电子显微分析PPT课件

1、 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。 方法： 1、透射电镜（TEM） 2、扫描电镜（SEM） 3、电子探针（EMPA）第1页/共128页光学显微镜光学显微镜 优点：优点： 简单，直观。简单，直观。 局限性：分辨本领低（局限性：分辨本领低（0.2微米）；只能观察表微米）；只能观察表面形貌；不能做微区成分分析。面形貌；不能做微区成分分析。化学分析化学分析 优点：优点： 简单，简单， 方便。方便。 局限性：只能给出试样的平均成分，不能给出所局限性：只能给出试样的平均成分，不能给出所含元素随位置的分布；不能观察象含元素随位置的分

2、布；不能观察象 。 X射线衍射射线衍射:优点：精度高；分析样品的最小区域优点：精度高；分析样品的最小区域mm数量级；数量级；局限性：平均效应；无法把形貌观察与晶体结构分局限性：平均效应；无法把形貌观察与晶体结构分析结合起来析结合起来 。 第2页/共128页v电子显微分析特点：电子显微分析特点：v 1、不破坏样品，直接用陶瓷等多晶材料。、不破坏样品，直接用陶瓷等多晶材料。v 2、是一种微区分析方法，了解成分、是一种微区分析方法，了解成分-结构结构的微区变化。的微区变化。v 3、灵敏度高，成像分辨率高，为、灵敏度高，成像分辨率高，为0.2-0.3nm，能进行，能进行nm尺度的晶体结构及化学组尺度的

3、晶体结构及化学组成分析。成分析。v 4、各种电子显微分析仪器日益向多功能、各种电子显微分析仪器日益向多功能、综合性发展，可以进行形貌、物相、晶体结综合性发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析。构和化学组成等的综合分析。第3页/共128页 第一节第一节 电子光学基础电子光学基础 一、光学显微镜的分辨率一、光学显微镜的分辨率 雷列雷列阿贝公式：阿贝公式： r=0.61/nsin 式中：式中：r分辨本领（分辨本领（nm） 照明源的波长（照明源的波长（nm） n透镜上下方介质的折射率透镜上下方介质的折射率 透镜孔径半角（度）透镜孔径半角（度） nsin数值孔径，用数值孔径，用NA表示

4、表示 v由上式可知，减小由上式可知，减小r值的途径有：值的途径有：v 1、增加介质的折射率；、增加介质的折射率；v 2 2、增大物镜孔径半角；、增大物镜孔径半角；v 3 3、采用短波长的照明源。、采用短波长的照明源。第4页/共128页 二、电子波的波长二、电子波的波长 德布罗意的波粒二象性关系式德布罗意的波粒二象性关系式 ： E=hE=h, , P=h/ P=h/ 可得可得 =h/P=h/mv=h/P=h/mv 带入数值可得带入数值可得 电子波长为电子波长为=12.25/V=12.25/V （）第5页/共128页 三、电子透镜三、电子透镜 在电子显微分析中使电子束发生偏转、聚焦的在电子显微分析

5、中使电子束发生偏转、聚焦的装置。装置。 按工作原理分：按工作原理分： （1 1）静电透镜：一定形状的等电位曲面簇也可使电子）静电透镜：一定形状的等电位曲面簇也可使电子束聚焦成像。产生这种旋转对称等电位曲面簇的电极装束聚焦成像。产生这种旋转对称等电位曲面簇的电极装置即为静电透镜。置即为静电透镜。 （2 2）电磁透镜：旋转对称的电磁场使电子束聚焦。产）电磁透镜：旋转对称的电磁场使电子束聚焦。产生这种旋转对称磁场的线圈装置叫生这种旋转对称磁场的线圈装置叫电磁透镜电磁透镜。 （3 3）TEMTEM、SEMSEM：多个电磁透镜的组合。：多个电磁透镜的组合。 电磁透镜是一种可变焦距或可变倍率的会聚透镜。电

6、磁透镜是一种可变焦距或可变倍率的会聚透镜。 第6页/共128页 四、影响透镜分辨率的因素：四、影响透镜分辨率的因素： 1 1、球差、球差 球差是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对球差是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同而造成的。电子束的会聚能力不同而造成的。 透镜球差图透镜球差图 第7页/共128页v2 2、色差、色差v 普通光学中不同波长的光线经过透镜时，因折射普通光学中不同波长的光线经过透镜时，因折射率不同，将在不同点上聚焦，由此引起的像差称为色率不同，将在不同点上聚焦，由此引起的像差称为色差。电镜色差是电子波长差异产生的焦点漂移。差。电镜色差是电子波长差异产生的焦点漂

