材料研究方法及電子掃描顯微鏡

1、1.電子束與固體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的物理信號 材料研究方法電子束作用于試樣上電子束作用于試樣上所產(chǎn)生的物理信號主所產(chǎn)生的物理信號主要有背散射電子、二要有背散射電子、二次電子、吸收電子、次電子、吸收電子、透射電子、俄歇電子、透射電子、俄歇電子、連續(xù)連續(xù)X X射線、特征射線、特征X X射射線、線、X X熒光、陰極發(fā)光、熒光、陰極發(fā)光、衍射電子等。衍射電子等。 材料研究方法 各種物理信號各種的產(chǎn)生深度、 廣度、途和分辨率深度和廣度范圍 材料研究方法各種物理信號應(yīng)用的深度和廣度 材料研究方法概念：概念：背散射電子是背散射電子是被固體樣品反射回來的入射電子，被固體樣品反射回來的入射電子，其中包括彈性背散其

2、中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子的能量幾乎沒有損失，而射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子的能量幾乎沒有損失，而非彈性背散射電子的能量有不同程度的損失。非彈性背散射電子的能量有不同程度的損失。2 各種物理信號的產(chǎn)生機理及用途2.1 背射電子特點：特點：總的來說，背散射電子的總的來說，背散射電子的能量較高能量較高，等于或接近入射電子的能量。，等于或接近入射電子的能量。其產(chǎn)率隨試樣原子序數(shù)的增大而增大其產(chǎn)率隨試樣原子序數(shù)的增大而增大。用途：用途：在掃描電鏡和電子探針中，用背散射電子可以在掃描電鏡和電子探針中，用背散射電子可以獲得試樣的表面形貌獲得試樣的表面形貌像像和和成分

3、像成分像。 材料研究方法概念：概念：在入射電子的撞擊下，脫離原子核的束縛，逸出在入射電子的撞擊下，脫離原子核的束縛，逸出試樣表面的自由電子試樣表面的自由電子稱為二次電子。稱為二次電子。特點：特點：二次電子的二次電子的能量較低能量較低(小于小于50eV)，產(chǎn)生范圍小產(chǎn)生范圍?。▋H在試樣表面（僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生）；層內(nèi)產(chǎn)生）；產(chǎn)率與試樣的表產(chǎn)率與試樣的表面形狀密切相關(guān)面形狀密切相關(guān)，對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，能很，對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，能很好地反映試樣的表面形貌。好地反映試樣的表面形貌。 用途：用途：在掃描電鏡中用來在掃描電鏡中用來獲取試樣的表面形貌像獲取試樣的表面形貌像。 2.22

4、.2二次電子二次電子 材料研究方法概念：概念：被試樣吸收掉的入射電子稱為吸收電子被試樣吸收掉的入射電子稱為吸收電子。特點：特點：吸收電子的吸收電子的數(shù)量與試樣的厚度、密度、組成試樣數(shù)量與試樣的厚度、密度、組成試樣的原子序數(shù)有關(guān)的原子序數(shù)有關(guān)。試樣的厚度赿大、密度赿大，原子。試樣的厚度赿大、密度赿大，原子序數(shù)赿大，吸收電子的數(shù)量就赿大。如果試樣足夠厚，序數(shù)赿大，吸收電子的數(shù)量就赿大。如果試樣足夠厚，電子不能透過試樣，那么入射電子電子不能透過試樣，那么入射電子I0與背散射電子與背散射電子IB、二次電子二次電子IS和吸收電子和吸收電子IA之間有以下關(guān)系之間有以下關(guān)系 I0=IB+IS+IA 故故吸收

5、電子像是二次電子像、背散射電子像的負(fù)像。吸收電子像是二次電子像、背散射電子像的負(fù)像。用途：用途：在掃描電鏡中，可以用其在掃描電鏡中，可以用其獲取試樣的形貌像、成獲取試樣的形貌像、成分像。分像。2.3 吸收電子 材料研究方法概念：概念：穿透試樣的入射電子稱為透射電子穿透試樣的入射電子稱為透射電子。特點：特點：透射電子的透射電子的數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān)數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān)。試樣厚度赿小，加速電壓赿高，透過試樣的電子數(shù)量試樣厚度赿小，加速電壓赿高，透過試樣的電子數(shù)量就赿多。試樣比較薄的時候，由于有透射電子存在，就赿多。試樣比較薄的時候，由于有透射電子存在，(1)式的右邊應(yīng)加上透射電

