電子顯微分析報(bào)告(共9頁)

1、材料電子顯微分析(fnx)技術(shù)與應(yīng)用電子顯微鏡(簡稱電鏡)經(jīng)過五十多年的發(fā)展已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中不可缺少的重要工具。我國的電子顯微學(xué)也有了長足(chngz)的進(jìn)展。電子顯微鏡的創(chuàng)制者魯斯卡(E.Ruska)教授因而獲得了1986年諾貝爾獎(jiǎng)的物理獎(jiǎng)。電子與物質(zhì)相互作用會(huì)產(chǎn)生透射電子,彈性散射電子,能量損失電子,二次電子,背反射電子,吸收(xshu)電子,X射線,俄歇電子,陰極發(fā)光和電動(dòng)力等等。電子顯微鏡就是利用這些信息來對(duì)試樣進(jìn)行形貌觀察、成分分析和結(jié)構(gòu)測定的。電子顯微鏡有很多類型,主要有透射電子顯微鏡(簡稱透射電鏡,TEM)和掃描電子顯微鏡(簡稱掃描電鏡,SEM)兩大類。半個(gè)多世紀(jì)以來電子顯微

2、學(xué)的奮斗目標(biāo)主要是力求觀察更微小的物體結(jié)構(gòu)、更細(xì)小的實(shí)體、甚至單個(gè)原子,并獲得有關(guān)試樣的更多的信息,如標(biāo)征非晶和微晶,成分分布,晶粒形狀和尺寸,晶體的相、晶體的取向、晶界和晶體缺陷等特征,以便對(duì)材料的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析及標(biāo)征研究。近來,電子顯微鏡(電子顯微學(xué)),包括掃描隧道顯微鏡等,又有了長足的發(fā)展。1.透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡（英語：Transmission electron microscope，縮寫TEM），簡稱透射電鏡，是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。散射角的大小與樣品的密度、厚度相關(guān)，因此可以形成明暗不同的影像

3、。通常，透射電子顯微鏡的分辨率為0.10.2nm，放大倍數(shù)為幾萬百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2微米、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)，又稱“亞顯微結(jié)構(gòu)”。常見的透射電鏡如圖1所示。圖1常見的透射電鏡透射電子顯微鏡的構(gòu)造及原理透射電鏡是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率、高放大倍率的電子光學(xué)儀器。它由三個(gè)系統(tǒng)，即光學(xué)系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和電子線路控制系統(tǒng)成。光學(xué)系統(tǒng)透射電鏡的光學(xué)系統(tǒng)(xtng)即鏡筒是電鏡的主體。它從電子源起一直到觀察記錄系統(tǒng)為止，由數(shù)個(gè)電磁透鏡部件組成，如上圖電鏡是由二個(gè)聚光鏡，試樣室，物鏡，中間鏡和二個(gè)投影鏡以及(yj)觀察室所組成，如圖2所。圖2透

4、射電鏡光學(xué)系統(tǒng)照明系統(tǒng)。它由電子槍和二個(gè)聚光鏡組成。它的功能是提供一個(gè)亮度大、尺寸(ch cun)小的照明光斑。亮度是由電子發(fā)射強(qiáng)度決定的,而光斑大小主要由聚光鏡的性能所決定的。普通電鏡都采用發(fā)夾式鎢燈絲。為了獲得更好的亮度,有些電鏡采用，燈絲或場發(fā)射電子槍。成像系統(tǒng)。透射電子顯微鏡的成像系統(tǒng)由物鏡、中間鏡(1、2個(gè))和投影鏡(1、2個(gè))組成。成像系統(tǒng)的兩個(gè)基本操作是將衍射花樣或圖像投影到熒光屏上。照明系統(tǒng)提供了一束相干性很好的照明電子束，這些電子穿越樣品后便攜帶樣品的結(jié)構(gòu)信息，沿各自不同的方向傳播(比如，當(dāng)存在滿足布拉格方程的晶面組時(shí)，可能在與入射束交成2q角的方向上產(chǎn)生衍射束)。物鏡將來自