7、移。v透镜色差图透镜色差图 第8页/共128页 3 3、轴上像散、轴上像散 轴上像散又可简称为像散，它是由于透轴上像散又可简称为像散，它是由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差。镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差。 透镜像散图透镜像散图 第9页/共128页 4 4、畸变、畸变 球差还会影响图象畸变。球差还会影响图象畸变。 1 1）若存在正球差，产生枕形畸变）若存在正球差，产生枕形畸变b b； 2 2）若有负球差，将产生桶形畸变）若有负球差，将产生桶形畸变c c。 3 3）由于磁透镜存在磁转角，势必伴随产生旋）由于磁透镜存在磁转角，势必伴随产生旋转畸变转畸变d d。第10页/共12

8、8页 五、电磁透镜的景深五、电磁透镜的景深 景深（场深）：景深（场深）： 透镜的景深是指在保持像清晰透镜的景深是指在保持像清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并离。换言之，在景深范围内，样品位置的变化并不影响物像的清晰度。不影响物像的清晰度。 电磁透镜的特点：分辨好、景深大。电磁透镜的特点：分辨好、景深大。第11页/共128页 第二节第二节 电子与固体物质的相互作用电子与固体物质的相互作用 电子束与物质相互作用，可以产生背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子、透射电子、白色X射线、特征X射线、X荧光。

9、 电子束与物质相互作用图 第12页/共128页弹性散射电子, 衍射电子非弹性散射电子背散射电子透射电子入射电子二次电子阴极荧光Auger电子吸收电子特征和白色X辐射；荧光X射线 EMPASEMTEM第13页/共128页 1 1、背散射电子（、背散射电子（back scattering electrons, back scattering electrons, BEBE） 电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于电子射入试样后，受到原子的弹性和非弹性散射，有一部分电子的总散射角大于9090，重新从试样表面逸出，称为背散射电子。，重新从试样表面逸出，称为背散射电子。

10、特点：特点： 1 1）能量高，大于）能量高，大于50ev50ev； 2 2）分辨率较低；）分辨率较低； 3 3）产生与）产生与Z Z有关，有关， 与形貌有关。与形貌有关。第14页/共128页 2 2、二次电子（、二次电子（secondary electrons, secondary electrons, SESE） 入射电子在试样内产生二次电子入射电子在试样内产生二次电子, ,所产生的所产生的二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，二次电子还有足够的能量继续产生二次电子，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，如此继续下去，直到最后二次电子的能量很低，不足以维持此过程为止。不足以维持此过程为

11、止。 特点：特点： 1 1）能量低，为）能量低，为2-3ev2-3ev。 2 2）仅在试样表面）仅在试样表面10nm10nm层内产生。层内产生。 3 3）对试样表面状态敏感，显示表面微区的形）对试样表面状态敏感，显示表面微区的形貌有效。貌有效。 4 4）分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。）分辨率很高，是扫描电镜的主要成像手段。 5 5）与形貌密切相关，图象的景深大、立体感）与形貌密切相关，图象的景深大、立体感强，常用于观察形貌。强，常用于观察形貌。第15页/共128页 3 3、吸收电子（、吸收电子（absorption electrons, absorption electrons, AE

12、AE） 入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，入射电子经多次非弹性散射后能量损失殆尽，不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种不再产生其他效应，一般称为被试样吸收，这种电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，电子称为吸收电子。试样厚度越大，密度越大，吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用吸收电子就越多，吸收电流就越大。它被广泛用于扫描电镜和电子探针中。于扫描电镜和电子探针中。第16页/共128页 4 4、俄歇电子（、俄歇电子（Auger electrons, Auger electrons, AuEAuE） 如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出来的如果原子内层电子能级跃迁过程中释放出

13、来的能量不是以能量不是以X X射线的形式释放，而是用该能量将核射线的形式释放，而是用该能量将核外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种外另一电子打出，脱离原子变为二次电子，这种被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。被电子激发的二次电子叫做俄歇电子。 俄歇电子仅在表面俄歇电子仅在表面1nm1nm层内产生，适用于表层内产生，适用于表面分析。面分析。第17页/共128页 5 5、透射电子（、透射电子（transmisive electrons, transmisive electrons, TETE) ) 当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入当试样厚度小于入射电子的穿透深度时，入射电子将穿透试样，从

14、另一表面射出称为透射电射电子将穿透试样，从另一表面射出称为透射电子。如果试样很薄，只有子。如果试样很薄，只有10-20nm10-20nm的厚度，透射的厚度，透射电子的主要组成部分是弹性散射电子，成像比较电子的主要组成部分是弹性散射电子，成像比较清晰，电子衍射斑点也比较明锐。清晰，电子衍射斑点也比较明锐。第18页/共128页 6 6、X X射线射线 X X射线（包括特征射线（包括特征X X射线、连续辐射和射线、连续辐射和X X光荧光荧光）信号产生的深度和广度范围较大。光）信号产生的深度和广度范围较大。 荧光荧光X X射线是特征射线是特征X X射线及连续辐射激发的射线及连续辐射激发的次级特征辐射。