6、子項，即式的右邊應(yīng)加上透射電子項，即 I0=IB+IS+IA+IT用途：用途：透射電子是透射電子顯微鏡要檢測的主要信息，透射電子是透射電子顯微鏡要檢測的主要信息，用于用于高倍形貌像觀察高倍形貌像觀察，高分辨，高分辨原子、分子、晶格像觀原子、分子、晶格像觀察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。2.4透射電子 材料研究方法由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子為俄歇電子。如下圖所示，入。如下圖所示，入射電子使試樣中某原子的內(nèi)層射電子使試樣中某原子的內(nèi)層(如如K層層)電子激發(fā)電子激發(fā)(打飛打飛)后，外后，外層電子層電子(如如L2層電子層電子)將回躍到內(nèi)將回躍到內(nèi)

7、層層(K層層)來填補空位，多余的能來填補空位，多余的能量量(E=EL2-EK)不是以特征不是以特征X射射線的形式釋放出來，而是傳給線的形式釋放出來，而是傳給了外層了外層(如如L3層層)的電子，使之的電子，使之激發(fā)。這個過程稱為俄歇作用，激發(fā)。這個過程稱為俄歇作用，由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。電子。2.5俄歇電子 材料研究方法 俄歇電子與特征俄歇電子與特征X射線一樣，射線一樣，具有特定的能量和波具有特定的能量和波長長，其能量和波長取決于原子的核外電子能級，其能量和波長取決于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。因此每種元素都有自己的特征俄歇能譜。結(jié)構(gòu)。因此每種元素都有自己的特征俄

8、歇能譜。俄歇電子的能量一般是俄歇電子的能量一般是502000eV，逸出深度逸出深度420 ，相當(dāng)于，相當(dāng)于23個原子層。這種電子能個原子層。這種電子能反映反映試樣的表面特征試樣的表面特征。 因此因此,檢測俄歇電子可以對試樣檢測俄歇電子可以對試樣表面成分表面成分和和表表面形貌面形貌進行分析。進行分析。 材料研究方法 與與X射線管產(chǎn)生連續(xù)射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線的原理一樣，不同的是，這里射線的原理一樣，不同的是，這里作陽極的不是磨光的金屬表面，而是試樣。當(dāng)電子束作陽極的不是磨光的金屬表面，而是試樣。當(dāng)電子束轟擊試樣表面時，有的電子可能與試樣中的原子碰撞轟擊試樣表面時，有的電子可能與試樣中的原子碰撞一次

9、而停止，而有的電子可能與原子碰撞多次，直到一次而停止，而有的電子可能與原子碰撞多次，直到能量消耗殆盡為止。每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長的能量消耗殆盡為止。每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長的X射線，由于各次碰撞的時間和能量損失不同，產(chǎn)生射線，由于各次碰撞的時間和能量損失不同，產(chǎn)生的的X射線的波長也不相同，加上碰撞的電子極多，因射線的波長也不相同，加上碰撞的電子極多，因此將產(chǎn)生各種不同波長的此將產(chǎn)生各種不同波長的X射線射線連續(xù)連續(xù)X射線。射線。 連續(xù)連續(xù)X射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予扣除?？鄢?。 2.6連續(xù)X射線 材料研究方法 電子束與固體物質(zhì)作用會產(chǎn)生特征

10、電子束與固體物質(zhì)作用會產(chǎn)生特征X射線，這與射線，這與X射線射線管產(chǎn)生特征管產(chǎn)生特征X射線的過程和原理相同。射線的過程和原理相同。 特征特征X射線的波長決定于原子的核外電子能級結(jié)射線的波長決定于原子的核外電子能級結(jié)構(gòu)。每種元素都有自己特定的特征構(gòu)。每種元素都有自己特定的特征X射線譜。一種元射線譜。一種元素的某根特征素的某根特征X射線射線(如如K1)的波長是不變的，它是的波長是不變的，它是識別元素的一種特有標(biāo)志。在識別元素的一種特有標(biāo)志。在X射線譜中發(fā)現(xiàn)了某種射線譜中發(fā)現(xiàn)了某種元素的特征元素的特征X射線，就可以肯定該元素的存在。射線，就可以肯定該元素的存在。 特征特征X射線是電子探針射線是電子探針

