材料研究与测试方法Apdf课件 3.1 简介

第三章电子显微分析3.1简介

3.2电子与物质间的相互作用3.3透射电子显微分析(TEM)3.4扫描电子显微分析(SEM)3.5电子探针分析（EPMA）

电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相作用而产生的各种物理信号，来分析物质试样的微区形貌、晶体结构和化学组成的一种技术。

3.1简介扫描电子显微分析（SEM—Scaning

electronmicroscope）透射电子显微分析（TEM-Transmissionelectronmicroscope）电子探针

(EPMA—Electronmicro-probeanalysis)

3.1.1类型（1）可以在极高放大倍数下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域；（2）是一种微区分析方法，具有高的分辨率，成像分辨率达到0.2～0.3nm,可直接分辨原子，能进行nm(10埃)尺度的晶体结构及化学组成的分析。3.1.2特点原理:

光学显微镜----利用透镜使光线聚焦成像；电子显微镜----利用电场和磁场使电子束聚焦成像，电场和磁场起电子透镜的作用。

3.1.3显微镜的分类

在可见光线或紫外线的照明下，利用玻璃透镜放大物象的装置。照明：可见光或紫外光聚光镜（改变光线的介质）：

玻璃透镜

光学显微镜

光学显微镜可以看到象：细菌、细胞那样小的物体。最好的光学显微镜的放大极限是：

2000倍，分辨率极限为：200nm。特点：（1）用电子源代替光源，即用电子流代替照明光线。（2）以特殊的电极和磁极(电子透镜)代替了光学显微镜的聚光镜、物镜和目镜的作用，即电子射线为电子透镜所折射，经两次或多次放大成最后像。3.1.4电子显微镜德国物理学家阿贝(AbbeE.K.)从理论上计算出阿贝（Abbe）公式：

r--分辨本领；

λ--照明光的波长(nm)n--透镜所处环境介质的折射率；

α--透镜孔径半角(°)

nsinα--数值孔径，用N·A表示。

电子光源常数

高速运动的电子具有波动性和粒子性，电子波的波长与所处电场的电压U的关系为：减小λ常用加速电压与电子波波长的关系加速电压U

（kV）10501002000电子波长λ（nm）0.012200.005360.003700.00050

电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力，使其会聚或发散，从而达到成像的目的。

由静电场制成的透镜——静电透镜由磁场制成的透镜——磁透镜

3.1.5电子透镜1电子光学折射定律根据电磁学原理,电子在静电场中受到的洛伦兹力(Lorentz)为电子从电位为U1的区域进入电位为U2的区域(界面为AB)，电场将使运动的电子发生折射。一静电透镜

2静电透镜阴极:零电位；阳极:正电位；控制极:负电位。等位面法线方向3静电透镜的作用

轴对称的弯曲电场对电子束有会聚成像的性质，这种对称的电场系统----被称为静电电子透镜(简称静电透镜)。因此，静电透镜主要用做各种电子显微镜的电子枪，因为静电场可使自由电子增加动能，从而得到高速运动电子构成的电子束。

二磁透镜

电子束在磁场中受到的洛伦兹力(Lorentz)为：

通电流的圆柱形线圈产生轴对称的磁场，这种磁场对电子束有会聚成像的性质，在电子光学中:轴对称磁场系统(通电流的圆柱形线圈)，称为磁电子透镜(简称磁透镜)。1电子在磁场中的运动

电子在磁场中运动时也会产生偏折。通电的短线圈就是一个简单的磁透镜，它能造成一种不均匀分布的磁场，结果使电子做圆锥螺旋近轴运动。一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜将最终会聚于轴线上一点（即焦点）。三电子透镜的缺陷

电子透镜的聚焦成像要求电子的速度完全相同以及透镜电磁场具有理想的轴对称性。但是，实际情况与理想条件的偏离，造成了电子透镜的各种像差。像差的存在，影响图象的清晰度和真实性，决定了透镜只具有一定的分辨本领，从而限制了电子显微镜的分辨本领。几种主要像差---1球面像差

轴上有一物点P。旁轴电子形成的高斯象是P’点,通过高斯象点垂直于光轴的平面称高斯平面。由于透镜光阑有一定大小,同是从P点出发的电子,当张角不同时,落在高斯平面的不同点上。假设张角最大的电子落在P”点,在高斯平面上,所得到的像是以P”为半径的圆斑。

球差几乎是一种无法克服的像差。

球面像差是一种影响透镜分辨本领的主要几何像差。2色差在电子光学中，电子透镜成像也有色差。加速电压的波动以及阴极逸出电子能量的起伏，使得成像电子的波长不完全相同，使透镜的焦距发生变化。

这种色差使得一个物点变成为某种散射图形，影响了图像的清晰度。必须要求：电镜配以十分稳定的电压与电流恒定装置(UPS---不间断电源)，尽可能地控制电子束波长的飘移。

因为制作透镜的材料中存在着微量的纯度缺陷；加工精度的限制等；使透镜产生的磁场不可能呈现绝对理想的轴对称。3轴上像散非理想对称的透镜磁场或电场，使得透镜在不同方向上的焦距不相同。

物点P