15、次级特征辐射。X X射线在固体中具有强的穿透能射线在固体中具有强的穿透能力，无论是特征力，无论是特征X X射线还是连续辐射都能在试样射线还是连续辐射都能在试样内达到较大的范围。内达到较大的范围。 7、阴极荧光、阴极荧光 阴极荧光是指某些材料（半导体、磷光体和阴极荧光是指某些材料（半导体、磷光体和一些绝缘体）在高能电子束照射下发射出的可见一些绝缘体）在高能电子束照射下发射出的可见光（或红外、紫外光），光（或红外、紫外光）， 也叫阴极发光现象。也叫阴极发光现象。第19页/共128页第三节 透射电镜（TEM） 透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领，高放大

16、倍数的电子光学仪器。测试的样品要求厚度极薄（几十纳米），以便使电子束透过样品。 第20页/共128页 透射电镜示意图 一、仪器结构 透射电子显微镜由三大部分组成： 电子光学系统， 真空系统 供电控制系统。第21页/共128页 电子光学系统，又称镜筒，是电子显微镜的主体。 1、电子枪 2、聚光镜 3、物镜、中间镜和投影镜 4、消像散 5、荧光屏、照相系统 6、样品室 第22页/共128页第23页/共128页 二、成像原理 透射电子显微镜中，物镜、中间镜，总的放大倍数就是各个透镜倍率的乘积。 M = M0.Mi.Mp 式中：M0-物镜放大倍率，数值在50-100范围；Mi-中间镜放大倍率，数值在0

17、-20范围；Mp-投影镜放大倍率，数值在100-150范围，总的放大倍率M在1000-200,000倍内连续变化。 第24页/共128页第25页/共128页 三、性能与制样三、性能与制样 透射电子显微镜利用穿透样品的电子透射电子显微镜利用穿透样品的电子束成像，这就要求被观察的样品对入射电束成像，这就要求被观察的样品对入射电子束是子束是“透明透明”的。的。 对于透射电镜常用的加速电压为对于透射电镜常用的加速电压为100KV，因此适宜的样品厚度约因此适宜的样品厚度约200纳米。纳米。 目前，样品可以通过两种方法获得，目前，样品可以通过两种方法获得，一是表面复型技术，二是样品减薄技术。一是表面复型技

18、术，二是样品减薄技术。 第26页/共128页 1、表面复型技术、表面复型技术 所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕所谓复型技术就是把样品表面的显微组织浮雕复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做复制到一种很薄的膜上，然后把复制膜（叫做“复复型型”）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射）放到透射电镜中去观察分析，这样才使透射电镜应用于显示材料的显微组织。复型膜必须满足电镜应用于显示材料的显微组织。复型膜必须满足以下特点：以下特点： 1）本身是）本身是“非晶体的，在高倍（如十万倍）成像时，非晶体的，在高倍（如十万倍）成像时，也不显示其本身的任何结构细节。也不显示其本身的任何结构细节。 2）对

19、电子束足够透明（物质原子序数低）；）对电子束足够透明（物质原子序数低）； 3）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂）具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；或畸变； 4）具有良好的导电性，耐电子束轰击；）具有良好的导电性，耐电子束轰击； 5）是分子尺寸较小的物质）是分子尺寸较小的物质-分辨率较高。分辨率较高。 常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复常用的复型材料是塑料和真空蒸发沉积碳膜，碳复型比塑料复型要好。型比塑料复型要好。 第27页/共128页 2、样品减薄技术、样品减薄技术 复型技术只能对样品表面性貌进行复制，复型技术只能对样品表面性貌进行复制，不能揭示晶体内部组织

20、结构信息。不能揭示晶体内部组织结构信息。 样品减薄技术可以克服上述缺点，样品减薄技术可以克服上述缺点， 它的它的特点：特点： 1）可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领；）可以最有效地发挥电镜的高分辨率本领； 2）能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺）能够观察金属及其合金的内部结构和晶体缺陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研陷，并能对同一微区进行衍衬成像及电子衍射研究，把形貌信息与结构信息联系起来；究，把形貌信息与结构信息联系起来； 3）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变）能够进行动态观察，研究在变温情况下相变的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷在引力下的生核长大过程，以及位错等晶体缺陷

21、在引力下的运动与交互作用。的运动与交互作用。 第28页/共128页 用于透射电镜观察式样的要求是：它的用于透射电镜观察式样的要求是：它的上下底面应该大致平行，厚度应在上下底面应该大致平行，厚度应在50-500nm，表面清洁。制备薄膜一般有以下，表面清洁。制备薄膜一般有以下步骤：步骤： （1）切取厚度小于）切取厚度小于0.5mm的薄块。的薄块。 （2）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到）用金相砂纸研磨，把薄块减薄到0.1mm-0.05mm左右的薄片。为避免严重左右的薄片。为避免严重发热或形成应力，可采用化学抛光法。发热或形成应力，可采用化学抛光法。 第29页/共128页v（3）用电解抛光，或离子轰击法

