掃描電子顯微鏡課件

掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡1概述

電子探針是電子探針X射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫為EPMA或EMA(ElectronprobeX-raymicro-analyser)，掃描電子顯微境英文縮寫為SEM（ScanningElectronMicroscope）。這兩種儀器是分別發(fā)展起來的，但現(xiàn)在的EPMA都具有SEM的圖像觀察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，這兩種儀器的基本構(gòu)造、分析原理及功能日趨相同。特別是現(xiàn)代能譜儀，英文縮寫為EDS（EnergyDispersiveSpectrometer），也有人寫為EDX（EnergyDispersiveX-raySpectrometer）。EDS與SEM組合時(shí)，不但可以進(jìn)行較準(zhǔn)確的成分分析，而且一般都具有很強(qiáng)的圖像分析和圖像處理功能。由于EDS分析速度快等特點(diǎn)，現(xiàn)在EPMA通常也與EDS組合。概述電子探針是電子探針X射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫2

EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀，測量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X射線的波長與強(qiáng)度，從而對(duì)微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等信息進(jìn)行形貌觀察。是現(xiàn)代固體材料顯微分析(微區(qū)成份、形貌和結(jié)構(gòu)分析)的最有用儀器，應(yīng)用十分廣泛。電子探針和掃描電鏡都是用計(jì)算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可進(jìn)行彩色圖像處理和圖像分析工作，所以是一種現(xiàn)代化的大型綜合分析儀。據(jù)2003年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各種型號(hào)的電子探針和掃描電鏡超過2000臺(tái)，分布在各個(gè)領(lǐng)域。EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣3電子與固體試樣的交互作用

一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過程和俄歇電子、吸收電子等。電子與固體試樣的交互作用一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)4樣品入射電子

Auger電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X射線透射電子

樣品入射電子Auger電子陰極發(fā)光背散射電子二次5二次電子

入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子。二次電子能量低，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。

二次電子入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（6背散射電子

背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E。)。背散射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)背散射電子背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈7光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。5μm－1μm處，利用高能電子束激發(fā)分析試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、吸收電子、背散射電子及陰極熒光等信息來分析試樣的微區(qū)內(nèi)(μm范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。背散射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)2106nm5nm=40000（倍）。日本電子公司的JXA-8621電子探針為波譜(WDS)和能譜(EDS)組合儀，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制WDS和EDS，使用方便。對(duì)不導(dǎo)電的試樣，例如陶瓷、玻璃、有機(jī)物等，在電子探針的圖像觀察、成分分析時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電、電子束漂移、表面熱損傷等現(xiàn)象。從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。以及日本電子公司場發(fā)射電子槍的JXA-8500F電子探針，二次電子像分辨率3納米。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(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。電子探針分析的基本原理早在1913年就被Moseley發(fā)現(xiàn)，但直到1949年，法國的Castaing在guinier教授的指導(dǎo)下，才用透射電鏡（TEM）改裝成一臺(tái)電子探針樣機(jī)。每一個(gè)元素都有一個(gè)特征X射線波長與之對(duì)應(yīng)，不同元素分析時(shí)用不同線系，輕元素用Ka線系，中等原子序數(shù)元素用Ka或La線系，一些重元素常用Ma線系。特別是現(xiàn)代能譜儀，英文縮寫為EDS（EnergyDispersiveSpectrometer），也有人寫為EDX（EnergyDispersiveX-raySpectrometer）。電子探針和掃描電鏡用WDS或EDS的定性和定量分析時(shí)，就是利用電子束轟擊試樣所產(chǎn)生的特征X射線。日本電子公司的JXA-8600系列和島津公司的EPMA-8705系列就是這種新一代儀器的代表。將試樣用環(huán)氧樹脂膠浸泡，在500C－600C時(shí)放入低真空容器內(nèi)抽氣，然后在60°C恒溫烘箱內(nèi)烘烤4h，即可獲得堅(jiān)固的塊狀試樣。試樣表面必須拋光，在100倍反光顯微鏡下觀察時(shí)，能比較容易地找到50μm×50μm無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。電子探針的主要組成部份為:1.圖為耐火材料－玻璃界面元素的變化規(guī)律，圖中直線為分析線（電子束掃描線）。元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等原子序數(shù)的元素定量分析準(zhǔn)確度已接近波譜。背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為

式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。

光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用8背散射電子與二次電子

的信號(hào)強(qiáng)度與Z的關(guān)系結(jié)論二次電子信號(hào)在原序數(shù)Z>20后，其信號(hào)強(qiáng)度隨Z變化很小。用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，并可確定元素定性、定量分析點(diǎn)。背散射電子與二次電子

