材料测试与研究方法第十章电子显微分析

1、 光学显微镜：以可见光（或紫外线）为光源。 电子显微镜：以电子束为光源。 1. 构成： 照明系统 光学放大系统 机械装置 2. 原理：经物镜形成倒立实像，经目镜放大成虚像。 3. 分辨力：指分辨物体最小间隔的能力。 普通光线的波长为400700nm，光镜分辨力约为0.2m，人眼的分辨力为0.2mm，因此显微镜的最大有效倍数为1000X。sin61. 00nr 对于光学透镜，当nsin做到最大时（n1.5，70-75），上式简化为：20r加速电压U/KV 电子波波长/nm 加速电压U/KV 电子波波长/nm20406080100 0.008590.006010.004870.004180.003

2、71 1201602005001000 0.003340.002850.002510.001420.00087 电磁透镜结构示意图 电子在磁场中运动，当电子运动电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力将产生一个与运动方向垂直的力（洛仑兹力）使电子运动方向发（洛仑兹力）使电子运动方向发生偏转。生偏转。 图图5-3是一个电磁线圈。当电子沿是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一致，电子不与磁感应强度方向一致，电子不受力，以直线运动通过线圈；当受力，以直线运动通过线圈

3、；当电子运动偏离轴线时，电子受磁电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，场力的作用，运动方向发生偏转，最后会聚在轴线上的一点。电子最后会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。P象P透镜物P光轴图1-5（a） 球差平面BPA透镜平面物P光轴PBfA 平面A图1-5（b）象散 能量为E的电子轨迹象1透镜物P光轴图1-5（c） 色差能量为E- E的电子轨迹象2 X射线衍射仪 电子探针仪 扫描电镜X 射 线 二次电子韧致辐射 入射电子 背散射电子阴极荧光 吸收电子 俄歇电子 试 样 透射电子 衍射电子 俄歇电镜 透射电子显微镜 电子衍射仪电

4、子与物质相互作用产生的信息及相应仪器透射电子显微镜的构造透射电子显微镜的构造阴极（接负高压）控制极（比阴极负1001000伏）阳极电子束聚光镜试样照明部分示意图灯丝（钨）灯丝（钨） 聚光镜用来会聚电子枪射聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统，一般都采用双聚光镜系统，如图如图5-14所示。第一聚光所示。第一聚光镜是强激磁透镜，束斑缩镜是强激磁透镜，束斑缩小率为小率为1050倍左右，将倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩电子枪第一交叉点束斑缩小为小为15m；而第二

5、聚；而第二聚光镜是弱激磁透镜，适焦光镜是弱激磁透镜，适焦时放大倍数为时放大倍数为2倍左右。倍左右。结果在样品平面上可获得结果在样品平面上可获得210m的照明电子束斑。的照明电子束斑。 聚光镜聚光镜图1-12 （a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜选区光阑100透射电子显微镜使用的铜网一般直径为2毫米，上面铳有许多微米大小的孔，在铜网上覆盖了一层很薄的火棉胶膜并在上面蒸镀了碳层以增加其膜的强度，被分析样品就承载在这种支撑膜上。 分辨率分辨率 放大倍数放大倍数 加速电压加速电压 分辨率是透射电镜的最主要性能指标，它表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。两种指标

6、： 点分辨率表示电镜所能分辨的两点之间的最小距离； 线分辨率表示电镜所能分辨的两条线之间的最小距离，通常通过拍摄已知晶体的晶格象来测定，又称晶格分辨率。理论分辨力约为波长一半，理论分辨力约为波长一半，实际分辨力远没到极限：存在像差。实际分辨力远没到极限：存在像差。 透射电镜的放大倍数是指电子图象对于所透射电镜的放大倍数是指电子图象对于所观察试样区的线性放大率。目前高性能透观察试样区的线性放大率。目前高性能透射电镜的放大倍数变化范围为射电镜的放大倍数变化范围为100倍到倍到80万倍。万倍。 目镜目镜中间镜中间镜投影镜，投影镜，if 三个都用了。三个都用了。根据放大倍数标注尺寸根据放大倍数标注尺寸

