电子显微分析1绪论及电子光学基础

1、金属电子显微分析,绪 论,微观结构(microstructure)决定宏观(macroscopical)性质 任何一种材料的宏观性能或行为都是由其微观结构所决定的. 微观结构 材料的化学组分(composition) 元素分布(elemental distribution) 组成相(phase)的形貌(morphology) (包括形状/大小/分布等) 晶体结构(crystal structure) 各个组成相之间的取向关系(orientation)和界面状 态(interface) 晶体缺陷(defect)的密度(density)和组态等,所以,研究材料必须研究材料的微观结构,通常用来研究材

2、料微观结构的方法(method) 光学金相显微分析 X射线衍射 化学分析方法 这些技术在材料的研究中发挥了重要的作用,材料研究中各种分析方法的空间分辨能力极限,传统方法存在的问题 光学金相方法-分辨率受到光波衍射的限制,只能提供微米左右的形貌细节图象 X射线衍射-聚焦困难,衍射信息强度较弱,只能获得总体或平均的结果 湿法和光谱化学分析-无法给出微观的成分不均匀性资料,上述技术空间分辨率(spatial resolution)不高, 不能把形貌显示和成分结构分析有机地结合起来. 在分辨率(resolution),检测灵敏度(sensitivity),定量(quantitative)精度(prec

3、ision)以及适应性(applicability)等方面,越来越不能满足科学发展的需要.,电子光学仪器新设备相继出现 TEM (Transmission electron microscopy) SEM (scanning electron microscopy) EPMA (electron probe microanalyzer)电子探 针X射线显微分析仪 SIMS (secondary ion mass spectrometry)离子 探针 AES (Auger electron spectrometer)俄歇电子能谱仪,所有电子光学仪器的共同特点:以电子光学方法将具有一定能量的电子(

4、或离子)会聚成细小的入射束，通过与样品物质的相互作用激发表征材料微观组织结构特征的各种信息，检测并处理这些信息从而给出形貌、成分和结构的丰富资料.,最重要的显微分析手段-TEM 特点 高空间分辨率:可提供极其微细的材料组织结构情况 SAED(selected area electron diffraction)： 使微观形貌和晶体结构对应起来 原位(In situ)观察：利用各种特殊样品台对样品 进行高分辨率条件下的系统动态观察，揭示材料相 变和形变过程中组织结构的变化规律,TEM-本篇将要学习的主要内容,TEM设计基础 设备介绍 样品制备 应用 。,本篇主要内容,第一章 电子光学基础,电子显

5、微镜：是一种高放大倍数、高分辨本领，综合性能好的新型分析仪器。 要学习掌握电子显微镜的原理，首先要对光学显微镜进行了解 两者都属于光学放大仪器，基本光学原理相似 区别在于使用照明源和聚焦成像的方法不同：前者用可见光照明，用玻璃透镜聚焦成像；后者用电子束照明，用一定形状的静电场或磁场（静电透镜或磁透镜）聚焦成像。,$ 1 概 述,光的折射(refraction)是光学透镜成像的基础 光的折射：光从一种介质传播到另一种介质时发生光的折射 折射服从以下规律： (1)入射光、折射光和介质界面的法线在同一平面内 (2)满足关系：,$ 2 光的折射和光学透镜成像,另外重要概念：单色光,光学透镜成像 光学显

6、微镜聚焦、放大成像的主要部件-凸透镜 薄透镜性质： (1)薄透镜的基本概念：透镜的中心、光轴 、主轴、副轴、透镜主平面、焦点F、 焦距f 、焦平面等 ； (2) 成像规律：实像、虚像的条件 (3) 成像的几条特殊光线；通过这几条特殊光线，用作图的方法确定透镜成像的位置和大小 (4)薄透镜成像，物距L1，焦距f，像距L2三者之间的关系等 (5)透镜像的放大倍数,1) 光的衍射 光和无线电波一样属于电磁波。由于它具有波动性质，使得由透镜各个部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波相互之间发生干涉作用、产生衍射现象。,$3 光的衍射和光学显微镜分辨本领理论极限,由前所述，一个理想的点光源通过透镜成