的信號(hào)強(qiáng)度與Z的關(guān)系結(jié)論二次電子9特征X射線

高能電子入射到試樣時(shí)，試樣中元素的原子內(nèi)殼層(如K、L殼層)電子將被激發(fā)到較高能量的外殼層，如L或M層，或直接將內(nèi)殼層電子激發(fā)到原子外，使該原子系統(tǒng)的能量升高——激發(fā)態(tài)。這種高能量態(tài)是不穩(wěn)定的，原子較外層電子將迅速躍遷到有空位的內(nèi)殼層，以填補(bǔ)空位降低原子系統(tǒng)的總能量，并以特征X射線或Auger電子的方式釋放出多余的能量。由于入射電子的能量及分析的元素不同，會(huì)產(chǎn)生不同線系的特征X射線，如K線系、L線系、M線系。如果原子的K層電子被激發(fā)，L3層電子向K層躍遷，所產(chǎn)生的特征X射線稱Kα1，M層電子向K層躍遷產(chǎn)生的X射線稱Kβ特征X射線高能電子入射到試樣時(shí)，試樣中元素的原子10電子探針和掃描電鏡用WDS或EDS的定性和定量分析時(shí)，就是利用電子束轟擊試樣所產(chǎn)生的特征X射線。每一個(gè)元素都有一個(gè)特征X射線波長與之對(duì)應(yīng)，不同元素分析時(shí)用不同線系，輕元素用Ka線系，中等原子序數(shù)元素用Ka或La線系，一些重元素常用Ma線系。入射到試樣表面的電子束能量，必須超過相應(yīng)元素的相應(yīng)殼層電子的臨界激發(fā)能Ve，電子束加速電壓V0＝（2—3）×Ve時(shí)，產(chǎn)生的特征X射線強(qiáng)度較高，根據(jù)所分析的元素不同，V0通常用10kV－30kV。電子探針和掃描電鏡用WDS或EDS的定性和定量分析時(shí)，就是11特征X射線能級(jí)圖特征X射線能級(jí)圖12俄歇過程和俄歇電子

當(dāng)一束電子﹑離子﹑光子或者其它入射源照射在固體表層時(shí),表層原子某一芯層K能級(jí)上的一個(gè)電子受入射粒子撞擊后飛離該能級(jí)，原子由基態(tài)進(jìn)入受激狀態(tài)。原子的退激過程包含著下述一種非輻射過程(見圖7.1)。即:由不在同一芯層L能級(jí)上的一個(gè)電子躍遷，去填補(bǔ)受激后在K層初次產(chǎn)生的空穴；多余的能量誘發(fā)能級(jí)等同或低于填補(bǔ)電子原來所在L能級(jí)上的另一個(gè)電子發(fā)射。原子處于退激后的狀態(tài)。這種非輻射過程被命名為俄歇過程。退激過程發(fā)射的電子就是俄歇電子。俄歇過程和俄歇電子當(dāng)一束電子﹑離子﹑光子或者其它入射源照13俄歇過程和俄歇電子俄歇過程和俄歇電子14

俄歇電子的特點(diǎn)是：具有特征動(dòng)能，動(dòng)能的大小取決于原子內(nèi)有關(guān)芯層結(jié)合能的強(qiáng)弱。俄歇電子的特征動(dòng)能具有類似于指紋鑒定的作用，可以用它表征原子的種類與原子所處的化學(xué)狀態(tài)。通常，俄歇譜儀采用的俄歇電子能量在幾十個(gè)電子伏特（eV）至2300eV的范圍內(nèi)。俄歇電子的特點(diǎn)是：具有特征動(dòng)能，動(dòng)能的大小取決于原子內(nèi)有關(guān)15吸收電子

入射電子與試樣相互作用后，能量耗盡的電子稱吸收電子。吸收電子的信號(hào)強(qiáng)度與背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度相反，即背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度弱，則吸收電子的強(qiáng)度就強(qiáng)，反之亦然，所以吸收電子像的襯度與背散射電子像的襯度相反。通常吸收電子像分辨率不如背散射電子像，一般很少用。吸收電子入射電子與試樣相互作用后，能量耗盡的電子稱吸收16各種信息的作用深度

從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。

各種信息的作用深度從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，17掃描電子顯微鏡引言掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理掃描電鏡圖象及襯度掃描電鏡結(jié)果分析示例掃描電鏡的主要特點(diǎn)掃描電子顯微鏡18bMgX射線像1000×圖以及日本電子公司場發(fā)射電子槍的JXA-8500F電子探針，二次電子像分辨率3納米。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應(yīng)盡量小，特別對(duì)分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，小試樣能改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。多余的能量誘發(fā)能級(jí)等同或低于填補(bǔ)電子原來所在L能級(jí)上的另一個(gè)電子發(fā)射。主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。是現(xiàn)代固體材料顯微分析(微區(qū)成份、形貌和結(jié)構(gòu)分析)的最有用儀器，應(yīng)用十分廣泛?，F(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析。定量分析的試樣要均質(zhì)，厚度通常應(yīng)大于5μm。多年來，還用電子探針的入射電子束注入試樣來誘發(fā)離子遷移，研究了固體中微區(qū)離子遷移動(dòng)力學(xué)、離子遷移機(jī)理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過程等，已經(jīng)取得了許多新的結(jié)果。將電子束在試樣表面掃描時(shí)，元素在試樣表面的分布能在CRT上以亮度分布顯示出來（定性分析）X射線譜儀系統(tǒng)、3.典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。電子探針分析雖然還存在一些問題，但它仍然是目前微區(qū)定量分析最可靠的儀器，不管是分析過程及修正的物理模型都比較完善，所得結(jié)果也是可靠的，這就是電子探針之所以能得到廣泛應(yīng)用的主要原因。以前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，數(shù)字圖像可以進(jìn)行圖像處理和圖像分析。凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。05）%，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。

掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫為SEM(ScanningElectronMicroscope)。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(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析?，F(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)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。

引言bMgX射線像1000×圖19SEM與EPMA是分別發(fā)展起來的，SEM商品是1965年問世，當(dāng)時(shí)分辨率約為25nm。我國1973年研制，已生產(chǎn)多種型號(hào)的SEM。國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。日本每年生產(chǎn)SEM約1600臺(tái)，國內(nèi)現(xiàn)有SEM超過500臺(tái)。SEM與EPMA是分別發(fā)展起來的，SEM商品是1965年20掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理1.掃描電鏡的工作原理及特點(diǎn)掃描電鏡的工作原理與閉路電視系統(tǒng)相似。掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理1.掃描電鏡的工作原理及特點(diǎn)21掃描電鏡成像示意圖掃描電鏡成像示意圖22光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏照相底板照相底板光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃電子鏡聚光鏡試樣物鏡中間象232.掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)

主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。2.掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信24JEOLJSM－7000F功能：最高加速電壓30Kv，最大放大倍數(shù)65萬倍，分辨率1.5nm。配有二次電子探頭、背散射電子探頭、能譜儀以及STEM附件?？捎糜诓牧系谋砻嫘蚊卜治龊统煞址治?。

JEOLJSM－7000F25掃描電鏡圖象及襯度二次電子像背散射電子像掃描電鏡圖象及襯度二次電子像261．二次電子象

二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度。因?yàn)槎坞娮有盘?hào)主要來處樣品表層5－10nm的深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒有明確的關(guān)系，但對(duì)微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。在掃描電鏡中，二次電子檢測器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上。1．二次電子象二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表27二次電子發(fā)射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系圖（a）為電子束垂直入射，（b）為傾斜入射。圖(c)為入射角與二次電子從樣品中出射距離的關(guān)系。二次電子能量低，從樣品表面逸出的深度為5nm－10nm。如果產(chǎn)生二次電子的深度為x，逸出表面的最短距離則為xcosθ（圖c），顯然，大θ角的xcosθ小，會(huì)有更多的二次電子逸出表面。觀察比較平坦的樣品表面時(shí)，如果傾斜一定的角度，會(huì)得到更好的二次電子圖像襯度。二次電子發(fā)射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系圖（a）為電子束垂直入射，（b28據(jù)2003年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各種型號(hào)的電子探針和掃描電鏡超過2000臺(tái)，分布在各個(gè)領(lǐng)域。EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀，測量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X射線的波長與強(qiáng)度，從而對(duì)微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等信息進(jìn)行形貌觀察。對(duì)于熱導(dǎo)差的材料，如K=0.1，典型的有機(jī)化合物k=0.功能：最高加速電壓30Kv，最大放大倍數(shù)65萬倍，分辨率1.對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，還可以自動(dòng)聚焦分析。X射線譜儀系統(tǒng)、3.通常吸收電子像分辨率不如背散射電子像，一般很少用。從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。將電子束在試樣表面掃描時(shí)，元素在試樣表面的分布能在CRT上以亮度分布顯示出來（定性分析）式中ν為元素的特征X射線頻率，Z為原子序數(shù)，K與σ均為常數(shù)，C為光速?，F(xiàn)在試樣臺(tái)已用光編碼定位，準(zhǔn)確度優(yōu)于1μm，對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，Z軸方向可以自動(dòng)聚焦。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm,場發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一個(gè)10μm～100μm交叉點(diǎn)（Crossover)，再經(jīng)過二級(jí)會(huì)聚透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個(gè)小于1μm的電子探針。α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，還可以自動(dòng)聚焦分析。EPMA-8705電子探儀所允許的最大試樣尺寸為102mm×20mm。樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。觀察比較平坦的樣品表面時(shí)，如果傾斜一定的角度，會(huì)得到更好的二次電子圖像襯度。電子探針是電子探針X射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫為EPMA或EMA(ElectronprobeX-raymicro-analyser)，掃描電子顯微境英文縮寫為SEM（ScanningElectronMicroscope）。二次電子能量低，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X射線，但產(chǎn)生的特征X射線波長太長，通常無法進(jìn)行檢測，少數(shù)電子探針用大面間距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測Be元素。一般形貌觀察時(shí)，蒸鍍小于10nm厚的金導(dǎo)電膜。對(duì)于熱導(dǎo)差的材料，如K=0.a背散射電子成分像1000×圖國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，并可確定元素定性、定量分析點(diǎn)。所以均勻試樣沒有必要做得很大，有代表性即可。電子探針和掃描電鏡都是用計(jì)算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可進(jìn)行彩色圖像處理和圖像分析工作，所以是一種現(xiàn)代化的大型綜合分析儀。近年來能譜儀的圖象處理和圖象分析功能發(fā)展很快。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱為波長色散譜儀(WDS)。該方法用于顯微結(jié)構(gòu)的成份分析，例如，對(duì)材料晶界、夾雜、析出相、沉淀物、奇異相及非化學(xué)計(jì)量材料的組成等研究。1，典型的有機(jī)化合物k=0.如果試樣表面鍍上10nm的鋁膜，則ΔT減少到760K?，F(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析。入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度。凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn)額δ∝K/cosθK為常數(shù)，θ為入射電子與樣品表面法線之間的夾角，