22、进行最终减薄，）用电解抛光，或离子轰击法进行最终减薄，在孔洞边缘获得厚度小于在孔洞边缘获得厚度小于500nm的薄膜。的薄膜。 第30页/共128页生物磁铁矿晶体的完好晶形 （TEM照片）第31页/共128页沙尘暴的矿物颗粒第32页/共128页海盐气溶胶颗粒；匈牙利上空大陆大气层中收集到的煤灰/硫化物混合颗粒的TEI第33页/共128页煤灰/硫化物混合颗粒的TEM图象 第34页/共128页Sol-gel法合成羟磷灰石, 可分辨出毛发状、长柱状的晶体轮廓, 但晶面发育不明显 (TEI)第35页/共128页Somu Iijima(饭岛饭岛)于于1991年年在电子显微镜下发现纳米碳在电子显微镜下发现纳

23、米碳管，管，Nature，354 (1991) 56.第36页/共128页Bi系超导氧化物的堆积缺陷层调整Stacking faultLayer modulation第37页/共128页Electron Diffraction Pattern晶体多晶体非晶体第38页/共128页 四、电子衍射四、电子衍射 利用透射电镜进行物相形貌观察，仅是一种较为直接的应用，透射电镜还可得到另外一类图像-电子衍射图。图中每一斑点都分别代表一个晶面族，不同的电子衍射谱图又反映出不同的物质结构。 第39页/共128页 1、特点、特点 电子衍射原理和电子衍射原理和X射线衍射原理是完全一样的，射线衍射原理是完全一样的，

24、但较之其还有以下特点：但较之其还有以下特点： 1）电子衍射可与物像的形貌观察同步结合，）电子衍射可与物像的形貌观察同步结合，使人们能在高倍下选择微区进行晶体结构分使人们能在高倍下选择微区进行晶体结构分析，弄清微区的物相组成；析，弄清微区的物相组成； 2）电子波长短，使单晶电子衍射斑点大都分）电子波长短，使单晶电子衍射斑点大都分布在一二维倒易截面内，这对分析晶体结构布在一二维倒易截面内，这对分析晶体结构和位向关系带来很大方便；和位向关系带来很大方便； 3）电子衍射强度大，所需曝光时间短，摄取）电子衍射强度大，所需曝光时间短，摄取衍射花样时仅需几秒钟。衍射花样时仅需几秒钟。 第40页/共128页

25、2、单晶电子衍射 当一电子束照射在单晶体薄膜上时，透射束穿过薄膜到达感光相纸上形成中间亮斑；衍射束则偏离透射束形成有规则的衍射斑点（电子衍射图a）。 3、多晶电子衍射 多晶体由于晶粒数目极大且晶面位向在空间任意分布，倒易点阵将变成倒易球。倒易球与爱瓦尔德球相交后在相纸上的投影将成为一个个同心圆（电子衍射图b）。 第41页/共128页第42页/共128页第43页/共128页 4、选区电子衍射 （1）原理： 在中间镜上方放一孔径可变的选区光阑，把不感兴趣的区域挡掉。这时可以得到选区成像；维持样品位置和孔径光阑不变，而减弱中间镜电流转变为衍射方式操作，则此时将得到选区电子衍射结果。 换言之，经过上述

26、两步操作，我们得到了所需的选区图像及其微区电子衍射。经过对电子衍射花样的标定就可知道选区图像的物质结构将形貌信息与结构信息进行联合分析。 第44页/共128页衍射花样与晶体的几何关系 vBragg定律：2d sin=d = 晶面间距 电子波长 q = Bragg 衍射角v衍射花样投影距离：当很小 tan22sin rd=L=常数q2tanLr qqqrOGGLd第45页/共128页 （2）几何特点： 1）作Ewald球 根据布拉格方程，极小，则极小。 2） 极小，则Ewald球 极大，球面接近平面。 R=Ltg2Lsin22Lsin 可得 R/L=2sin=/d 电子衍射的基本公式： R/L=

27、/d 式中：R衍射斑点距中心的距离 电子波长，它与加速电压有关 L镜筒长度，为定值 第46页/共128页v设：K=L为相机常数，则 R=K/d=Kr* v可知 1、R与r*有关，与r*的值成正比；v 2、衍射斑点为倒易点的投影可以证明，电子衍射结果是晶体倒易点阵投影的直观反映，对它们进行标定（指标化），可得到倒易点阵空间分布状态第47页/共128页第48页/共128页例1 下图为某物质的电子衍射花样 ，试指标化并求其晶胞参数和晶带方向。 rA7.1mm, rB10.0mm, rC=12.3mm, (rArB）90o, (rArC）55o , L14.1mm .B112C112A11000211