7、像时，在像面上应该得到一个理想的像点，但是实际情况并非如此,所以，理想点光源的像是：具有一定尺寸的中央亮斑及其周围明暗相间的圆环所组成的埃利 （Airy）斑,大约84的强度集中在中央亮斑，所以通常以埃利斑 第一暗环的半径来衡量其大小。,n透镜物方介质折射率(refractive index),照明光波长(wavelength),透镜孔径半角(semiangle of collection),M透射放大倍数,nsin-数值孔径(numerical aperture),上式说明埃利斑半径与照明光源波长成正比，与透镜数值孔径成反比。,2) 光学显微镜分辨本领理论极限. 样品由许多物点所组成的。每个物

8、点为一个“点光源”。 分辨判据：两埃利斑中心间距等于第一暗环半径R0。 此时样品上相应的两个物点间距离r0。定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。 由上式得到：,对玻璃，最大的孔径半角=7075，物方介质为油情况下，n 1.5，其数值孔径 nsin 1.25 1.35。因此上式可以简化为：,可见光的波长在39007600之间，光学透镜分辨本领极限值可达2000。,以上说明，透镜能分辨的两点间的最小距离（即分辨本领）主要取决于照明波长，半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限,3)有效放大倍数 人眼的分辨本领大约是0.2mm，光学显微镜分辨本领极限大约是0.2m（2000). 有效放大

9、倍数由下式确定 式中M有效显微镜有效放大倍数；re人眼分辨本领；r0显微镜分辨本领。光学显微镜相应的有效放大倍数M有效=1000倍，最高放大倍数在10001500倍。,若要提高显微镜的分辨本领，关键是要有短波长的照明源。,顺着电磁波谱往短波长方向看,紫外线波长比可见光短(3900-130埃). 不能使用的原因:绝大多数样品物质都强烈地吸收短波长紫外线,因此可供照明的紫外线限于波长2000-2500埃,所以应用紫外线作照明源,显微镜分辨本领可达1000埃左右. 另外,X射线波长很短,在100-0.5埃范围,但是至今不知道有什么物质能使之有效地改变方向,折射和聚焦.,要提高显微镜的分辨本领，必须寻

10、找既要波长短又能聚焦成像的照明源。,$4 电子的波性及其波长,电子波粒二相性(wave-particle duality)：德布罗意(de Broglie)认为运动的微观粒子会显示波性。这个波的波长(wavelength) 与粒子运动速度(velocity) 、粒子质量(mass) m 之间存在以下关系： 式中 h普朗克常数(Plancks constant)。 这个波叫做物质波或德布罗意波。,不同加速电压下电子的波长值,初速为0的电子,在电场中从点位为0的点开始运动,在加速电压(accelerating voltage)为U的作用下获得的运动速度为v,则,e-电子电荷(electron ch

11、arge),m-电子质量(electron mass),讨论: 1.加速电压比较低时,vc (speed of light in vacuum), m=m0;,h=6.6210-34Js，,e=1.6010-19C(charge)，,m0=9.1110-34kg(rest mass of electron),电子波长与其加速电压平方根成反比,2.加速电压比较高时,v=c,相对论情况：,经相对论修正的不同加速电压下电子波长值,从原理上讲，若 能 用波长这样短的电子波做照明源，可以显著地提高显微镜的分辨本领和有效放大倍数,另外，由电子光学基础可知，要想成像，必须使电子发生折射,必须制造出使电子波聚

12、焦成像的透镜,综上所述： 1 . 提高加速电压，缩短电子波长，提高电镜分辨率； 2 . 电子波长与可见光相比，相差105量级。,$5 电子在静电场中运动和静电透镜(electrostatic lens),相对于观察者为静止的、不随时间变化的电场叫做静电场。,性质：1. 电场中电荷受到电场力作用 2.电荷在电场中运动，电场力做功,电场强度：电场作用在单位正电荷上的电场力,E电场强度；f作用力；q试验电荷,电场强度与电位梯度有关：,沿等电位面法线朝着电位增大方向的单位矢量,电位梯度,平行板电极，匀强电场,当一个速度为的电子，沿着与等电位面法线成一定角度方向运动，电位面上方电位为U1、下方为U2，那