5、樣品不同部位、傳播方向相同的電子在其背焦面上會(huì)聚為一個(gè)斑點(diǎn)，沿不同方向傳播的電子相應(yīng)地形成不同的斑點(diǎn)，其中散射角為零的直射束被會(huì)聚于物鏡的焦點(diǎn)，形成中心斑點(diǎn)。這樣，在物鏡的背焦面上便形成了衍射花樣。而在物鏡的像平面上，這些電子束重新組合相干成像。通過調(diào)整中間鏡的透鏡電流，使中間鏡的物平面與物鏡的背焦面重合，可在熒光屏上得到衍射花樣。若使中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合則得到顯微像。通過兩個(gè)中間鏡相互配合，可實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)調(diào)整相機(jī)長度和放大倍數(shù)。由衍射狀態(tài)變換到成像狀態(tài)，是通過改變中間鏡的激磁強(qiáng)度(即改變其焦距)實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)過程中，物鏡和投影鏡的焦距不變，中間鏡以上的光路保持恒定。通常為了便

6、于圖像聚焦，物鏡的焦距只需在很小的范圍內(nèi)變化。從上述成像原理可以看出，物鏡提供了第一幅衍射花樣和第一幅顯微像。物鏡所產(chǎn)生的任何缺陷都將被隨后的中間鏡和投影鏡接力放大?？梢?，透射電鏡分辨率的高低主要取決于物鏡，它在透射電鏡成像系統(tǒng)中占有頭等重要的位置。為獲得高分辨本領(lǐng)，通常采用強(qiáng)激磁、短焦距物鏡。中間鏡屬長焦距弱激磁透鏡。投影鏡與物鏡一樣屬強(qiáng)激磁透鏡，它的特點(diǎn)是具有很大的景深和焦長。這使得在改變中間鏡電流以改變放大倍數(shù)時(shí)，無須調(diào)整投影鏡電流，仍能得到清晰的圖像，同時(shí)容易保證在離開熒光屏平面(投影鏡像平面)一定距離處放置的感光片上所成的圖像與熒光屏上的相同。記錄(jl)系統(tǒng)。透射電鏡的最終成像結(jié)果

7、，顯現(xiàn)在觀察室內(nèi)的熒光屏上，觀察室處于投影(tuyng)鏡下，空間較大，開有13個(gè)鉛玻璃窗，可供操作者從外部觀察分析(fnx)用。對(duì)鉛玻璃的要求是既有良好的透光特性，又能阻斷X線散射和其他有害射線的逸出，還要能可靠地耐受極高的壓力差以隔離真空。由于電子束的成像波長太短，不能被人的眼睛直接觀察，電鏡中采用了涂有熒光物質(zhì)的熒光屏板把接收到的電子影像轉(zhuǎn)換成可見光的影像。觀察者需要在熒光屏上對(duì)電子顯微影像 進(jìn)行選區(qū)和聚焦等調(diào)整與觀察分析，這要求熒光屏的發(fā)光效率高，光譜和余輝適當(dāng)，分辨力好。目前多采用能發(fā)黃綠色光的硫化鋅-鎘類熒光粉做為涂布材料，直徑約在1520cm。熒光屏的中心部分為一直徑約10cm的

8、圓形活動(dòng)熒光屏板，平放時(shí)與外周熒屏吻合，可以進(jìn)行大面積觀察。使用外部操縱手柄可將活動(dòng)熒屏拉起，斜放在45角位置，此時(shí)可用電鏡置配的雙目放大鏡,在觀察室外部通過玻璃窗來精確聚焦或細(xì)致分析影像結(jié)構(gòu)；而活動(dòng)熒光屏完全直立豎起時(shí)能讓電子影像通過，照射在下面的感光膠片上進(jìn)行曝光。 在觀察中電子束長時(shí)間轟擊生物醫(yī)學(xué)樣品標(biāo)本，必會(huì)使樣品污染或損傷。所以對(duì)有診斷分析價(jià)值的區(qū)域，若想長久地觀察分析和反復(fù)使用電鏡成像結(jié)果，應(yīng)該盡快把它保留下來，將因?yàn)殡娮邮Z擊生物醫(yī)學(xué)樣品造成的污染或損傷降低到最小。此外，熒光屏上的粉質(zhì)顆粒的解像力還不夠高，尚不能充分反映出電鏡成像的分辨本領(lǐng)。將影像記錄存儲(chǔ)在膠片上便解決了這些問題