11、微區(qū)成分分析微區(qū)成分分析所檢測的主所檢測的主要信號。要信號。 2.7特征X射線 材料研究方法 由由X射線激發(fā)產(chǎn)生的次級射線激發(fā)產(chǎn)生的次級X射線稱為熒光射線稱為熒光X射線。射線。其產(chǎn)生機理與其產(chǎn)生機理與X射線管產(chǎn)生射線管產(chǎn)生X射線的機理是一樣的，不同的是熒光射線的機理是一樣的，不同的是熒光X射線以射線以X射線作激發(fā)源。射線作激發(fā)源。 高能電子束轟擊試樣，會產(chǎn)生特征高能電子束轟擊試樣，會產(chǎn)生特征X射線和連續(xù)射線和連續(xù)X射線，射線，特征特征X射線會激發(fā)另一些元素的內(nèi)層電子而產(chǎn)生次級特征射線會激發(fā)另一些元素的內(nèi)層電子而產(chǎn)生次級特征X射線。這種由特征射線。這種由特征X射線激發(fā)出來的二級特征射線激發(fā)出來的

12、二級特征X射線，叫做射線，叫做特征特征X熒光熒光。從樣品中發(fā)射出來的連續(xù)。從樣品中發(fā)射出來的連續(xù)X射線，也會激發(fā)出射線，也會激發(fā)出一些二級一些二級X射線。這種由連續(xù)射線。這種由連續(xù)X射線激發(fā)出來的二級連續(xù)射線激發(fā)出來的二級連續(xù)X射射線叫做線叫做連續(xù)連續(xù)X熒光熒光。 電子探針定量分析時，必須考慮電子探針定量分析時，必須考慮X射線熒光效應(yīng)的影響，射線熒光效應(yīng)的影響，進行進行X熒光校正。熒光校正。2.8熒光熒光X射線射線 材料研究方法 陰極熒光實際上是陰極熒光實際上是由陰極射線由陰極射線（電子束）（電子束）激發(fā)激發(fā)出來的一種波長較長的電磁波出來的一種波長較長的電磁波，一般是指可，一般是指可見光，有些

13、書上把紅外光和紫外光也包括在見光，有些書上把紅外光和紫外光也包括在內(nèi)。內(nèi)。 產(chǎn)生陰極熒光的物質(zhì)主要是那些含有雜質(zhì)產(chǎn)生陰極熒光的物質(zhì)主要是那些含有雜質(zhì)元素或晶格缺陷元素或晶格缺陷(如間隙原子、晶格空位等如間隙原子、晶格空位等)的的絕緣體或半導(dǎo)體。絕緣體或半導(dǎo)體。2.9陰極熒光 材料研究方法 如右圖所示，入射電子束作用在試樣上，使得價如右圖所示，入射電子束作用在試樣上，使得價帶帶(滿帶滿帶)上的電子激發(fā)，從價帶赿過禁帶進入上的電子激發(fā)，從價帶赿過禁帶進入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，可以是直接導(dǎo)帶。導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，可以是直接躍回價帶，多余的能量以電磁幅射的形式一次躍回價帶，多余的能量以電磁

14、幅射的形式一次釋放出來，其波長由導(dǎo)帶與價帶的能級差釋放出來，其波長由導(dǎo)帶與價帶的能級差(E=Ed-Ej)決定。如果其波長在可見光的范圍，決定。如果其波長在可見光的范圍，就會發(fā)出可見熒光。如果其波長比可見光短，就會發(fā)出可見熒光。如果其波長比可見光短，比比X光長，那樣就會發(fā)出紫外熒光。光長，那樣就會發(fā)出紫外熒光。 導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，也可能先躍到雜質(zhì)能導(dǎo)帶上的電子躍回價帶時，也可能先躍到雜質(zhì)能級級(或者說被雜質(zhì)能級捕獲或者說被雜質(zhì)能級捕獲)然后再從雜質(zhì)能級然后再從雜質(zhì)能級躍回價帶。這種情況下，其多余的能量將分躍回價帶。這種情況下，其多余的能量將分兩次釋放出來，如果都是以電磁波的形式釋兩次釋放出

15、來，如果都是以電磁波的形式釋放，那么其波長將由導(dǎo)帶能級、價帶能級和放，那么其波長將由導(dǎo)帶能級、價帶能級和雜質(zhì)能級來決定。如果波長在可見光范圍，雜質(zhì)能級來決定。如果波長在可見光范圍，就會發(fā)出可見熒光，如果波長比可見光的長，就會發(fā)出可見熒光，如果波長比可見光的長，就可能發(fā)出紅外熒光。就可能發(fā)出紅外熒光。 陰極發(fā)光可用來陰極發(fā)光可用來研究礦物的發(fā)光性、所含研究礦物的發(fā)光性、所含雜質(zhì)類型和晶格缺陷雜質(zhì)類型和晶格缺陷等。等。 材料研究方法各種物理信號的產(chǎn)生深度和廣度范圍 材料研究方法掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡1.掃描電鏡的特點和工作原理2.掃描電鏡的構(gòu)造3.掃描電鏡的主要性能4.掃描電鏡的樣品制備5.