7、 电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极电镜的加速电压是指电子枪的阳极相对于阴极的电压，它决定了电子枪发射的电子的波长和的电压，它决定了电子枪发射的电子的波长和能量。能量。 加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可加速电压高，电子束对样品的穿透能力强，可以观察较厚的试样，同时有利于电镜的分辨率以观察较厚的试样，同时有利于电镜的分辨率和减小电子束对试样的辐射损伤。和减小电子束对试样的辐射损伤。 目前普通透射电镜的最高加速电压一般为目前普通透射电镜的最高加速电压一般为100kV和和200kV，通常所说的加速电压是指可，通常所说的加速电压是指可达到的最高加速电压。达到的最高加速电压。一、粉末样品制

8、备（重点）一、粉末样品制备（重点） 分散（超声波）分散（超声波） 适当的浓度适当的浓度 适当的表面活性剂适当的表面活性剂 适当的介质（乙醇）适当的介质（乙醇）防止团聚防止团聚转移到铜网上：滴转移到铜网上：滴 or 捞。捞。干燥：保护真空。干燥：保护真空。降低表面张力降低表面张力二、薄晶样品制备：一切二磨三减薄。二、薄晶样品制备：一切二磨三减薄。靠转动干活的东东靠转动干活的东东离子减薄装置原理示意图 三、复型样品制备（不能直接观测的情形）三、复型样品制备（不能直接观测的情形）一、一、质厚衬度原理（重要）质厚衬度原理（重要）二、衍射衬度原理二、衍射衬度原理衬者，相对也，相对比而存在。衬者，相对也，

9、相对比而存在。由于试样的质量和厚度不同，由于试样的质量和厚度不同，各部分对入射电子发生相互各部分对入射电子发生相互作用，产生的吸收与散射程作用，产生的吸收与散射程度不同，而使得透射电子束度不同，而使得透射电子束的强度分布不同，形成反差，的强度分布不同，形成反差，称为质称为质-厚衬度。厚衬度。 衍射衬度主要是由于晶衍射衬度主要是由于晶体试样满足布拉格反射体试样满足布拉格反射条件程度差异而形成电条件程度差异而形成电子图象反差。它仅属于子图象反差。它仅属于晶体结构物质，对于非晶体结构物质，对于非晶体试样是不存在的。晶体试样是不存在的。一、根据衍射花样确定样品是晶体还是非晶。一、根据衍射花样确定样品是

10、晶体还是非晶。二、根据衍射斑点确定相应晶面的晶面间距。二、根据衍射斑点确定相应晶面的晶面间距。三、衍射斑点指标化（自学，考博士要用的）。三、衍射斑点指标化（自学，考博士要用的）。单晶单晶多晶多晶非晶非晶L:试样到底板距离试样到底板距离R:斑点到中心距离斑点到中心距离 （或圆环半径）（或圆环半径）2d2dsin=tg2sin2sin2 2sind tg2=tg2= R/Ld R/L = d R=L d K = d = / Kd=K/RK = R/L K=L 相机参数相机参数若结构已知，可方便地标注晶面。若结构已知，可方便地标注晶面。第八章第八章 电子显微分析电子显微分析 第三节第三节 扫描电子显

11、微镜（扫描电子显微镜（SEM)扫描电镜的结构扫描电镜的结构扫描电镜的成像原理扫描电镜的成像原理扫描电镜样品制备扫描电镜样品制备TEMSEMTEMSEMSEM的操作比的操作比TEM简单，通过鼠标在屏幕上工作简单，通过鼠标在屏幕上工作 SEM是利用是利用聚焦电子束在聚焦电子束在样品上扫描时样品上扫描时激发的某种物激发的某种物理信号来调制理信号来调制一个同步扫描一个同步扫描的显象管在相的显象管在相应位置的亮度应位置的亮度而成象的显微而成象的显微镜。镜。电子光学系统：电子光学系统：扫描系统：扫描系统：包括电子枪、一级二级聚光镜、物镜等，包括电子枪、一级二级聚光镜、物镜等，用来缩小而非放大，以获得尽量小