θ角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對(duì)樣品表面狀態(tài)非常敏感。據(jù)2003年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各種型號(hào)的電子探針和掃描電鏡超29形貌襯度原理形貌襯度原理30掃描電子顯微鏡課件31背散射電子像

背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù)Z增大而增加，電子信號(hào)，形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)，形成較亮的區(qū)域，而平均原子序數(shù)較低的區(qū)域則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。背散射電子像背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄?2ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均原子序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和SiO2

相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來石混合區(qū)為莫來石－斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來石。ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，33玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像34掃描電鏡結(jié)果分析示例β—Al2O3試樣高體積密度與低體積密度的形貌像2200×拋光面掃描電鏡結(jié)果分析示例β—Al2O3試樣高體積密度與低體積密度35斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)36粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)(a)300×(b)6000×粉體形貌觀察α—Al203團(tuán)聚體(a)和團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒37鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×返回鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×返回38掃描電鏡的主要特點(diǎn)放大倍率高分辨率高景深大保真度好樣品制備簡單掃描電鏡的主要特點(diǎn)39放大倍率高從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M＝0.2106nm5nm=40000（倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無實(shí)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)。放大倍率高從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越40

分辨率高分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式表示：d=0.61/nsin，為透鏡孔徑半角，為照明樣品的光波長，n為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。對(duì)光學(xué)顯微鏡＝70－75，n=1.4。因?yàn)閚sin1.4，而可見光波長范圍為：＝400nm-700nm，所以光學(xué)顯微鏡分辨率d0.5，顯然d200nm。要提高分辨率可以通過減小照明波長來實(shí)現(xiàn)。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種De-Broglie波，具有波粒二相性，如果V＝20kV時(shí)，則＝0.0085nm。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm,場發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與電子束直徑近似相等。

分辨率高分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以41景深D大

景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深Δf可以用如下公式表示：Δf=

式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為放大倍率，d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。景深D大景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察42多孔SiC陶瓷的二次電子像多孔SiC陶瓷的二次電子像43a背散射電子成分像1000×圖凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。使分析點(diǎn)無法定位、圖像無法法聚焦。探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子－空穴對(duì)的數(shù)目N決定，由于電壓脈沖信號(hào)非常小，為了降低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置放大器對(duì)信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入多道脈沖高度分析器，把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設(shè)備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)—脈沖高度曲線，縱坐標(biāo)是脈沖數(shù)，即入射X射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關(guān)，橫坐標(biāo)為脈沖高度，與元素種類有關(guān)，這樣就可以測出X射線光子的能量和強(qiáng)度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散譜儀(EDS)，簡稱能譜儀。日本電子公司的JXA-8621電子探針為波譜(WDS)和能譜(EDS)組合儀，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制WDS和EDS，使用方便。電子探針的主要組成部份為:1.從幾十放大到幾十萬倍，連續(xù)可調(diào)。金屬材料一般都有較好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般電導(dǎo)和熱導(dǎo)都較差。使分析點(diǎn)無法定位、圖像無法法聚焦。能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之間的特征X射線能量不同，即E＝hν，h為普朗克常數(shù)，ν為特征X射頻率，通過EDS檢測試樣中不同能量的特征X射線，即可進(jìn)行元素的定性分析，EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射線譜峰往往相互重疊，必須正確判斷才能獲得正確的結(jié)果，分析過程中如果譜峰相互重疊嚴(yán)重，可以用WDS和EDS聯(lián)合分析，這樣往往可以得到滿意的結(jié)果。二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度?，F(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析。(a)300×(b)6000×05）%，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。譜儀分為二類:一類是波長色散譜儀(WDS)，一類是能量色散譜儀(EDS)。1，典型的有機(jī)化合物k=0.EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀，測量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X射線的波長與強(qiáng)度，從而對(duì)微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等信息進(jìn)行形貌觀察。試樣室可以安裝各種探測器，例如二次電子探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及光學(xué)顯微鏡等。對(duì)多孔或較疏松的試樣，例如有些燒結(jié)材料、腐蝕產(chǎn)物等，需采用真空鑲嵌方法。(a)300×(b)6000×圖為耐火材料－玻璃界面元素的變化規(guī)律，圖中直線為分析線（電子束掃描線）。不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，即具有不同能量，當(dāng)不同能量的X射線光子進(jìn)入鋰漂移硅[Si(Li)]探測器后，在Si(Li)晶體內(nèi)將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在低溫（如液氮冷卻探測器）條件下，產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對(duì)，平均消耗能量ε為3.一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）大100倍。如10000倍時(shí),TEM:D＝1m，SEM:10m,100倍時(shí)，OM:10m，SEM=1000m。a背散射電子成分像1000×圖一般情況下，SEM景深比T44保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對(duì)斷口的失效分析特別重要。保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以45樣品制備簡單

樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對(duì)不導(dǎo)電的樣品只需蒸鍍一層20nm的導(dǎo)電膜。另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過程的觀察。樣品制備簡單樣品可以是自然面、斷口、塊狀、粉體、反光及46電子探針顯微分析

電子探針的應(yīng)用范圍越來越廣，特別是材料顯微結(jié)構(gòu)－工藝－性能關(guān)系的研究，電子探針起了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)：顯微結(jié)構(gòu)分析

元素分析范圍廣定量分析準(zhǔn)確度高不損壞試樣、分析速度快微區(qū)離子遷移研究電子探針顯微分析電子探針的應(yīng)用范圍越來越廣，特別是材471.顯微結(jié)構(gòu)分析

電子探針是距離式樣0.5μm－1μm處，利用高能電子束激發(fā)分析試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、吸收電子、背散射電子及陰極熒光等信息來分析試樣的微區(qū)內(nèi)(μm范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。電子探針成分分析的空間分辨率（微區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個(gè)立方μm范圍，微區(qū)分析是它的一個(gè)重要特點(diǎn)之一,它能將微區(qū)化學(xué)成份與顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來，是一種顯微結(jié)構(gòu)的分析。而一般化學(xué)分析、X光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較大范圍內(nèi)的平均化學(xué)組成，也無法與顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng),不能對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系進(jìn)行研究。1.顯微結(jié)構(gòu)分析電子探針是距離式樣0.5μm－1μm處482.元素分析范圍廣電子探針?biāo)治龅脑胤秶话銖呐?B)——鈾(Ｕ)，因?yàn)殡娮犹结槼煞莘治鍪抢迷氐奶卣鱔射線，而氫和氦原子只有K層電子，不能產(chǎn)生特征X射線，所以無法進(jìn)行電子探針成分分析。鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X射線，但產(chǎn)生的特征X射線波長太長，通常無法進(jìn)行檢測，少數(shù)電子探針用大面間距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測Be元素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相同，分析元素范圍從硼(B)——鈾(Ｕ)2.元素分析范圍廣電子探針?biāo)治龅脑胤秶话銖呐?B493.定量分析準(zhǔn)確度高電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準(zhǔn)確的儀器。電子探針的檢測極限(能檢測到的元素最低濃度)一般為（0.01－0.05）%，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。3.定量分析準(zhǔn)確度高電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準(zhǔn)504.不損壞試樣、分析速度快

現(xiàn)在電子探針均與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行多種方法分析，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，對(duì)含10個(gè)元素以下的試樣定性、定量分析，新型電子探針在30min左右可以完成，如果用EDS進(jìn)行定性、定量分析，幾分種即可完成。對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，還可以自動(dòng)聚焦分析。電子探針分析過程中一般不損壞試樣，試樣分析后，可以完好保存或繼續(xù)進(jìn)行其它方面的分析測試，這對(duì)于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。4.不損壞試樣、分析速度快現(xiàn)在電子探針均與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，515.微區(qū)離子遷移研究多年來，還用電子探針的入射電子束注入試樣來誘發(fā)離子遷移，研究了固體中微區(qū)離子遷移動(dòng)力學(xué)、離子遷移機(jī)理、離子遷移種類、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過程等，已經(jīng)取得了許多新的結(jié)果。5.微區(qū)離子遷移研究多年來，還用電子探針的入射電子束注52電子探針的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢

電子探針分析的基本原理早在1913年就被Moseley發(fā)現(xiàn)，但直到1949年，法國的Castaing在guinier教授的指導(dǎo)下，才用透射電鏡（TEM）改裝成一臺(tái)電子探針樣機(jī)。1951年6月，Castaing在他的博士論文中，不僅介紹了他所設(shè)計(jì)的電子探針細(xì)節(jié)，而且還提出了定量分析的基本原理?，F(xiàn)在電子探針的定量修正方法盡管作了許多修正，但是，他的一些基本原理仍然適用。電子探針的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢電子探針分析的基本原理早在1531955年Castaing在法國物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上，展出了電子探針的原形機(jī),1956年由法國CAMECA公司制成商品，1958年才把第一臺(tái)電子探針裝進(jìn)了國際鎳公司的研究室中，當(dāng)時(shí)的電子探針是靜止型的,電子束沒有掃描功能。1956年英國的uncumb發(fā)明了電子束掃描方法，并在1959年安裝到電子探針儀上，使電子探針的電子束不僅能固定在一點(diǎn)進(jìn)行定性和定量分析，而且可以在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)掃描，能給出該區(qū)域的元素分布和形貌特征，從而擴(kuò)大了電子探針的應(yīng)用范圍。1955年Castaing在法國物理學(xué)會(huì)的一次會(huì)議上54