28、0112112002000第49页/共128页解1：1 从6:4:2:321222NNNrrrCBA可知为等轴体心结构。思考： 为何用ra2之比？它与sin 的关系如何？2 从 rd=L, 可得 dA=1.99 ，dB=1.41 , dC=1.15 .3 查 ASTM 卡片， 该物质为 Fe. 从 ASTM 可知 dA=110, dB=200, dC=211. 选 A= , B=002, C= 211B112C112A110002110112112002000011第50页/共128页4检查夹角：007 .54, 31cos,90, 0cosACACABAB 与测量值一致。5对各衍射点指标化如

29、下 。6 a= 2dB=2.83 , 7可得到 uvw=220. 晶带轴为 uvw=110。B112C112A110002110112112002000第51页/共128页解21由可知为等轴体心结构。 2 因为 N=2在A， 所以 A 为 110, 并假定点 A 为 011因为 N=4在B， 所以 B 为 200,并假定点 B 为 200 6:4:2:321222NNNrrrCBA第52页/共128页3计算夹角：0222222212121212121452242000121coslkhlkhl lkkhhAB与测量值不一致。测量值(rArB）90o4 假定B 为 002,与测量值一致。 所以

30、A= and B=002011由矢量合成法， 得知：211002011BAcrrr5算出 (rArC)=57.74o 与测量值一致（ 55o）.第53页/共128页6对各衍射点指标化如下 。7 a= 2dB=2.83 , 8 Find uvw= =11021ggB112C112A110002110112112002000第54页/共128页例例2 2下图为某物质（ CaO）的两个方向的电子衍射花样 ，试指标化并求其晶胞参数和晶带方向。 L=800mm, V=100KV, R 列在下表。 解：K=L=800*1.225/100,0001/2=2.961mm nm. R(mm)d = K / R(

31、nm)Q=1/d2Qi/Q1*3Take integerHklA10.690.27713.0313111A12.330.24017.361.334200B17.430.17034.682.668220B20.410.14547.563.6511311C20.410.14547.563.6511311第55页/共128页第56页/共128页Sin2=2/4d2Sin2i/sin21=1/di2/1/d12, Qi=1/di2假定 A 为 111, BA=90,假定B为 220, 由下式求得cos=(h1h2+k1k2+l1l2)/(h12+k12+l12)(h22+k22+l22)1/2=25.

32、26, 显然 B 不是 220, 试验结果： 202, 20-2, 等， 发现为 02-2.类似， A=002, B=1-31.晶带轴-211 左310 右。a= 2 A =0.48nm。第57页/共128页例例3 3TiC两个方向的电子衍射花样 如下, RA=22mm, RB=19.05mm, RC=31.11mm, K=2.910mm nm.试指标化并求其晶胞参数和晶带方向。 AB=55Cubic faced, a=0.1325*2=0.265nm. zone is 110. RdQQi/Q13hklh k l realA22.000.132557.01.3294200002B19.050

33、.152742.9131111-11C31.110.0935114.32.66482202-20第58页/共128页第59页/共128页v第四节 扫描电镜v 由于透射电镜是TE进行成像的，这就要求样品的厚度必须保证在电子束可穿透的尺寸范围内。为此需要通过各种较为繁琐的样品制备手段将大尺寸样品转变到透射电镜可以接受的程度。能否直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像，成为科学家追求的目标。经过努力，这种想法已成为现实-扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy, SEM)。第60页/共128页第61页/共128页JSM-6301F场发射枪扫描电镜第62页/共1

34、28页SEM image (beetle)第63页/共128页扫描电镜（SEM）食盐的融化和结晶6.7mbar(dry)17mbar16.9mbar16.6mbar6mbar(dry)水蒸汽环境Danilatos, G.D. (1986) Environmental scanning electron microscopy in colour. J. Microsc. 142:317-325.第64页/共128页 扫描电镜的优点是， 1 有较高的放大倍数，20-20万倍之间连续可调； 2有很大的景深，视野大，成像富有立体感，可直接观察各种试样凹凸不平表面的细微结构； 3试样制备简单； 4可同时

35、进行显微形貌观察和微区成分分析。第65页/共128页 一、基本原理 1 阴极电子经聚焦后成为直径为50um的点光源， 并会聚成孔径角较小，束斑为5-10u m的电子束，在试样表面聚焦。 2 在末级透镜上边的扫描线圈作用下，电子束在试样表面扫描。 3 高能电子束与样品物质相互作用产生SE，BE，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收而成像。 换言之，扫描电镜是采用类似电视机原理的逐点成像的图像分解法进行的。这种扫描方式叫做光栅扫描。 第66页/共128页 二、主要结构 1 、电子光学系统 电子枪：作用是利用阴极与阳极灯丝间的高压产生高能量的电子束。目前大多数扫描电镜采用热阴极电子枪。 电磁

