嵌到固体材料中的原子改变了固体材料的性质，这种现象叫注入。（2）入射离子

31、引起的反弹注入入射离子把能量和动量传递给固体表面或表层原子，是后者进入表层或表层深处。（3）入射离子背散射入射离子通过与固体材料中的原子发生弹性碰撞，被反射出来，称作背散射离子。某些离子也可能经历定一定的能量损失。（4）二次离子发射在入射离子轰击下，固体表面的原子、分子、分子碎片、分子团以正离子或负离子的形式发射出来，这些二次离子可直接引入质谱仪，对被轰击表面成分进行分析。（5）二次电子、光子发射入射离子轰击固体材料表面，与表面层的发生非 原子发生非弹性碰撞，入射离子的一部分能量转移到被撞原子上，产生二次电子、X射线等，同时材料中的原子被激发、电离产生可见光、紫外光、红外光等。（6）材料溅射在

32、入射离子在与固体材料中原子发生碰撞时，将能量传递给固体材料中的原子，如果传递的能量足以使原子从固体材料表面分离出去，该原子就被弹射出材料表面，形成中性原子溅射。被溅射还有分子、分子碎片、分子团。（7）辐射损伤指入射离子轰击表层材料造成的材料晶格损失或晶态转化。（8）化学变化由于入射离子与固体材料中的原子核和电子的作用，造成材料组分变化或化学键变化。离子曝光就是利用了这种化学变化。（9）材料加热。具有高能量的离子轰击固体表面使材料加热，热量自离子入射点向周围扩散。四 应用1 离子注入入射离子在与材料中的电子和原子的不断碰撞中逐渐丧失能量，并与材料中的电子结合形成原子，镶嵌到固体材料中，从而改变固

33、体材料的性能。主要应用于半导体器件的掺杂和材料的改性。FIB离子注入优点：无需掩模和感光胶层，简化工艺，减少污染，提高器件的可靠性和成品率；对离子种类、电荷、能量等进行精确控制；FIB离子注入与分子束外延结合，可以实现三维掺杂结构器件制作。FIB离子注入缺点：FIB离子注入生产率低；离子源长为合金源，稳定性差；FIB离子注入系统结构复杂，其运行和工艺操作相对难。2离子溅射聚焦离子束轰击材料表面，能够将固体材料的原子溅射出表面，是FIB最重要的应用，应用于微细铣削和高精度表面刻蚀加工。应用的领域如FIB辅助气体刻蚀、集成电路器件剖面制作、TEM试样制备等。五 TEM试样制备（1）铣削阶梯法：在观

34、察区两侧铣削出两个方向相反的阶梯槽，中间留出极薄的TEM试样。在工件上首先刻蚀出定位标记，然后用离子束扫描定位标记来确定铣削区域，可以是自动或手动完成（如图4）。图 4铣削阶梯法（2）削薄法：首先用机械切割和研磨等方法将试样做到50-100微米的厚度，然后在试样上用FIB沉积一层Pt作为保护层，最后用FIB将两侧的材料铣削掉（图5）。图 6 削薄法4材料显微分析实践读书报告电镜样品制备实践姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX电镜样品制备实践TEM应用的深度和广度一定程度上取决于试样制备技术。能否充分发挥电镜的作用，样品的制备是关键，必须根据不同仪器的要求和试样的特征选择适当的制备方法。电子束

35、穿透固体样品的能力，主要取决于电压V和样品物质的原子序数Z。一般V越高， Z越低，电子束可以穿透的样品厚度越大。TEM样品制样要求：对于TEM常用的50200kV电子束，样品厚度控制在100200nm，样品经铜网承载，装入样品台，放入样品室进行观察；制样过程要防止污染和改变样品的性质， 如机械损伤或热损伤等；根据观察的目的和样品的性质，确定制样方法。合乎要求的薄膜样品必须具备以下条件：样品组织与大块样品相同，在制备过程中不能发生组织结构改变；样品要对电子束有足够的透明度；样品要有一定的强度和刚度，保证在制备和操作过程中不会因机械力而发生变形和损伤；不允许发生氧化和腐蚀。一 减薄方法和原理1 双