掃描型電子探針商品是1960年問世。70年代開始，電子探針和掃描電鏡的功能組合為一體，同時(shí)應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，例如當(dāng)時(shí)日本電子公司(JEOL)的JCXA—733電子探針，法國CAMECA公司的CAMEBAX—MICRO電子探針，以及日本島津公司的EPM—810Q型電子探針儀，均屬于這種組合儀。計(jì)算機(jī)控制的電子探針－掃描電鏡組合儀的出現(xiàn)，使電子探針顯微分析進(jìn)入了一個(gè)新的階段。掃描型電子探針商品是1960年問世。70年代開始，電子55八十年代后期，電子探針又具有彩色圖像處理和圖像分析功能，計(jì)算機(jī)容量擴(kuò)大，使分析速度和數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短，提高了儀器利用率，增加了新的功能。日本電子公司的JXA-8600系列和島津公司的EPMA-8705系列就是這種新一代儀器的代表。九十年代初，電子探針一般與能譜儀組合，電子探針、掃描電鏡可以與任何一家廠商的能譜儀組合，有的公司已有標(biāo)準(zhǔn)接口。日本電子公司的JXA-8621電子探針為波譜(WDS)和能譜(EDS)組合儀，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制WDS和EDS，使用方便。八十年代后期，電子探針又具有彩色圖像處理和圖像分析功能，56九十年代中期，電子探針的結(jié)構(gòu)，特別是波譜和試樣臺(tái)的移動(dòng)有新的改進(jìn)，通過鼠標(biāo)可以準(zhǔn)確定波譜和試樣臺(tái)位置，例如日本電子公司的JXA－8800、JXA－8100電子探針，日本島津公司的EPMA－1600電子探針等，均屬于這類儀器。新型號(hào)的EPMA和SEM的控制面板，已經(jīng)沒有眼花繚亂的各種調(diào)節(jié)旋鈕，完全由屏幕顯示，用鼠標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。為了提高燈絲亮度和圖像分辨率，現(xiàn)在的電子探針已經(jīng)有LaB6電子槍(日本電子公司)，二次電子像分辨率為5納米；CeBix電子槍（日本島津公司），二次電子像分辨率為5納米；以及日本電子公司場發(fā)射電子槍的JXA-8500F電子探針，二次電子像分辨率3納米。九十年代中期，電子探針的結(jié)構(gòu)，特別是波譜和試樣臺(tái)的移動(dòng)有57

我國從六十年代初開始陸續(xù)引進(jìn)電子探針和掃描電鏡，與此同時(shí)也開始了電子探針和掃描電鏡的研制工作，并生產(chǎn)了幾臺(tái)電子探針儀器，但由于種種原因，儀器的穩(wěn)定性和可靠性及許多其它技術(shù)指標(biāo)，與國外同類儀器相比還有一定的差距，很快就停止生產(chǎn)，電子探針到現(xiàn)在為止還靠進(jìn)口?，F(xiàn)在世界上生產(chǎn)電子探針的廠家主要有三家，即日本電子公司、日本島津公司和法國的CAMECA公司。

電子探針分析雖然還存在一些問題，但它仍然是目前微區(qū)定量分析最可靠的儀器，不管是分析過程及修正的物理模型都比較完善，所得結(jié)果也是可靠的，這就是電子探針之所以能得到廣泛應(yīng)用的主要原因。我國從六十年代初開始陸續(xù)引進(jìn)電子探針和掃描電鏡，與此58電子探針儀的構(gòu)造和工作原理電子探針儀的構(gòu)造和掃描電鏡相似電子探針儀的構(gòu)造和工作原理電子探針儀的構(gòu)造和掃描電鏡相似59電子探針分析的基本原理1、定性分析的基本原理２、定量分析的基本原理電子探針分析的基本原理1、定性分析的基本原理601.定性分析的基本原理

電子探針除了用電子與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進(jìn)行形貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X射線波長與強(qiáng)度，從而對(duì)試樣中元素進(jìn)行定性、定量分析。1.定性分析的基本原理電子探針除了用電子與試樣相互作用61式中ν為元素的特征X射線頻率，Z為原子序數(shù)，K與σ均為常數(shù)，C為光速。當(dāng)σ≈1時(shí)，λ與Z的關(guān)系式可寫成:定性分析的基礎(chǔ)是Moseley關(guān)系式:

由式可知，組成試樣的元素(對(duì)應(yīng)的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X射線波長(λ)有單值關(guān)系，即每一種元素都有一個(gè)特定波長的特征X射線與之相對(duì)應(yīng)，它不隨入射電子的能量而變化。如果用X射線波譜儀測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X射線波長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這就是定性分析的基本原理。式中ν為元素的特征X射線頻率，Z為原子序數(shù)，K與σ均為常數(shù)62能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之間的特征X射線能量不同，即E＝hν，h為普朗克常數(shù)，ν為特征X射頻率，通過EDS檢測試樣中不同能量的特征X射線，即可進(jìn)行元素的定性分析，EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射線譜峰往往相互重疊，必須正確判斷才能獲得正確的結(jié)果，分析過程中如果譜峰相互重疊嚴(yán)重，可以用WDS和EDS聯(lián)合分析，這樣往往可以得到滿意的結(jié)果。能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之間的特征X射線能量不同632.定量分析的基本原理試樣中A元素的相對(duì)含量CA與該元素產(chǎn)生的特征X射線的強(qiáng)度IA(X射線計(jì)數(shù))成正比:CA∝IA，如果在相同的電子探針分析條件下，同時(shí)測量試樣和已知成份的標(biāo)樣中A元素的同名X射線(如Kα線)強(qiáng)度，經(jīng)過修正計(jì)算，就可以得出試樣中A元素的相對(duì)百分含量CA:式中CA為某A元素的百分含量，K為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法，K可用不同的表達(dá)式表示，IA和I(A)分別為試樣中和標(biāo)樣中A元素的特征X射線強(qiáng)度，同樣方法可求出試樣中其它元素的百分含量。2.定量分析的基本原理試樣中A元素的相對(duì)含量CA與該元64電子探針的儀器構(gòu)造電子探針的主要組成部份為:1.電子光學(xué)系統(tǒng)、2.X射線譜儀系統(tǒng)、3.試樣室、4.電子計(jì)算機(jī)、5.掃描顯示系統(tǒng)、6.真空系統(tǒng)等。電子探針的儀器構(gòu)造電子探針的主要組成部份為:1.電子光65原子處于退激后的狀態(tài)。式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為放大倍率，d為電子束直徑。據(jù)2003年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各種型號(hào)的電子探針和掃描電鏡超過2000臺(tái)，分布在各個(gè)領(lǐng)域。不損壞試樣、分析速度快真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。電子探針的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢電子探針的主要組成部份為:1.ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種De-Broglie波，具有波粒二相性，如果V＝20kV時(shí)，則＝0.八十年代后期，電子探針又具有彩色圖像處理和圖像分析功能，計(jì)算機(jī)容量擴(kuò)大，使分析速度和數(shù)據(jù)處理時(shí)間縮短，提高了儀器利用率，增加了新的功能。從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。這兩種儀器是分別發(fā)展起來的，但現(xiàn)在的EPMA都具有SEM的圖像觀察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，這兩種儀器的基本構(gòu)造、分析原理及功能日趨相同。國產(chǎn)機(jī)的分辨率和可靠性等方面與進(jìn)口機(jī)器相比，還有一定的差距，現(xiàn)在SEM主要靠進(jìn)口。05）%，不同測量條件和不同元素有不同的檢測極限，但由于所分析的體積小，所以檢測的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(1—3)%，對(duì)原子序數(shù)大于11的元素，含量在10%以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。能量為E的X射線光子進(jìn)入Si(Li)晶體激發(fā)的電子－空穴對(duì)N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激發(fā)出的電子－空穴對(duì)數(shù)目也不同，例如，MnKα能量為5.電子探針分析的基本原理早在1913年就被Moseley發(fā)現(xiàn)，但直到1949年，法國的Castaing在guinier教授的指導(dǎo)下，才用透射電鏡（TEM）改裝成一臺(tái)電子探針樣機(jī)。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃中K,Na等元素在界面附近的變化規(guī)律不同，K,Na離子非常容易擴(kuò)散到耐火材料內(nèi)部，并進(jìn)入耐火材料的玻璃相中，使耐火材料粘度大大下降，這是引起耐火材料解體的原因之一二次電子發(fā)射強(qiáng)度與入射角的關(guān)系現(xiàn)在大部分掃描電鏡、電子探針及透射電鏡都配能譜儀，使成分分析更方便。電子探針的檢測極限(能檢測到的元素最低濃度)一般為（0.原子處于退激后的狀態(tài)。661.電子光學(xué)系統(tǒng)

電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的X射線激發(fā)源。（a）電子槍電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細(xì)聚焦電子束(探針)。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一個(gè)10μm～100μm交叉點(diǎn)（Crossover)，再經(jīng)過二級(jí)會(huì)聚透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個(gè)小于1μm的電子探針。電子束直徑和束流隨電子槍的加速電壓而改變，加速電壓可變范圍一般為1kV～30kV。1.電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像67（b）電磁透鏡