13、么电子由U1电位区进入U2电位区的瞬间在交界点O处运动方向发生突变，电子运动速度由v1变为v2。因为电场对电子作用力方向总是沿着电子所处点等电位面法线，从低电位指向高电位。所以电子所触点等电位面切线方向电场分量为0，电子沿该方向运动速度分量vt保持不变，即vt1=vt2 。 如果起始点电位为0，电子初速为0，那么电子在U1U2电位区的运动速度分别为： ， 还由于 所以：,vt1,vt2,v1,v2,光的折射定律与电场对电子的折射的比较,可见光,电子束,相当于折射率,电场中等电位面是对电子折射率相同的表面，与光学系统中两介质界面具有相同的作用,静电透镜,一定形状的光子介质界面（如玻璃凸透镜旋转对

14、称的弯曲折射界面）可以使光波聚焦成像， 那么类似形状的等电位曲面簇也可能使电子波聚焦成像,由于电场中电位连续变化，电场对电子的折射率连续变化,所以，电子在静电透镜场中沿曲线轨迹运动,1.电子在磁场中运动 受洛仑兹力: =qvB 式中q 运动电荷；v运动速度 ；B磁感应强度 。,$6 电子在磁场中运动和磁透镜(magnetic lens),均匀磁场中质量为m的粒子（如电子）做半径为R的圆周运动时所需的向心力为：,所需的向心力由磁场力提供 电子在磁场中作圆周运动的回旋半径为：,所以,当磁感应强度B一定时,电子回旋半径R与它的动量P成正比, 电子的动量越大,回旋半径越大,当电子速度与均匀磁场并不垂直

15、,而成一定夹角时,v,vr,vz,将速度v分解为垂直于磁场分量Vr和平行于磁场分量Vz,垂直于磁场方向,磁场力使其做匀速圆周运动 平行于磁场方向,电子做匀速直线运动,所以,电子运动是上述两种运动的合成,其轨迹是一螺旋线,2.磁透镜:能产生旋转对称非均匀磁场的磁极装置。 可用于电子波聚焦 恒磁透镜和电磁透镜。,电子做圆锥螺旋运动。 一束平行于主轴的入射电子，通过电磁透镜后将被聚焦在轴线上一点，即焦点。,短线圈磁场的聚焦成像原理最关键的是理解右图,a. 将透镜磁场中任意一点B分解为轴向分量Bz和径向分量Br,b.电子以速度v进入透镜,在Bz作用下匀速直线运动,受到Br作用产生切向力,获得切向速度V

16、t,开始做圆周运动瞬间,由于Vt垂直于Bz,则产生径向作用力Fr,电子向轴偏转,如何提高电磁透镜的效率问题,短线圈磁场-一部分磁力线在线圈外,把短线圈装在软磁材料里，可提高相应区域磁场强度。,加极靴,旋转对称的不均匀磁场，像电子透镜一样，使运动电子向轴心偏转并聚焦，这成为电磁透镜研究的开端,极靴由上下两部分组成，分别与铁壳衔接，从铁壳磁路整体来看，极靴成为唯一的空隙部分，在几毫米空隙之中磁力线集中分布，磁场强度可达1000-10000T，具有强烈会聚能力，正是它起透镜的作用。极靴的设计制造至关重要，基本决定了电镜成像的质量，一般由导磁率高，矫顽力小，化学性质稳定，内部组织均匀的软铁材料制造。,

17、电磁透镜焦距可由下式来近似计算：,与光学玻璃透镜相似，电磁透镜物距L1、像距L2和焦距f三者之间关系也可用薄透镜公式表示。整理可得,或,当透镜像距L2一定时,透镜像的放大倍数与焦距成反比; 当透镜物距L1=2f时,透镜像放大倍数M1,所以,无论激磁方向如何,焦距总是正的,表明电磁透镜总是会聚透镜(convex lens),即使忽略了电子的衍射效应，电磁透镜也不能把一个理想的物点聚焦成一个理想的像点,$7 电磁透镜的像差(aberration),原因：电磁透镜具有各种像差,像差分类：,几何像差： 因透镜磁场几何上的缺陷产生,球差(spherical aberration),像散(astigmat