36、喷电解抛光法只适用于金属导体，对于不导电的样品无能为力。一般从大块材料制备金属薄膜药品可以分为三个过程：（1）从大块样品上切割厚度为0.3-0.5m的薄片，可以用电火花切割。（2）样品薄片的预先减薄。样品预先减薄的方法可以分为机械法和化学法。机械减薄法是通过手工磨制完成，注意磨制过程中要用力轻，并且要加冷水使之充分冷却，防止发生结构改变。硬度较硬的材料可以减薄到70m，较软的不能低于100m。化学法是用化学试剂腐蚀样品表面减薄，优点是没有机械硬化层，速度很快，薄化的样品可以控制在20-50m。图 1 双喷点解抛光减薄装置示意图（3）最终减薄。先将预减薄样品剪成3mm的圆片，装入加持器械中，利用

37、电解双喷抛光法减薄。如图1是双喷电解减薄装置示意图。进行减薄时，针对样品两个表面的中心部位各有一个点解液喷嘴。从喷嘴中喷出的液柱和阴极相连，样品与阳极相连。电解液通过一个耐酸泵来循环。在两个喷嘴的轴线上还装有一对光导纤维，其中一个光导纤维与光源相连，另一个则和光敏元件相连。如果样品经抛光后中心出现小孔，光敏元件输出的电信号就可以将抛光电源切断。用这样的方法制成的薄膜样品，中心孔附近有一个相当大的薄区，可以被电子穿透。双喷点解抛光法工艺规范十分简单，而且简单可靠，已成为应用最广泛的最终减薄法。2 离子减薄对于不导电的陶瓷薄膜样品，可以采用如下工艺。首先采用金刚石刃内圆切割机切片，在进行机械研磨，

38、最后采用离子减薄。如图2是离子减薄示意图。离子减薄是采用离子束在样品的两侧以一定的倾角（5°-30°）轰击样品，使之减薄。由于陶瓷样品硬度高，耐腐蚀，因此，离子减薄的时间长。目前出现了一种挖掘机，机械研磨后的样品，先挖坑，使中心区厚度进一步减薄。经挖坑后的样品，离子减薄的时间可大大缩短。图 2 离子减薄示意图二 双喷减薄仪实践双喷减薄仪的操作流程（1）配置样品双喷液，一般钢铁样品为9%高氯酸+酒精。 （2）连接设备电源，并打开开关。将双喷液倒入溶池内，并加入液氮将双喷液温度降低至-20-30。（3）将样品装入样品夹中，并放入卡槽内。选择与双喷模式，测定样品双喷电压

39、。（4）点击开始按钮，开始双喷，钢铁样品一般在2分钟内完成。（5）听到实验结束的提示音后，迅速取出样品夹内的样品，放入纯酒精内清洗，取出后放在滤纸上晾干。（6）实验结束后用清水清洗设备，并切断电源。注意：当双喷液的温度稳定后再开始实验。双喷后的样品要在酒精中轻轻晃动清洗，避免将薄区清洗掉。2材料显微分析实践读书报告X射线荧光光谱仪成分分析原理及数据处理姓名：XX学号：XXXXXXXXXXXX射线荧光光谱仪成分分析原理及数据处理X射线是一种电磁辐射，其波长介于紫外线和射线之间（0.001-50nm）。1923年赫维西提出了应用X射线荧光光谱进行定量分析，但由于受到当时探测技术水平的限制，该法并未

40、得到实际应用，直到20世纪40年代后期，随着X射线管、分光技术和半导体探测器技术的改进，X荧光分析才开始进入蓬勃发展的时期，成为一种极为重要的分析手段。一 X射线荧光光谱仪成分分析基本理论1 荧光效应当一束高能粒子与原子相互作用时，如果其能量大于或等于原子某一轨道电子的结合能，将该轨道电子逐出，对应的形成一个空穴，使原子处于激发状态。K层电子被击出称为K激发态，同样L层电子被击出称为L激发态。由于激发态不稳定，外层电子向空穴跃迁使原子恢复到平衡态，以降低原子能级。当较外层的电子跃迁至内层空穴所释放的能量以辐射的形式放出，便产生了X荧光。X荧光的能量与入射的能量无关，它只等于原子两能级之间的能量