9、。現(xiàn)代電鏡都可以在底片上打印出每張照片拍攝時(shí)的工作參數(shù)，如：加速電壓值、放大率 、微米標(biāo)尺、簡要文字說明、成像日期、底片序列號(hào)及操作者注解等備查的記錄參數(shù)。觀察室與照相室之間有真空隔離閥。以便在更換底片時(shí)，只打開照相室而不影響整個(gè)鏡筒的真空。電鏡的操作面板上的CRT顯示器主要用于電鏡總體工作狀態(tài)的顯示、操作鍵盤的輸入內(nèi)容顯示、計(jì)算機(jī)與操作者之間的人機(jī)對(duì)話交流提示以及電鏡維修調(diào)整過程中的程序提示、故障警示等。真空系統(tǒng)電鏡鏡筒內(nèi)的電子束通道對(duì)真空度要求很高，電鏡工作必須保持在10-310-a以上的真空度（高性能的電鏡對(duì)真空度的要求更達(dá)10-a以上），因?yàn)殓R筒中的殘留氣體分子如果與高速電子碰撞，就會(huì)

10、產(chǎn)生電離放電和散射電子，從而引起電子束不穩(wěn)定，增加像差，污染樣品，并且殘留氣體將加速高熱燈絲的氧化，縮短燈絲壽命。獲得高真空是由各種真空泵來共同配合抽取的。真空抽氣系統(tǒng)是由2部分組成，各為1套機(jī)械泵（RP）和擴(kuò)散泵（DP），分別聯(lián)接鏡體的上半部鏡筒部分和下半部照相室部分。抽氣過程是：先由機(jī)械泵將該部分（如鏡筒）真空抽至10-1Pa 以下，由“皮拉尼”真空規(guī)（P）監(jiān)測真空度達(dá)到這個(gè)值時(shí)，提供一個(gè)信號(hào)送給中央微處理器，由控制電路自動(dòng)操縱擴(kuò)散泵啟動(dòng)工作；當(dāng)（鏡筒）真空度達(dá)到10-4Pa時(shí)，“潘寧”規(guī)（PE）發(fā)出可以接通鏡體電源電路的信號(hào)，而如果鏡筒因某種 原因突然漏氣，真空度一但低于設(shè)定值，“潘寧”

11、規(guī)（PE）將立即“通知”控制電路切斷工作電源。在電鏡工作中，鏡筒總會(huì)或多或少漏進(jìn)一些氣體(不可能絕對(duì)密封)，所以真空泵也一直在不停地工作著，使鏡體的真空度維持在一個(gè)較高的數(shù)值，達(dá)到平衡狀態(tài)。在工作過程之中，如需要更換樣品，則控制電路自動(dòng)操縱控制鏡體外部的集合電磁閥，向電子槍閥門（GV）和鏡筒閥門（CV）提供氣壓動(dòng)力，令其關(guān)閉，只給鏡筒中部放氣，待到換畢樣品重 新抽取真空達(dá)到原來真空度時(shí)，再切斷氣壓動(dòng)力使兩閥門開啟，聯(lián)通鏡筒的上下真空和光路通道，余此類推。透射(tu sh)電子顯微鏡應(yīng)用1.2.1 電子衍射分析(fnx)：（1）電子(dinz)波當(dāng)電子波（具有一定能量的電子）落到晶體上時(shí)，被晶體

12、中原子散射，各散射電子波之間產(chǎn)生互相干涉現(xiàn)象。晶體中每個(gè)原子均對(duì)電子進(jìn)行散射，使電子改變其方向和波長。在散射過程中部分電子與原子有能量交換作用，電子的波長發(fā)生變化，此時(shí)稱非彈性散射；若無能量交換作用，電子的波長不變，則稱彈性散射。在彈性散射過程中，由于晶體中原子排列的周期性，各原子所散射的電子波在疊加時(shí)互相干涉，散射波的總強(qiáng)度在空間的分布并不連續(xù)，除在某一定方向外，散射波的總強(qiáng)度為零。（2）電子衍射花樣 圖3 電子衍射花樣示意圖（3）電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來。電子波長短，單晶的電子衍射花樣如晶體的倒易點(diǎn)陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從

13、底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡單。物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)，約為X射線一萬倍，曝光時(shí)間短。電子衍射與X射線(shxin)衍射相比的不足之處：電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致(yzh)兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍射花樣，特別是強(qiáng)度分析變得復(fù)雜，不能象X射線那樣從測量衍射強(qiáng)度來廣泛的測定結(jié)構(gòu)。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子(dinz)透射能力有限，要求試樣薄，這就使試樣制備工作較X射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)比X射線低。1.2.2 薄晶體衍襯成像：（1）樣品的制備電子束對(duì)金屬薄膜的穿透能力與加速電壓有關(guān)，加速電壓為：200KV