36、透镜：作用主要是把电子枪的束斑逐渐缩小，是原来直径约为5un m的束斑缩小成一个只有数um的细小束斑。 扫描线圈 ：作用是提供入射电子束在样品表面上和荧光屏上的同步扫描信号。 样品室 ：样品台能进行三维空间的移动、倾斜和转动，并安置各种型号检测器。第67页/共128页 2、 信号检测放大系统 作用是检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。 3 、真空系统和电源系统 作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度。 电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需稳定电源 。第68页/共128页Secondary

37、electron detector第69页/共128页Specimen chamber第70页/共128页 三、主要性能 1、 放大倍数 由于扫描电镜的荧光屏尺寸是固定不变的，因此，放大倍率的变化是通过改变电子束在试样表面的扫描幅度来实现的。 如果减少扫描线圈的电流，电子束在试样上的扫描幅度将减小，放大倍数将增大。调整十分方便，可从20倍连续调节到20万倍左右。 第71页/共128页 2、 分辨率 分辨率是扫描电镜的主要性能指标。对微区成分分析而言，它是指能分析的最小区域；对成像而言，它是指能分辨两点之间的最小距离；分辨率大小由入射电子束直径和调制信号类型共同决定：电子束直径越小，分辨率越高。

38、用于成像的物理信号不同，分辨率不同。 例如SE和BE电子，在样品表面的发射范围也不同，其分辨率不同。一般SE的分辨率约为5-10nm，BE的分辨率约为50-200nm。 第72页/共128页 3、景深 景深是指一个透镜对高低不平的试样各部位能同时聚焦成像的一个能力范围。 扫描电镜的末级透镜采用小孔径角，长焦距，所以可以获得很大的景深，它比一般光学显微镜景深大100-500倍，比透射电镜的景深大10 倍。 景深大，立体感强，形态逼真是SEM的突出特点。第73页/共128页第74页/共128页 四、扫描电子显微镜的几种电子像1、二次电子（SE）像 1）SE产额 与形貌、 原子序数、加速电压有关。

39、2）SE像衬度 电子像的明暗程度取决于接收电子束的强弱，当两个区域中的电子强度不同时将出现图像的明暗差异，这种差异就是衬度。 影响衬度的因素有表面凹凸引起的形貌衬度和原子序数差别引起的成分衬度，电位差引起的电压衬度。由于二次电子对原子序数的变化不敏感，均匀性材料的电位差别不大，主导因素是形貌衬度。 第75页/共128页2 2、背射电子（BEBE）像 同样有形貌衬度和成分衬度。 1） 形貌衬度 用BE进行形貌分析时，其分辨率远比SE低。（因为BE来自一个较大的作用体积且能量较高）2） 成分衬度 BE信号随原子序数Z的变化比SE的显著的多，因此，可以进行定性分析。 样品中重元素区域在图像上是亮区，

40、而轻元素在图像上是暗区。第76页/共128页 3 3、吸收电子（AEAE）像 吸收电子也是对样品中原子序数敏感的一种物理信号。 由入射电子束于样品的相互作用可知： iI =iB+iA+iS +iT 式中，iI 是入射电子流，iB，iT，iS，iA分别代表BE，TE，SE和AE。 iT为零， iS与原子序数（Z20时）无关（可设iS=C），所以AE与BE反相关。第77页/共128页生物ZnS圆球状晶体 第78页/共128页氟-羟磷灰石的完好晶形。（Vulcano，Italy, SEI)SEI)第79页/共128页氟-羟磷灰石由六方柱为主组成的完好晶形，晶体端面上可见熔蚀坑 （Vulcano，It

41、aly, SEI)SEI)第80页/共128页氟磷灰石六方短柱状晶体, 阶梯状晶面生长纹清晰，( (Pitigliano Italy Italy， SEI)第81页/共128页拉长状生物二氧化硅（SEM照片 SE像） 第82页/共128页水热法合成羟磷灰石的晶体,完好的晶面清晰可见 第83页/共128页morphology第84页/共128页第85页/共128页第五节 电子探针(Electron Micro-probe Analysis, EMPA or EPMA) 一、基本原理 电子探针是指用聚焦很细的电子束照射要检测的样品表面，用X射线分光谱仪测量其产生的特征X射线的波长和强度。由于电子束

