12節(jié)電子顯微分析前言

1、第二章 電子顯微分析前言材料的固有性質(zhì)、材料的結(jié)構(gòu)與成分、材料的使用性能和材料的合成與加工構(gòu)成材料研究的四大要素。任何一種材料的宏觀性能或行為，都是由其微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的?，F(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于對(duì)材料性能和成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解；對(duì)材料在微觀層次上的表征技術(shù)，構(gòu)成了材料科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。用電子光學(xué)儀器對(duì)物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成份進(jìn)行研究的技術(shù)構(gòu)成電子顯微術(shù)。電子顯微分析：利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。特點(diǎn)：可以在極高的分辨率下直接觀察試樣；位錯(cuò)水泥斷口特點(diǎn)：是一種微區(qū)分析方法，成像分辨率可達(dá)0.20.3nm

2、，可以直接分辨原子，能夠在納米尺度上對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分組成進(jìn)行分析。特點(diǎn)：日益向多功能化、綜合化方向發(fā)展，即可以進(jìn)行形貌，物相、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的綜合分析。電子顯微分析主要儀器：透射電子顯微鏡（TEM） 是一種具有原子尺度分辨能力，能同時(shí)提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功能的儀器。選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進(jìn)行微區(qū)成份分析，得到全面的信息。掃描電子顯微鏡（SEM） SEM解釋試樣成像及制作試樣較容易；以較高的分辨率（3.5nm）和很大的景深，清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌，輻以多種方式給出微區(qū)成份等信息，用來觀察斷口表面微觀形態(tài)，分析研究斷

3、裂的原因和機(jī)理，以及其它方面的應(yīng)用，為研究物體表面結(jié)構(gòu)及成份的利器。電子探針（EPMA） 是在掃描電鏡的基礎(chǔ)上配上波譜儀或能譜儀的顯微分析儀器，它可以對(duì)微米數(shù)量級(jí)側(cè)向和深度范圍內(nèi)的材料微區(qū)進(jìn)行相當(dāng)靈敏和精確的化學(xué)成份分析，基本上解決了鑒定元素分布不均勻的困難。第一節(jié) 電子顯微分析的發(fā)展電子顯微鏡本身結(jié)構(gòu)方面：1934年Ruska在實(shí)驗(yàn)室制作第一部穿透式電子顯微鏡transmission electron microscope，TEM)； 1938 年，第一部商售電子顯微鏡問世。在1940年時(shí)，常用的50 至100 keV 之TEM 其分辨率(resolving power) 約在l0 nm左右

4、，而最佳分辨率則在2至3 nm之間。 掃描電子顯微鏡 (scanning electron microscope， SEM) 原理的提出與發(fā)展，約與TEM 同時(shí) ; 但直到1964年，第一部商售SEM才問世。TEM主要發(fā)展方向?yàn)椋?(一) 高電壓：增加電子穿透試樣的能力，可觀察較厚、較具代表性的試樣；減少波長像差，增加分辨率等，目前已有數(shù)部23 MeV 的TEM在使用中。 (二)高分辨率：已增進(jìn)到廠家保證最佳解像能力為點(diǎn)與點(diǎn)間0.18 nm、線與線間0.14nm。美國于1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中l(wèi)000 keV之原子分辨電子顯微鏡，其點(diǎn)與點(diǎn)間之分辨率達(dá)0. 17nm，可直接觀察晶體

5、中的原子。 (三) 分析裝置：如附加電子能量分析儀 (electron analyzer，EA) 可鑒定微區(qū)域的化學(xué)組成。 (四)場發(fā)射電子光源: 具高亮度及契合性，電子束可小至1 nm。除適用于微區(qū)成份分析外，更有潛力發(fā)展三度空間全像術(shù)(holography、 micro-analyzer，XPMA) 等分析儀器，以辨別物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分等。 近年來將TEM與SEM結(jié)合為一，取二者之長所制成的掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope，STEM) 亦漸普及 。STEM 附加各種分析儀器，如XPMA、EA 等，亦稱為分析電子顯

6、微鏡 (analytical electron Microscope) 。 分析型透射電子顯微鏡分析型透射電子顯微鏡超高壓電鏡緒 論常用光電觀測儀器比較 近代材料學(xué)者利用電磁輻射或粒子與材料作用產(chǎn)生訊號(hào)來分析材料之構(gòu)造與缺陷。常用分析儀器包括光學(xué)顯微鏡、X光衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長，亦有短缺不足之處。緒 論常用光電觀測儀器比較表 1 各種主要分析儀器之比較表儀器特性光學(xué)顯微鏡X光衍射儀電子顯微鏡質(zhì)波可見光X 光電子波長5000 1 0.037 (100 kV)介質(zhì)空氣空氣真 空( torr至 torr)鑒別率 2000 X衍射: 直接成像: m衍射: 直接成像：(a)點(diǎn)與點(diǎn)間1