18、ism),像畸变(distortion),色差(chromatic)：由电子的波长或能量非单一性引起,有些像差理论上不可能加以补偿和校正,如：球差，光学玻璃透镜可以用会聚透镜和发散透镜的组合或设计特殊的抛物形界面等措施来补偿校正 但对电磁透镜，这样的校正不可能,式中 Cs电磁透镜球差系数(spherical aberration coefficient)； -电磁透镜孔径半角。,球差：是由电磁透镜磁场中，近轴区域对电子束的折射能力与远轴区域不同而产生的。,1)几何像差（包括球差、像散和像畸变）,一般来说总是远轴比近轴区域的折射能力大，此类球差叫做正球差。,球差最小散焦斑半径rs 可用下式来计算

19、：,减小透镜孔径半角，可以显著的减小散焦斑半径。,像散：是由透镜磁场非旋转对称引起的一种像差。,产生原因：电磁透镜中极靴圆孔有点椭圆度，上、下极靴孔不同轴，端面不平行，极靴材料的各向导磁率差异，以及极靴污染等等都可能导致磁透镜磁场的非旋转对称。,像散散焦斑半径rA 可由下式来确定：,fA由透镜磁场非旋转对称性产生的焦距差；-透镜孔径半角。,像散散焦斑与焦距差成正比，透镜磁场非旋转对称性越明显，焦距差越大，散焦斑越大,像散可以用机械，静电或电磁式消像散器适当地加以补偿校正,像畸变：由球差引起，正球差枕形畸变，负球差桶形畸变，磁转角旋转畸变,2)色差,色差：由于成像电子波长（或能量）变化引起电磁透

20、镜焦距变化而产生的一种像差。,色差散焦斑半径由下式确定：,式中 Cc电子透镜色差系数，随激磁电流增大而减小； 电磁透镜孔径半角；E/E成像电子束能量变化率。,色差散焦斑半径与成像电子束能量变化率成正比。成像电子束能量变化原因：1）电子枪加速电压的不稳定；2）单一能量或波长的电子束照射样品物质时，将于样品原子的核外电子发生非弹性散射。 操作使用时应尽量减小样品厚度。,$8 电磁透镜的分辨本领,分辨本领是透镜最重要的性能指标。,它取决于透镜的像差和衍射效应。是两者综合作用的结果,光学玻璃透镜可以用会聚透镜和发散透镜的组合或设计特殊的抛物形界面等措施来补偿校正像差，所以其分辨率取决于衍射效应,最大的

21、孔径半角=7075,在最佳条件下，分辨本领可以达到半波长,电磁透镜有些像差不可消，衍射和球差都限制电磁透镜分辨本领。其分辨率达不到半波长,减小孔径角，减小球差，典型值在10-210-3弧度,当照明电子束波长一定时，透镜孔径半角越大，衍射效应越小，但是球差引起的散焦斑越大,A0.40.55，B1.131.4；照明电子束波长；Cs物镜球差系数。 以上说明，虽然电子束波长仅为可见光波长的十万分之一左右，但电磁透镜分辨本领并没有因此而提高十万倍。这主要是受像差尤其是球差的限制。,所以，必须兼顾衍射和球差影响,关键是确定电磁透镜的最佳孔径半角0，使得衍射效应埃利斑与球差散焦斑 尺寸大小相等，表明两者对透

22、镜分辨本领影响效果一样。,0确定过程,由于假设条件和计算方法的不同，以上两式中常数项有所不同,$9电磁透镜的景深和焦长 景深Df ：透镜物平面允许的轴向偏差。它与电磁透镜分辨本领ro、孔径半角之间关系： 电磁透镜孔径半角越小，景深越大。电磁透镜 =10-210-3弧度， Df=（2002000）r0。如果透镜分辨本领r0=10，Df=200020000。对于加速电压100kV的电子显微镜，样品厚度在2000左右。 焦长DL：透镜像平面允许的轴向偏差。DL与分辨本领r0、像点所张的孔径半角 之间的关系： M透镜放大倍数。,当电磁透镜放大倍数和分辨本领一定时，透镜焦长随孔径半角减小而增大。 如：一电磁透镜分辨本领r0=10，孔径半角=10-2弧度，放大倍数M=200倍，计算焦长DL=8107=8mm 。表明该透镜实际像平面在理想像平面上或下各4mm范围内移动时不需改变透镜聚焦状态，图像仍保持清晰。 对于由多级