材料测试技术课件

1、第二章第二章 电子显微分析电子显微分析 透射电子显微分析透射电子显微分析 扫描电子显微分析扫描电子显微分析 电子探针分析电子探针分析电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作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、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。晶体结构和化学组成。电子显微分析的特点：电子显微分析的特点：（1）放大倍数高）放大倍数高（2）分辨率高）分辨率高（3）功能多）功能多引言引言第二章第二章 电子显微分析电子显微分析第一节第一节 电子光学基础电子光学基础第二章第二章 电子显微分析电子显微分析一、光学显微镜

2、的局限性光学显微镜的局限性光学显微镜的光学显微镜的分辨本领分辨本领：一个光学系统能分开两个：一个光学系统能分开两个物点的能力，它在数值上是刚能清楚地分开物点的能力，它在数值上是刚能清楚地分开两个物两个物点间的最小距离点间的最小距离。 一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但的显微组织，借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限。上世纪光学显微镜的分辨本领有限。上世纪3030年代后，电子显微镜年代后，电子显微镜的发明将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能的发明

3、将分辨本领提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析由单一的形貌观察扩展到集形貌观察、晶体结构、成分分析等于一体。等于一体。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析光学显微镜的分辨本领计算公式（阿贝）光学显微镜的分辨本领计算公式（阿贝） 其中其中 分辨本领分辨本领 波长波长(nm)(nm) 透镜周围介质的折射率透镜周围介质的折射率 透镜对物点张角的一半，透镜对物点张角的一半， 称为数值孔径，用称为数值孔径，用 N.A N.A 表示表示nmnr2006 . 139061. 0sin61. 0 rnsinn对于光学显微镜，对于光学显微镜，N.AN.A的值

4、均小于的值均小于1.61.6，而可见光的波长最，而可见光的波长最短短390nm390nm，因此，光学显微镜的分辨本领极限为，因此，光学显微镜的分辨本领极限为200nm200nm。唯。唯有寻找比可见光波长更短的光线才能提高透镜的分辨本领。有寻找比可见光波长更短的光线才能提高透镜的分辨本领。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析比可见光波长短的照明源：紫外线比可见光波长短的照明源：紫外线 100nm分辨本领分辨本领 X射线射线 无法聚焦无法聚焦 电子束电子束 1924年，德布罗意计算出电子波的波长，年，德布罗意计算出电子波的波长，常用的电子束波长为可见光的十万分之一。常用的电子束波长为可见光的十万

5、分之一。1926年，布施发现轴对称非均匀磁场能使电年，布施发现轴对称非均匀磁场能使电子波聚焦子波聚焦19321933年间，德国的劳尔和鲁斯卡等研年间，德国的劳尔和鲁斯卡等研制成功世界上第一台电子显微镜制成功世界上第一台电子显微镜1939年，德国的西门子公司生产出分辨本领年，德国的西门子公司生产出分辨本领优于优于10nm的商品电子显微镜的商品电子显微镜第二章第二章 电子显微分析电子显微分析二、电子的波动性及其波长二、电子的波动性及其波长运动的电子和光一样具有波粒二象性。运动的电子和光一样具有波粒二象性。其波长与加速电压存在下列关系：其波长与加速电压存在下列关系：VV6109785. 0125.1

6、2加速电压越高，电子波长越短。加速电压越高，电子波长越短。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析电子波长与加速电压的关系（经相对论修正）电子波长与加速电压的关系（经相对论修正）加速电压（kV）1020305060波长（）0.1220.08590.06980.05360.0487加速电压（kV）801002005001000波长（ ）0.04180.03700.02510.01420.0087透射电子显微镜中常用的加速电压为透射电子显微镜中常用的加速电压为50-200kV，电子波长，电子波长为为0.0536-0.0251 ；约为可见光的；约为可见光的十万分之一十万分之一。第二章第二章 电子显微分

7、析电子显微分析三、电子在电磁场中的运动和电子透镜三、电子在电磁场中的运动和电子透镜1、电子在静电场中的运动电子在静电场中的运动初速度为初速度为0的自由电子由的自由电子由0电位到达电位到达V电位，电位，由于由于 所以所以221mveV meVv2 初速度不为初速度不为0的自由电子，运动方向与电场方向不一致的自由电子，运动方向与电场方向不一致时，电场力的作用将不仅时，电场力的作用将不仅改变电子的能量，也改变电子的运改变电子的能量，也改变电子的运动方向动方向。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析图图2-1电子束在电位分界电子束在电位分界面（等位面）的折射面（等位面）的折射V1V2e1v2v1221