42、照射面积很小，因而相应的X射线特征谱线将反映出该微小区域内的元素种类及其含量。显然，如果将电子放大成像与X射线衍射分析结合起来，就能将所测微区的形状和物相分析对应起来(微区成分分析)，这是电子探针的最大优点。 第86页/共128页二 、仪器构造 电子探针主要由电子光学系统（镜筒），X射线谱仪和信息记录显示系统组成。电子探针和扫描电镜在电子光学系统的构造基本相同，它们常常组合成单一的仪器。 第87页/共128页1、 电子光学系统 为了提高X射线的信号强度，电子探针必须采用较扫描电镜更高的入射电子束流，常用的加速电压为10-30 KV，束斑直径约为0.5m。 电子探针在镜筒部分加装光学显微镜，以选

43、择和确定分析点 。第88页/共128页2、 X射线谱仪 电子束轰击样品表面将产生特征X射线，不同的元素有不同的X射线特征波长和能量。通过鉴别其特征波长或特征能量就可以确定所分析的元素。利用特征波长来确定元素的仪器叫做波长色散谱仪（波谱仪WDS），利用特征能量的就称为能量色散谱仪（能谱仪EDS）。 第89页/共128页X-ray spectrometer第90页/共128页 （1）波谱仪WDS 设想有一种晶面间距为d的特定晶体（我们称为分光晶体），当不同特征波长的X射线照射其上时，如果满足布拉格条件（2dsin=）将产生衍射。显然，对于任意一个给定的入射角仅有一个确定的波长满足衍射条件。这样我们

44、可以事先建立一系列角与相应元素的对应关系，当某个由电子束激发的X特征射线照射到分光晶体上时，我们可在与入射方向交成2角的相应方向上接收到该波长的X射线信号，同时也就测出了对应的化学元素。只要令探测器连续进行2角的扫描，即可在整个元素范围内实现连续测量。 第91页/共128页第92页/共128页第93页/共128页（2 2）能谱仪EDS 来自样品的X光子通过铍窗口进入锂漂移硅固态检测器。每个X光子能量被硅晶体吸收将在晶体内产生电子空穴对。不同能量的X光子将产生不同的电子空穴对数。知道了电子空穴对数就可以求出相应的X光子能量（特征X-RAY=成分）以及在固定电容（1F）上的电压脉冲高低（含量）。

45、第94页/共128页 (3)(3)波谱仪WDSWDS与能谱仪EDSEDS的性能比较 1检测效率 EDS中探测器对X射线发射源所张的立体角显著大于波谱仪，可以接受到更多的X射线；因此检测效率较高。 2 空间分析能力 EDS可在较小的电子束流下工作，使束斑直径减小，空间分析能力提高。EDS的最小微区已经达到毫微米的数量级，而WDS的空间分辨率仅处于微米数量级。 3 能量分辨本领 EDS的最佳能量分辨本领为149eV，WDS的能量分辨本领为0.5nm，相当于5-10eV，可见WDS的成分分辨本领高。 第95页/共128页4 分析速度 EDS可在同一时间内对分析点内的所有X射线光子的能量进行检测和计数

46、，仅需几分钟时间可得到全谱定性分析结果；而WDS只能逐个测定每一元素的特征波长，一次全分析往往需要几个小时。 5 分析元素的范围 WDS可以测量铍(Be)-铀(U)之间的所有元素，而EDS中Si(Li)检测器的铍窗口吸收超轻元素的X射线，只能分析Na以上的元素。 6 可靠性 EDS结构简单，数据的稳定性和重现性好。但WDS的定量分析误差（1-5%）远小于EDS的定量分析误差（2-10%）。 第96页/共128页7 样品要求 WDS在检测时要求样品表面平整，以满足聚焦条件。EDS对样品表面无特殊要求，适合于粗糙表面的成分分析。 8运行成本 EDS小而快，定性为主； WDS大而慢， 精确定量为主。

47、第97页/共128页 三、电子探针的分析方法 1 1 、点分析、点分析 用于测定样品上某个指定点的化学成分。 2 2 、线分析、线分析 用于测定某种元素沿给定直线分布的情况。 将WDS， EDS固定在所要测量的某元素特征X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向做直线扫描，便可得到该元素沿直线特征X射线强度的变化，从而反映了该元素沿直线的浓度分布情况。3 3 、面分析、面分析 用于测定某种元素的面分布情况。 将WDS， EDS固定在信号位置上，电子束在样品表面做二维光栅扫描，便可得到该元素的面分布图像。第98页/共128页X射线能谱分析（EDS）第99页/共128页EDS spe

48、ctrum for SrTiO3 . Cu,C and Si are spurious signals from the sample holder, contamination.第100页/共128页分析数据的处理-晶体化学式的计算 步骤：1列出分析数据a；剔除杂质，求a，按100%修正得数据b， b=100a/ a。2列出各栏分子量c， 求出分子数d, d=1000b/c。3列出阳、阴离子数栏e, f, 用固定阳离子数或阴离子数法求e 或f。第101页/共128页 4 由理论化学式定出理论阳离子数或阴离子数x, 求出公约数y, y= e/x 或f/x。 5 求阳离子数比例和阴离子数比例g,