12、的电用来缩小而非放大，以获得尽量小的电子束斑，提高分辨率。子束斑，提高分辨率。扫描线圈和扫描发生器同步运行，使样品表扫描线圈和扫描发生器同步运行，使样品表面电子束斑位置与显示屏上的亮点位置一一面电子束斑位置与显示屏上的亮点位置一一对应。两套电子束息息相关又互相隔绝。对应。两套电子束息息相关又互相隔绝。信号探测与放大系统：强度放大尺度放大。信号探测与放大系统：强度放大尺度放大。探测器（二次电子探测器（二次电子or背散射电子），背散射电子），光电倍增管（强度放大），光电倍增管（强度放大），视频放大器（尺度放大）。视频放大器（尺度放大）。图象显示和记录系统：电脑。图象显示和记录系统：电脑。真空系统：

13、真空系统：电力系统：电力系统： 打点的位置由扫描系统确定（放大倍数）；打点的位置由扫描系统确定（放大倍数）； 分辨率由磁透镜的像差和电子信号的影响深分辨率由磁透镜的像差和电子信号的影响深度度 和广度共同决定；和广度共同决定； 打点的亮度由探测器接收到的电子数目决定；打点的亮度由探测器接收到的电子数目决定； 成分像与形貌像的分辨率。成分像与形貌像的分辨率。两套偏转线圈分别移动两束电子束，一束极细的电子两套偏转线圈分别移动两束电子束，一束极细的电子束在样品表面扫描，另一束较大电子束在荧光屏上扫束在样品表面扫描，另一束较大电子束在荧光屏上扫描，二者扫描的方向、步调一致，但步幅差别很大。描，二者扫描的

14、方向、步调一致，但步幅差别很大。步幅的比例就是放大倍数。步幅的比例就是放大倍数。放大倍数放大倍数K= AS / AC AS :荧光屏上的扫描步幅荧光屏上的扫描步幅 AC :样品表面的扫描步幅样品表面的扫描步幅 假定样品表面扫描步幅为假定样品表面扫描步幅为10nm，荧光屏上扫描步幅，荧光屏上扫描步幅为为0.2mm，则放大倍数为，则放大倍数为2万倍。万倍。做个超大荧光屏，放大倍数可以很大，未必看得清。做个超大荧光屏，放大倍数可以很大，未必看得清。分辨率分辨率通过聚焦能获得的通过聚焦能获得的最小的电子束斑。最小的电子束斑。背散射电子背散射电子：解析度几十解析度几十nm：成分像分辨率低成分像分辨率低二

15、次电子二次电子：解析度几解析度几nm：形貌像分辨率高形貌像分辨率高入射电入射电子束斑子束斑背散射电子背散射电子逸出区域逸出区域二次电子二次电子逸出区域逸出区域打点的亮度由探测器接收到的电子数目决定打点的亮度由探测器接收到的电子数目决定（如何形成衬度）（如何形成衬度）探测背散射电子：探测背散射电子：50V。（二次电子能量太低被拒之门外）（二次电子能量太低被拒之门外）探测二次电子：探测二次电子：250V 。（同时探测到背散射电子，没关系）（同时探测到背散射电子，没关系）背散射电子背散射电子vs二次电子二次电子入射电子受样品原子入射电子受样品原子散射，重又在样品上散射，重又在样品上表面逸出，称背散射