16、掃描電鏡的應(yīng)用 材料研究方法1.掃描電鏡的特點特點和工作原理掃描電鏡的特點特點和工作原理 掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫為SEM (Scanning Electron Microscope)。SEM與電子探針（EPMA）的功能和結(jié)構(gòu)基本相同，但SEM一般不帶波譜儀（WDS）。它是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析。現(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進行成分分析。所以，SEM也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。 掃描電鏡可以直接觀察大塊試樣，樣品制備非常方便，加之掃描電

17、鏡的景深大，放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大，分辨本領(lǐng)比較高，所以它成為固體材料樣品表面分析的有效工具，尤其適合于觀察比較粗糙的表面和材料斷口和顯微組織的三維形態(tài)。掃描電鏡不僅能做表面形貌分析，而且能配置各種附件，做表面成分分析及表層晶體學(xué)位向分析等。 材料研究方法掃描電鏡成像示意圖 材料研究方法JSM-6700F場發(fā)射掃描電鏡 材料研究方法2.掃描電鏡的構(gòu)造掃描電鏡由5個系統(tǒng)組成1.電子光學(xué)系統(tǒng)2.掃描系統(tǒng)3.信號收集系統(tǒng)4.圖像顯示和記錄系統(tǒng)5.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng) 材料研究方法掃描電鏡的主要性能放大倍率高（放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（分辨率高（d0=dmin/M總）總）景深大（景深大（F

18、d0/）保真度好保真度好 材料研究方法放大倍率高放大倍率高從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進行選擇。如果放大倍率為需要進行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率人眼分辨率為為0.20.2mm，儀器分辨率為儀器分辨率為5 5nm，則有效放大率則有效放大率M0.2 106nm 5nm=40000（倍）。如果選擇高于倍）。如果選擇高于4000040000倍的放大倍率，不會增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛倍的放大倍率，不會增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無實際意義。放大倍率是由分辨率

19、制約，放，一般無實際意義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。 材料研究方法分辨率高分辨率高分辨率指能分辨的兩點之間的最小距離。分辨率分辨率指能分辨的兩點之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式可以用貝克公式表示：表示：d=0.61 /nsin ， 為透鏡孔徑半角，為透鏡孔徑半角， 為照明樣品的光波長，為照明樣品的光波長，n為透鏡與樣品間介質(zhì)為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。對光學(xué)顯微鏡折射率。對光學(xué)顯微鏡 7070 7575 ，n=1.4。因為因為 nsin1.4，而可見光波長范圍為：而可見光波長范圍為： 400400nm-700nm ，所以光學(xué)顯微鏡分辨所

20、以光學(xué)顯微鏡分辨率率 d 0.5 ，顯然顯然 d 200nm。要提高分辨率可以通過減小照明波要提高分辨率可以通過減小照明波長來實現(xiàn)。長來實現(xiàn)。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種是用電子束照射樣品，電子束是一種De Broglie波，波，具有波粒二相性，具有波粒二相性， 12.26/12.26/V0.5(伏伏) ) ，如果，如果V20kV時，則時，則 0.00850.0085nm。目前用目前用W燈絲的燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到分辨率已達(dá)到3 3nm-6nm, 場發(fā)場發(fā)射源射源SEM分辨率可達(dá)到分辨率可達(dá)到1 1nm 。高分辨率的電子束直徑要小，分辨高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近

21、似相等。率與子束直徑近似相等。 材料研究方法景深大 景深大的圖像立體感強，對粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的景深大的圖像立體感強，對粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深的景深f可以用如下公式表示：可以用如下公式表示：式中式中D為工作距離，為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，為物鏡光闌孔徑，M為為 放大倍率，放大倍率，d為電子束直徑。為電子束直徑?？梢钥闯?，長工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像?？梢钥闯?，長工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。 材料研究方法保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接樣品通常不需要作任何處理即可以直接進行觀察，所以不會由于制樣原因而產(chǎn)生假進行觀察，所以不會由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對斷口的失效分析特別重要。象。這對斷口的失效分析特別重要。 材料研究方法掃描電鏡的樣品制備掃描電鏡的樣品制備掃描電鏡的樣品制備一般是非常方便的，只要樣品尺寸合適，就可以直接放到儀器中去觀察。樣品