8、sinsinsinsinvvvv或因为因为mvhPmeVvmeVv22112 2所以所以122112sinsinVVvv把电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成把电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成第二章第二章 电子显微分析电子显微分析2、静电透镜、静电透镜将两个同轴圆筒带上不同电将两个同轴圆筒带上不同电荷（处于不同电位），两个荷（处于不同电位），两个圆筒之间形成一系列弧形等圆筒之间形成一系列弧形等电位面簇，散射的电子在圆电位面簇，散射的电子在圆筒内运动时受电场力作用在筒内运动时受电场力作用在等电位面处发生折射并会聚等电位面处发生折射并会聚于一点。这样就构成了一个于一点。这样就构成了

9、一个最简单的静电透镜。透射电最简单的静电透镜。透射电子显微镜中的电子枪就是一子显微镜中的电子枪就是一个静电透镜。个静电透镜。1 1、需改变很高的加速电压、需改变很高的加速电压才可改变焦距和放大率；才可改变焦距和放大率；2. 2. 静电透镜需数万伏电压，静电透镜需数万伏电压，常会引起击穿常会引起击穿两极两极第二章第二章 电子显微分析电子显微分析三极三极静电透镜的会聚作用大于其发散作用，总是会聚透镜静电透镜的会聚作用大于其发散作用，总是会聚透镜第二章第二章 电子显微分析电子显微分析3、电子在磁场中的运动、电子在磁场中的运动BveFe电子在磁场中运动所受的磁场力洛仑兹力电子在磁场中运动所受的磁场力洛

10、仑兹力vBveF注意：力的方向与正负电荷的关系注意：力的方向与正负电荷的关系（1）B与与 v 同向，同向， F等于零，电子作匀速直线运动。等于零，电子作匀速直线运动。（2）B与与 v 垂直，垂直， F 最大，方向与最大，方向与v、B 垂直，故电子的速垂直，故电子的速度大小不变，只改变方向。电子在与磁场垂直的平面内作匀度大小不变，只改变方向。电子在与磁场垂直的平面内作匀速圆周运动，速圆周运动，F起向心力的作用。起向心力的作用。（3） v与与B 斜交成斜交成 角。将速度分解成平行于角。将速度分解成平行于B和垂直于和垂直于B的两个分矢量。电子的轨迹是一螺旋线。的两个分矢量。电子的轨迹是一螺旋线。 第

11、二章第二章 电子显微分析电子显微分析第二章第二章 电子显微分析电子显微分析磁透镜磁透镜 电子可以凭借轴对称的非均匀电场、非匀强磁场的电子可以凭借轴对称的非均匀电场、非匀强磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。力，使其会聚或发散，从而达到成象的目的。由静电场制成的透镜由静电场制成的透镜 静电透镜静电透镜由磁场制成的透镜由磁场制成的透镜 磁透镜磁透镜短线圈短线圈磁场中的电子运动显示磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增强理。实际电磁透镜中为了增强磁感应强度，通常将线圈置于磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料（纯铁或低碳一个由软磁

12、材料（纯铁或低碳钢）制成的具有内环形间隙的钢）制成的具有内环形间隙的壳子里。壳子里。缺点：缺点：B小，焦距大，物和像在场外。小，焦距大，物和像在场外。 第二章第二章 电子显微分析电子显微分析第二章第二章 电子显微分析电子显微分析带铁壳的带极靴的透镜带铁壳的带极靴的透镜OzO透镜的磁场强度很强，透镜的磁场强度很强，对电子的折射能力强，对电子的折射能力强，透镜焦距很短。透镜焦距很短。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析有极靴有极靴B（z）没有极靴没有极靴无铁壳无铁壳z图图2-6 几种透镜的磁场强度分布图几种透镜的磁场强度分布图第二章第二章 电子显微分析电子显微分析4 4、磁透镜与光学透镜的比较、

13、磁透镜与光学透镜的比较光学透镜成像时，物距光学透镜成像时，物距L1、像距、像距L2和焦距和焦距f三者之间满足如下三者之间满足如下关系：关系： 电磁透镜成像时也可以应用上式。所不同的是，光学透镜的电磁透镜成像时也可以应用上式。所不同的是，光学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距焦距f常用的近似公式为：常用的近似公式为： 式中是式中是K常数，常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，（是经相对论校正的电子加速电压，（IN）是电磁透镜的激磁安匝数，是电磁透镜的激磁安匝数，I通过线圈的电流强度。通过线圈的电流强度。由此发现，改