16、表面逸出，称背散射电子，电子，能量高能量高，与入，与入射电子相当。射电子相当。数量少数量少。样品原子的外层价电子样品原子的外层价电子被入射电子激发，从样被入射电子激发，从样品表面逸出，称二次电品表面逸出，称二次电子，只获得入射电子子，只获得入射电子少少许能量许能量，但，但数量大数量大，多，多次碰撞，连锁反应，一次碰撞，连锁反应，一打一长串。打一长串。无赖定义：无赖定义：能量低于能量低于50eV的电的电子统称二子统称二次电子。只次电子。只因探测器因探测器加加50V。背散射电子背散射电子的数目与被的数目与被打原子的原打原子的原子序数有关子序数有关样品的原子序数样品的原子序数背散射电子数目背散射电子

17、数目打点的亮度打点的亮度原子序数越大，背散射电子越多，越亮。原子序数越大，背散射电子越多，越亮。重元素亮，轻元素暗，形成比较。重元素亮，轻元素暗，形成比较。 成份像成份像 衬度衬度!背散射电子与成份像背散射电子与成份像垂直于样品表面入射一次电子时，样品垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所产生的二次电子的量最小。随着表面所产生的二次电子的量最小。随着倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的强度分布反映了加。因此，二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息。样品表面的形貌信息。二次电子与形貌像二次电子与形貌像电子容易逃逸的地方产额高电子容易逃逸的

18、地方产额高亮度高亮度高一尖、二斜、三平、四凹。一尖、二斜、三平、四凹。衬度衬度!SEM样品制备（清洁样品制备（清洁/干燥干燥/镀金）镀金） 对于其它导电性好的样品如金属，合金以及半导体材料，薄膜样品基本不需要进行样品处理，就可以直接观察。只要注意几何尺寸上的要求。但要求样品表面清洁，如果被污染容易产生荷电现象。 对于需要进行元素组成分析的样品，一般在表面蒸发轻元素作为导电层如：金属铝和碳薄膜层。对于粉体样品可以直接固定在导电胶带上。 防止荷电现象； 减轻电子束对样品表面损伤； 增加二次电子的产率，提高图像的清晰度； 消除成份衬度对形貌衬度的影响。 导电性差的样品做形貌像都要镀金导电性差的样品做

19、形貌像都要镀金 当样品的导电性差时，在样品表面可以积累电荷，可以在样品表面形成电场，不仅影响电子束的扫描过程，还会改变图像的亮度，对二次电子象产生严重影响。 第八章第八章 电子显微分析电子显微分析 第四节第四节 电子探针电子探针X射线显微分析射线显微分析（元素分析）（元素分析） 电子探针仪的结构与工作原理电子探针仪的结构与工作原理波长色散谱仪波长色散谱仪(WDS) 能量色散谱仪能量色散谱仪(EDS) 两种色散谱仪的比较两种色散谱仪的比较电子探针仪的结构与工作原理电子探针仪的结构与工作原理 除探测系统外，其他系除探测系统外，其他系统与扫描电镜一样，常统与扫描电镜一样，常合用一套设备。合用一套设备

20、。 聚焦好的电子束斑在扫聚焦好的电子束斑在扫描线圈的控制下激发样描线圈的控制下激发样品某处的特征品某处的特征X射线。射线。探测波长：波谱仪。探测波长：波谱仪。探测能量：能谱仪。探测能量：能谱仪。波谱仪波谱仪波谱仪主要由分光晶体和波谱仪主要由分光晶体和X射线检测系统组成。射线检测系统组成。检测器与检测器与X射线衍射仪相仿：转动数光子。射线衍射仪相仿：转动数光子。原理：根据布拉格定律，从试样中原理：根据布拉格定律，从试样中发出的特征发出的特征X射线，经过一定晶面间射线，经过一定晶面间距距d的晶体分光，波长不同的特征的晶体分光，波长不同的特征X射线将有不同的衍射角。通过连续射线将有不同的衍射角。通过连续地改变地改变 ，就可以在与，就可以在与X射线入射方射线入射方向呈向呈2 的位置的位置上测到不同波长上测到不同波长的