14、穿透厚度為：500nm加速電壓為：1000KV 穿透厚度為：1500nm對(duì)樣品的要求：一般金屬樣品的厚度在500nm 以下樣品制備過程中不能改變樣品的組織結(jié)構(gòu)膜應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度，操作過程不變形不產(chǎn)生氧化和腐蝕（2）工藝過程由大塊試樣制備金屬薄膜的工藝過程主要分三個(gè)步驟： 切割成“薄塊”，厚度為0.20.5mm（有色金屬為0.5mm，鋼為0.20.3mm) 預(yù)減薄成“薄片”，厚度為：0.050.07mm(5070m)。（砂紙上磨或化學(xué)腐蝕后再磨) 減薄成“薄膜”，500nm（0.5m）（使用雙噴電解拋光法穿孔法或雙離子束減薄穿孔法）（3）衍襯成像原理成像方式如圖4所示：明場像與暗場像 a）中

15、心暗場像 b）中心明場像 圖4 成像方式（4）消光(xio un)距離電子波在晶體中傳播過程中，入射電子受原子(yunz)強(qiáng)烈的散射作用，在晶體內(nèi)部透射波與入射波之間的相互作用實(shí)際上是不能忽視的。（5）衍襯運(yùn)動(dòng)學(xué)簡介(jin ji)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論有兩個(gè)先決條件：考慮衍射束和入射束之間的的相互作用。不考慮電子束通過晶體樣品時(shí)引起的多次反射和吸收。在滿足上述兩個(gè)條件后，運(yùn)動(dòng)學(xué)理論是以下面兩個(gè)基本假設(shè)為基礎(chǔ)的：A 光束近似電子束通過薄晶體試樣時(shí)，除了透射束外只存在一束較強(qiáng)的衍射束，其它衍射束遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離布拉格方程，其強(qiáng)度視為零。而這束較強(qiáng)的衍射束只是接近布拉格條件而不精確符合布拉格條件B 柱體近似把成象單元

16、縮小到和一個(gè)晶胞相當(dāng)?shù)某叨?，可以假定透射束和衍射束都能在一個(gè)和晶胞尺寸相當(dāng)?shù)木е鶅?nèi)通過。掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡的制造是依據(jù)電子與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)一束高能的入射電子轟擊物質(zhì)表面時(shí)，被激發(fā)的區(qū)域?qū)a(chǎn)生二次電子、俄歇電子、特征x射線和連續(xù)譜X射線、背散射電子、透射電子，以及在可見、紫外、紅外光區(qū)域產(chǎn)生的電磁輻射。同時(shí)，也可產(chǎn)生電子-空穴對(duì)、晶格振動(dòng) （聲子）、電子振蕩 （等離子體）。原則上講，利用電子和物質(zhì)的相互作用，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電場或磁場等等。常見的掃描電子顯微鏡如圖5所示。圖5 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡構(gòu)造及原

17、理構(gòu)造掃描電子顯微鏡由三大部分組成：真空系統(tǒng)，電子束系統(tǒng)以及成像系統(tǒng)。（1）真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)主要包括真空泵和真空柱兩部分。真空柱是一個(gè)密封的柱形容器。真空泵用來(yn li)在真空柱內(nèi)產(chǎn)生真空。有機(jī)械泵、油擴(kuò)散泵以及渦輪分子泵三大類，機(jī)械泵加油擴(kuò)散泵的組合可以滿足配置鎢槍的SEM的真空要求，但對(duì)于裝置(zhungzh)了場致發(fā)射槍或六硼化鑭槍的SEM，則需要機(jī)械泵加渦輪分子(fnz)泵的組合。成像系統(tǒng)和電子束系統(tǒng)均內(nèi)置在真空柱中。真空柱底端即為右圖所示的密封室，用于放置樣品。之所以要用真空，主要基于以下原因：電子束系統(tǒng)中的燈絲在普通大氣中會(huì)迅速氧化而失效，所以除了在使用SEM時(shí)需要用真空以外，