7、.8 (b)線與線間1.4 偏 折聚焦鏡光學(xué)鏡片無電磁透鏡試片不限厚度反射：不限厚度穿透：mm掃瞄式：僅受試樣基座大小影響穿透式：1000 訊號(hào)類表明區(qū)域統(tǒng)計(jì)平均局部微區(qū)域可獲資料表面微細(xì)結(jié)構(gòu)主要為晶體結(jié)構(gòu),化學(xué)組成晶體結(jié)構(gòu),微細(xì)組織,化學(xué)組成電子分布情況等SEM SEMSEMSEM第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)：研究帶電粒子（電子、離子）在電場和磁場中運(yùn)動(dòng)，特別是在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)、聚焦和成像規(guī)律的一門科學(xué)。光學(xué)顯微鏡的分辨率 由于光波的波動(dòng)性，使得由透鏡各部分折射到像平面上的像點(diǎn)及其周圍區(qū)域的光波發(fā)生相互干涉作用，產(chǎn)生衍射效應(yīng)。一個(gè)理想的物點(diǎn)，經(jīng)過透鏡成像時(shí)，由于衍射效應(yīng)，在像平面上形成的不

8、再是一個(gè)像點(diǎn)，而是一個(gè)具有一定尺寸的中央亮斑和周圍明暗相間的圓環(huán)所構(gòu)成的Airy斑。如圖5-1所示。透鏡分辨率測量結(jié)果表明Airy斑的強(qiáng)度大約84%集中在中心亮斑上，其余分布在周圍的亮環(huán)上。由于周圍亮環(huán)的強(qiáng)度比較低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗環(huán)的半徑來衡量其大小。根據(jù)衍射理論推導(dǎo)，點(diǎn)光源通過透鏡產(chǎn)生的Airy斑半徑R0的表達(dá)式為： （5-1）通常把兩個(gè)Airy斑中心間距等于Airy斑半徑時(shí)，物平面上相應(yīng)的兩個(gè)物點(diǎn)間距（r0）定義為透鏡能分辨的最小間距，即透鏡分辨率（也稱分辨本領(lǐng)）。由式5-1得： 即 （5-2）對(duì)于光學(xué)透鏡，當(dāng)nsin做到最大時(shí)（n1.5，

9、70-75），式（5-2）簡化為： 有效放大倍數(shù)上式說明，光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明源的波長。半波長是光學(xué)顯微鏡分辨率的理論極限?？梢姽獾淖疃滩ㄩL是390nm，也就是說光學(xué)顯微鏡的最高分辨率是200nm。一般地人眼的分辨本領(lǐng)是大約0.2mm，光學(xué)顯微鏡的最大分辨率大約是0.2m。把0.2m放大到0.2mm讓人眼能分辨的放大倍數(shù)是1000倍。這個(gè)放大倍數(shù)稱之為有效放大倍數(shù)。光學(xué)顯微鏡的分辨率在0.2m時(shí)，其有效放大倍數(shù)是1000倍。光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)可以做的更高，但是，高出的部分對(duì)提高分辨率沒有貢獻(xiàn)，僅僅是讓人眼觀察更舒服而已。所以光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般最高在1000-1500之間。如

10、何提高顯微鏡的分辨率根據(jù)式（5-3），要想提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是降低照明光源的波長。順著電磁波譜朝短波長方向?qū)ふ?，紫外光的波長在13-390nm之間，比可見光短多了。但是大多數(shù)物質(zhì)都強(qiáng)烈地吸收紫外光，因此紫外光難以作為照明光源。更短的波長是X射線。但是，迄今為止還沒有找到能使X射線改變方向、發(fā)生折射和聚焦成象的物質(zhì)，也就是說還沒有X射線的透鏡存在。因此X射線也不能作為顯微鏡的照明光源。除了電磁波譜外，在物質(zhì)波中，電子波不僅具有短波長，而且存在使之發(fā)生折射聚焦的物質(zhì)。所以電子波可以作為照明光源，由此形成電子顯微鏡。 電子波長 根據(jù)德布羅意（de Broglie）的觀點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)的電子除了具有粒子性外，還具有波動(dòng)性。這一點(diǎn)上和可見光相似。電子波的波長取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，即 （5-4）式中，h為普郎克常數(shù)：h=6.62610-34J.s；m為電子質(zhì)量；v為電子運(yùn)動(dòng)速度，它和加速電壓U之間存在如下關(guān)系： 即 （5-5）式中e為電子所帶電荷，e=1.610-19C。將（5-5）式和（