14、变激磁电流可以方便地由此发现，改变激磁电流可以方便地改变电磁透镜的焦距改变电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。透镜，只是凸透镜。21111LLf2INUKfr第二章第二章 电子显微分析电子显微分析四、电磁透镜的像差和理论分辨本领四、电磁透镜的像差和理论分辨本领几何像差几何像差（球差、像散）是因为透镜磁场几何形状（球差、像散）是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的；上的缺陷而造成的；色差色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。变而造成的。

15、电磁透镜成的像模糊不清，或与原物的几何形状电磁透镜成的像模糊不清，或与原物的几何形状不完全相似，这种现象称为不完全相似，这种现象称为像差像差。主要包括。主要包括球差、色球差、色差、像散、畸变差、像散、畸变。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对球差是因为电磁透镜近轴区域磁场和远轴区域磁场对电子束的折射能力不同而产生的。电子束的折射能力不同而产生的。 原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为径为r的弥散圆斑。的弥散圆斑。341sSCr 最小弥散圆半径最小弥散圆半径透镜的球差系数透镜的球差

16、系数透镜的孔径半角透镜的孔径半角减小孔径半减小孔径半角，可提高角，可提高分辨本领。分辨本领。1、球差球差第二章第二章 电子显微分析电子显微分析2、像散像散 像散是由透镜磁场的非理想旋转对称引起的像差。即像散是由透镜磁场的非理想旋转对称引起的像差。即: :透镜磁场不理想透镜磁场不理想, ,引起电子会聚焦点不同。引起电子会聚焦点不同。xyz 像散是可以消除的像差，可以通过引入一个像散是可以消除的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。生这个矫正磁场的装置叫消像散器。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析3、色

17、差色差色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场色差是由于成像电子的能量不同或变化，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。引起电子能量波动的原因有两个，一是引起电子能量波动的原因有两个，一是电子加速电压不稳电子加速电压不稳，致，致使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，使入射电子能量不同；二是电子束照射试样时和试样相互作用，部分电子部分电子产生非弹性散射产生非弹性散射，致使能量变化。，致使能量变化。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析4、畸变、畸变见书见书P106和和P107 图图2-105、电磁透镜

18、的分辨本领、电磁透镜的分辨本领最重要的性能指标。受最重要的性能指标。受衍射效应、球差衍射效应、球差、色差、像散、色差、像散等因素的影响。仅考虑等因素的影响。仅考虑衍射效应、球差衍射效应、球差时理论分辨本时理论分辨本领公式：领公式：4321sthCAr常数，约0.4-0.5球差系数目前最佳的电镜分辨率只能达到目前最佳的电镜分辨率只能达到0.1nm左右。左右。第二章第二章 电子显微分析电子显微分析五、电磁透镜的场（景）深五、电磁透镜的场（景）深和焦深（长）和焦深（长）电磁透镜的电磁透镜的场深场深是指当成像时，像平面是指当成像时，像平面不动（像距不变），在满足成像清晰的不动（像距不变），在满足成像清

19、晰的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离离 。透镜平面透镜平面PP12MrQR由几何关系可推导出场深的由几何关系可推导出场深的计算公式为：计算公式为：rtgrDf222r如如 弧度时，弧度时，Df 大大约是约是 2002000nm，这就是说，厚，这就是说，厚度小于度小于2000 nm的试样，其间所有细的试样，其间所有细节都可调焦成象。由于电子透镜景深大，节都可调焦成象。由于电子透镜景深大，电子透镜广泛应用在断口观察上。电子透镜广泛应用在断口观察上。2310101，nmr 第二章第二章 电子显微分析电子显微分析焦深焦深焦深焦深是指物点固定不变（物距不是指物点固定

20、不变（物距不变），在保持成像清晰的条件下，变），在保持成像清晰的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。像平面沿透镜轴线可移动的距离。222MDrMDfi焦深计算公式焦深计算公式这里的这里的M是总放大倍数。例是总放大倍数。例如，如， ， 时，时，Di80cm。因此，当用倾斜观察。因此，当用倾斜观察屏观察象时，以及当照相底片不位屏观察象时，以及当照相底片不位于观察屏同一象平面时，所拍照的于观察屏同一象平面时，所拍照的象依然是清晰的。象依然是清晰的。nmr1倍，2000M102radPP12Mr第二章第二章 电子显微分析电子显微分析第二节第二节 电子与固体物质的相互作用电子与固体物质的相互作用一、电子散射一、电子散射 弹性：原子核对电子的散射弹性：原子核对电子的散射 。 非弹性：原子核或原子的核外电子对电子的散射。非弹性：原子核或原子的核外电子对电子的散射。 二、内层电子