41、差。由于能量差完全由该元素原子的壳层电子能级决定，故称之为该元素的特征X射线，也称荧光X射线或X荧光。2 莫塞莱定律高能量粒子与原子碰撞，将内层电子逐出，产生空穴, 此空穴由外层电子跃入，同时释放出能量，就产生具有特征波长的特征X射线，其能量与波长关系服从光谱跃迁公式：K=hc/(En-Ek)。莫斯莱(Moseley)详细研究了不同元素的特征X射线谱，依据实验结果确立了原子序数Z与X射线波长之间的关系，这就是莫斯莱定律：（1/）1/2=K（Z-S）。定性分析：不同的元素具有不同的特征X射线，根据特征谱线的波长，可以判断元素的存在；定量分析：根据不同的特征X射线的强度，定量分析。3 布拉格定律X

42、射线荧光分析中利用晶体对X射线分光，分光晶体起光栅的作用。晶体分光X射线衍射的条件就是布拉格方程：2dsin=n。将已知波长为的X射线荧光入射到晶面间距为d的晶体上，只要测出角度，就知道，再按莫斯莱公式便可确定被测元素。4比尔-朗伯定律当X射线穿过物质时，由于物质产生光电效应、康普顿效应及热效应等，X射线强度会衰减，表现为改变能量或者改变运动方向，从而使向入射X射线方向运动的相同能量X射线光子数目减少，这个过程称作吸收。对于X射线荧光分析技术来说，原级射线传入样品的过程中要发生衰减，样品被激发后产生的荧光X射线在传出样品的过程中也要发生衰减，由于质量吸收系数的不同，使得元素强度并不是严格的与元

43、素浓度成正比关系，而是存在一定程度的偏差。因而需要对此效应进行校正，才能准确的进行定量分析。比尔-朗伯定律是反应样品吸收状况的定律，涉及到理论X射线荧光相对强度的计算问题。二 X射线荧光光谱仪成分分析原理试样受X射线照射后，其中各元素原子的内壳层（K，L或M层）电子被激发逐出原子而引起电子跃迁，并发射出该元素的特征X射线荧光，每一种元素都有其特定波长的特征X射线。1 X射线荧光光谱定性分析通过测定试样中特征X射线的波长，便可确定存在何种元素。2 X射线荧光光谱定量分析元素特征X射线的强度与该元素在试样中的原子数量（即含量）成比例，因此，通过测量试样中某元素特征X射线的强度，采用适当的方法进行校

44、准与校正，便可求出该元素在试样中的百分含量。三 仪器构造与原理用X射线照射试样时，试样可以被激发出各种波长的荧光X射线，需要把混合的X射线按波长（或能量）分开，分别测量不同波长（或能量）的X射线的强度，以进行定性和定量分析，为此使用的仪器叫X射线荧光光谱仪。X射线荧光光谱仪按照检测特征X射线的方式可以分为两种：波长色散型（WD-XRF）和能量色散型（ED-XRF)，其结构图如图1 a和b。图 1 不同X射线荧光光谱仪结构图四 X射线荧光光谱（1）分析元素范围广：BeU；（2）测量元素含量范围宽：0.000x%100%；（3）分析试样物理状态不做要求，固体、粉末、晶体、非晶体均可；（4）不受元素

45、的化学状态的影响；（5）属于物理过程的非破坏性分析，试样不发生化学变化的无损分析；（6）可以进行均匀试样的表面分析。3材料显微分析实践读书报告能谱仪的工作原理及基本操作姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX能谱仪的工作原理及基本操作电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是X射线谱仪，专门用来检测X射线的特征波长或特征能量，以此来对微