49、 h。 g=e/y, h=f/y。 6 进行电荷平衡计算。 7 写出理论晶体化学式。第102页/共128页 abcdefG=e/YhSiO254.47 60.090.906620.906621.813241.896 Al2O33.88 101.940.038050.076100.114150.159 TiO20.06 0.000750.000750.001500.002 FeO7.34 71.850.102160.102160.102160.214 MnO0.24 70.940.003390.003380.003380.007 MgO32.82 40.300.814390.814390.814

50、391.703 CaO0.78 56.080.013910.013910.013910.029 Na2O0.14 61.980.006620.013220.006620.028 K2O0.04 94.200.000420.000840.000420.002 100.04 -impurity100.04 2.86979 第103页/共128页例11) The data from EMPA for pyroxene (Mg, Fe)2Si2O6) are below , calculate it formula. Y=2.86979/6=0.4783(Mg1.702Fe0.214Na0.028Ca

51、0.029K0.002)1.972(Al0.159Si1.896)2.055O6or (Mg1.702Fe0.214Na0.028Ca0.029K0.002Al0.055)2.027(Al0.104Si1.896)2O6第104页/共128页 abcdefG=e/YhSiO254.47 60.090.906620.906621.813241.896 Al2O33.88 101.940.038050.076100.114150.159 TiO20.06 0.000750.000750.001500.002 FeO7.34 71.850.102160.102160.102160.214 MnO0.

52、24 70.940.003390.003380.003380.007 MgO32.82 40.300.814390.814390.814391.703 CaO0.78 56.080.013910.013910.013910.029 Na2O0.14 61.980.006620.013220.006620.028 K2O0.04 94.200.000420.000840.000420.002 100.04 -impurity100.04 2.86979 第105页/共128页第六节 扫描隧道显微镜 (STM)v主要用于表面原子成象（导体）vSTM的横向分辨率高达1，纵向分辨率10。它对原子的检测

53、深度12个原子层，对样品无破坏。v发明者 Dr.Binning获1986年的诺贝尔奖。Atomic Resolution on Si(111)第106页/共128页 The main difference between the STM and other microscope is that there is no need for lenses and special light or electron sources. Instead the bound electrons already existing in the sample under investigation serve

54、as the exclusive source of radiation.第107页/共128页STM原理 STM is based on the control of the tunneling current I through the potential barrier between the surface to be investigated and the probing metal tip. If a small bias voltage V is applied between the sample surface and tip, a tunneling current I

55、will flow between the tip and sample when the gap between them is reduced to a few atomic diameters (1nm). 第108页/共128页第109页/共128页The tunneling current is)exp(2/1sAVIwhere is work function（样品与探针功函数平均值） s is width of potential barrier（势垒宽度，是样品与探针间距的函数。When the s decreases by 0.1nm, The tunneling curre

56、nt I increases by one order of magnitude. ） A is a constant. V是样品与探针间的偏量电压。第110页/共128页Features of STM resolutionHorizontal (x-y direction ): 0.1nm Vertical (z direction): 1nm detection depth: 1-2 atomic layer (no damage on the specimen)Can work in air, solution, vacuumcan only be used for conductor

57、and semiconductorAtomic Resolution on Si(111)Au film on glass第111页/共128页第七节原子力显微镜 (AFM)vDr G. Binning developed AFM in 1986v可测量表面原子间的力（可测量最小位移10-2-10-4 ，最小的力10-14-10-15N）、表面弹性、塑性、硬度、粘着力、摩擦力等性质。（可用于非导体）v横向分辨率1.5，纵向分辨率为0.5。Atomic resolution on carbon nanotubesWriting on Ferroelectric Materials第112页/共1

58、28页AFM原理 The cantilever（显微悬臂）, which is extremely sensitive to weak force, is fixed at one end; the other end has a sharp tip which gently contacts the surface of a sample. When the sample is being scanned in x-y direction, because of the ultra small repulsive force（斥力） between the tip atoms and the

59、 surface atoms of the sample, the cantilever will move vertically with respect to the surface of the sample. So the AFM can get the 3D surface contours of the specimen.Specimencantilever第113页/共128页Features of AFM resolution Horizontal (x-y direction ): 0.15nm Vertical (z direction): 0.05nm Can work

60、in air, solution, vacuum can be used for both conductor and insulatorAtomic resolution on carbon nanotubes第114页/共128页Magnetic domain walls on a BaFe12O19 single crystalWriting on Ferroelectric Materials第115页/共128页 第八节 电子显微镜分析在材料研究中的应用 一、形态、精度的分析 二、元素的存在状态分析 三、玻璃的非晶态结构分析 四、材料断面的研究 五、晶界（微观研究） 六、微区结构分析