18、平時(shí)還需要以純氮?dú)饣蚨栊詺怏w充滿整個(gè)真空柱。為了增大電子的平均自由程，從而使得用于成像的電子更多。（2）電子束系統(tǒng)電子束系統(tǒng)由電子槍和電磁透鏡兩部分組成，主要用于產(chǎn)生一束能量分布極窄的、電子能量確定的電子束用以掃描成像。電子槍用于產(chǎn)生電子，主要有兩大類，共三種。一類是利用場致發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，稱為場致發(fā)射電子槍。這種電子槍極其昂貴，在十萬美元以上，且需要小于10-10torr的極高真空。但它具有至少1000小時(shí)以上的壽命，且不需要電磁透鏡系統(tǒng)。另一類則是利用熱發(fā)射效應(yīng)產(chǎn)生電子，有鎢槍和六硼化鑭槍兩種。鎢槍壽命在30100小時(shí)之間，價(jià)格便宜，但成像不如其他兩種明亮，常作為廉價(jià)或標(biāo)準(zhǔn)SEM配置。六

19、硼化鑭槍壽命介于場致發(fā)射電子槍與鎢槍之間，為2001000小時(shí)，價(jià)格約為鎢槍的十倍，圖像比鎢槍明亮510倍，需要略高于鎢槍的真空，一般在10-7torr以上；但比鎢槍容易產(chǎn)生過度飽和和熱激發(fā)問題。（3）電磁透鏡熱發(fā)射電子需要電磁透鏡來成束，所以在用熱發(fā)射電子槍的SEM上，電磁透鏡必不可少。通常會(huì)裝配兩組：匯聚透鏡：顧名思義，匯聚透鏡用匯聚電子束，裝配在真空柱中，位于電子槍之下。通常不止一個(gè)，并有一組匯聚光圈與之相配。但匯聚透鏡僅僅用于匯聚電子束，與成像會(huì)焦無關(guān)。物鏡：物鏡為真空柱中最下方的一個(gè)電磁透鏡，它負(fù)責(zé)將電子束的焦點(diǎn)匯聚到樣品表面。成像系統(tǒng)電子經(jīng)過一系列電磁透鏡成束后，打到樣品上與樣品相

20、互作用，會(huì)產(chǎn)生次級(jí)電子、背散射電子、歐革電子以及X射線等一系列信號(hào)。所以需要不同的探測器譬如次級(jí)電子探測器、X射線能譜分析儀等來區(qū)分這些信號(hào)以獲得所需要的信息。雖然X射線信號(hào)不能用于成像，但習(xí)慣上，仍然將X射線分析系統(tǒng)劃分到成像系統(tǒng)中。2.1.2 工作原理SEM的工作原理是用一束極細(xì)的電子束掃描樣品，在樣品表面激發(fā)出次級(jí)電子，次級(jí)電子的多少與電子束入射角有關(guān)，也就是說與樣品的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)，次級(jí)電子由探測體收集，并在那里被閃爍器轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，再經(jīng)光電倍增管和放大器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)來控制熒光屏上電子束的強(qiáng)度，顯示出與電子束同步的掃描圖像。圖像為立體形象，反映了標(biāo)本的表面結(jié)構(gòu)。為了使標(biāo)本表面發(fā)射出次級(jí)電

21、子，標(biāo)本在固定、脫水后，要噴涂上一層重金屬微粒，重金屬在電子束的轟擊下發(fā)出次級(jí)電子信號(hào)。掃描電子顯微鏡的應(yīng)用2.1.2 二次電子成像技術(shù)二次電子是被入射電子轟擊出的原子的核外電子，其主要特點(diǎn)是：(1)能量(nngling)小于 50eV ，在固體樣品中的平均自由(zyu)程只有10100nm，在這樣淺的表層里，入射電子(dinz)與樣品原子只發(fā)出有限次數(shù)的散射，因此基本上未向側(cè)向擴(kuò)散；(2)二次電子的產(chǎn)額強(qiáng)烈依賴于入射束與試樣表面法線間的夾角a , a大的面發(fā)射的二次電子多，反之則少。根據(jù)上述特點(diǎn)，二次電子像主要是反映樣品表面10 nm左右的形貌特征，像的襯度是形貌襯度，襯度的形成主要取于樣品表面相對(duì)于入射電子束的傾角。如果樣品表面光滑平整（無形貌特征），則不形