46、区的化学成分进行分析。常用的X射线谱仪有两种：波谱仪（WDS），利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对不同波长X射线分别检测的波长色散谱仪；能谱仪（EDS），利用特征X射线能量不同来展谱的能量色散谱仪。一 能谱仪工作原理图 1 锂漂移硅检测器能谱仪的框架图EDS是利用不同元素X射线光子特征能量不同特点进行成分分析。图1是采用锂漂移硅检测器能谱仪的框架图。X射线光电子由锂漂移硅Si(Li)检测器收集，当光电子进入检测器后，在Si(Li)晶体内激发出一定数量的电子-空穴对。产生一个电子-空穴对的能量是一定的，因此由一个X射线光电子造成的电子-空穴对的数目N=E/。入射X射线光子的能量越高，N越大。

47、利用加在晶体两端的偏压收集电子-空穴对，经前置放大器转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲的高度经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行计数，这样就可以描绘出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。二 能谱仪成分分析的特点1 能谱仪的优点（1） 能谱仪探测X射线的效率高；（2） 能谱仪可在同一时间对分析点内所有的元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内就可以得到定性分析结果；（3） 能谱仪没有机械传动部分，稳定性和重复性很好。2 能谱仪的缺点（1）能谱仪的能量分辨率比较低，能谱仪给出的波峰比较宽，容易重叠；（2）能谱仪中因Si(Li

48、)检测器铍窗口限制了超轻元素X射线的检测，目前可以分析原子序数大于5（B）的元素；（3）能谱仪的探头必须保持低温，需要用液氮冷却。三 分析方法1 定性分析（1）定点分析定点定性分析是对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定该点区域内存在的元素。原理是使聚焦电子束照射在该点上，激发试样元素的特征X射线，用谱仪探测并显示X射线谱，根据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在的元素。X射线能谱定性分析与定量分析相比，虽然比较简单、直观，但也必须遵循一定的分析方法，能使分析结果正确可靠。一般来说，对于试样中的主要元素（例如含量10）的鉴别是容易做到正确可靠的；但对于试样中次要元素（例

49、如含量在0.5-10）或微量元素（例如含量0.5）的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线的多重性等问题，否则会产生错误。（2）线分析使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线（穿越粒子或界面）进行慢扫描，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态。显像管射线束的横向扫描与电子束在试样上的扫描同步，用谱仪探测到的X射线信号强度（计数率）调制显像管射线束的纵向位置就可以得到反映该元素含量变化的特征X射线强度沿试样扫描线的分布。线扫描分析对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫化是十分有效的。在垂直于扩散界面的方向上进行线扫描，可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲线，若以微米级逐点分析，即可相当精确地测定扩散

50、系数和激活能。（3）面分析聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描，X射线谱仪处于能探测某一元素特征X射线状态，用谱仪输出的脉冲信号（用波谱仪时为经放大的脉冲信号，用能谱仪时，为多道分析器的相应于该元素X射线能量通道输出的信号）调制同步扫描的显像管亮度，在荧光屏上得到由许多亮点组成的图像，称为X射线扫描像或元素面分布图像。试样每产生一个X光子，探测器输出一个脉冲，显像管荧光屏上就产生一个亮点。若试样上某区域该元素含量多，荧光屏图像上相应区域的亮点就密集。根据图像上亮点的疏密和分布，可确定该元素在试样中分布情况。2 定量分析在稳定的电子束照射下，由谱仪得到的X射线谱在扣除了背景计数率之后，各元素的同类特

51、征谱线（通常均采用K线）的强度值应与它们的浓度相对应。然而，由谱线强度的直接对比只能对元素的相对含量作出粗略的估计，即使通过强度的归一化求得的浓度值，最多也只能是种半定量分析结果，其误差是相当大的。产生这种误差的原因是：谱线强度除与元素含量有关外，还与试样的化学成分有关，通常称为“基体效应”，谱仪对不同波长（或能量）随X射线探测的效率有所不同。如何消除这些误差，这就是定量分析所要解决的问题。3材料显微分析实践读书报告电子探针结构原理及基本操作姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX电子探针结构原理及基本操作电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA）是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。电子探针镜筒部分的结构大体上和扫描电子显微镜相同，只是在检测器部分使用的是X射线谱仪，专门用来检测X射线的特征波长或特征能量，以此来对