電磁透鏡分會(huì)聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡稱會(huì)聚透鏡，會(huì)聚透鏡一般分兩級(jí)，是把電子槍形成的10μm－100μm的交叉點(diǎn)縮小1－100倍后，進(jìn)入試樣上方的物鏡，物鏡可將電子束再縮小并聚焦到試樣上。為了擋掉大散射角的雜散電子，使入射到試樣的電子束直徑盡可能小，會(huì)聚透鏡和物鏡下方都有光闌。（b）電磁透鏡電磁透鏡分會(huì)聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡682.X射線譜儀（a）波長色散譜儀

X射線譜儀的性能，直接影響到元素分析的靈敏度和分辨本領(lǐng)，它的作用是測量電子與試樣相互作用產(chǎn)生的X射線波長和強(qiáng)度。譜儀分為二類:一類是波長色散譜儀(WDS)，一類是能量色散譜儀(EDS)。2.X射線譜儀（a）波長色散譜儀X射線譜儀的性能，直69眾所周知，X射線是一種電磁輻射，具有波粒二象性，因此可以用二種方式對(duì)它進(jìn)行描述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么特征X射線就能看成具有固定波長的電磁波，不同元素就對(duì)應(yīng)不同的特征X射線波長，如果不同X射線入射到晶體上，就會(huì)產(chǎn)生衍射，根據(jù)Bragg公式：

可以選用已知面間距d的合適晶體分光，只要測出不同特征射線所產(chǎn)生的衍射角2θ，就可以求出其波長λ，再根據(jù)公式就可以知道所分析的元素種類，特征X射線的強(qiáng)度是從波譜儀的探測器(正比計(jì)數(shù)管)測得。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱為波長色散譜儀(WDS)。眾所周知，X射線是一種電磁輻射，具有波粒二象性，因此可以70不同波長的X射線要用不同面間距的晶體進(jìn)行分光，日本電子公司的電子探針通常使用的四種晶體面間距及波長檢測范圍見表分光晶體及波長范圍

表中STE[Pb(C18H35O2)2]為硬脂酸鉛，TAP(C8H5O4TI)為鄰苯二甲酸氫鉈，PET(C5H12O4)為異戊四醇，LiF為氟化鋰晶體。不同波長的X射線要用不同面間距的晶體進(jìn)行分光，日本電子公71（b）能量色散譜儀如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成，光子的能量為E＝ｈν，ｈ為普朗克常數(shù)，ν為光子振動(dòng)頻率。不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，即具有不同能量，當(dāng)不同能量的X射線光子進(jìn)入鋰漂移硅[Si(Li)]探測器后，在Si(Li)晶體內(nèi)將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在低溫（如液氮冷卻探測器）條件下，產(chǎn)生一個(gè)電子－空穴對(duì)，平均消耗能量ε為3.8eV。能量為E的X射線光子進(jìn)入Si(Li)晶體激發(fā)的電子－空穴對(duì)N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激發(fā)出的電子－空穴對(duì)數(shù)目也不同，例如，MnKα能量為5.895keV,形成的電子－空穴對(duì)為1550個(gè)。（b）能量色散譜儀如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成72探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子－空穴對(duì)的數(shù)目N決定，由于電壓脈沖信號(hào)非常小，為了降低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置放大器對(duì)信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入多道脈沖高度分析器，把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設(shè)備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)—脈沖高度曲線，縱坐標(biāo)是脈沖數(shù)，即入射X射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關(guān)，橫坐標(biāo)為脈沖高度，與元素種類有關(guān)，這樣就可以測出X射線光子的能量和強(qiáng)度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散譜儀(EDS)，簡稱能譜儀。探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子－空穴對(duì)的數(shù)目N決定，73能譜分析和波譜分析特點(diǎn)

能譜儀70年代問世以來，發(fā)展速度很快，現(xiàn)在分辨率已達(dá)到130eV左右，以前Be窗口能譜儀分析元素范圍從11Na－92U，現(xiàn)在用新型有機(jī)膜超薄窗口，分析元素可從4Be－92U。元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等原子序數(shù)的元素定量分析準(zhǔn)確度已接近波譜。近年來能譜儀的圖象處理和圖象分析功能發(fā)展很快。探測器的性能也有提高，能譜使用時(shí)加液氮，不使用時(shí)不加液氮。有的能譜探測器用電制冷方法冷卻，使探頭維護(hù)更方便。能譜分析和波譜分析特點(diǎn)能譜儀70年代問世以來，發(fā)展速度74

能譜有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，元素分析時(shí)能譜是同時(shí)測量所有元素，而波譜要一個(gè)一個(gè)元素測量，所以分析速度遠(yuǎn)比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使X射線收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分析時(shí)所需探針電流小，對(duì)電子束照射后易損傷的試樣，例如生物試樣、快離子導(dǎo)體試樣等損傷小。但能譜也有缺點(diǎn)，如分辨率差，譜峰重疊嚴(yán)重，定量分析結(jié)果一般不如波譜等。表為能譜和波譜主要性能的比較?，F(xiàn)在大部分掃描電鏡、電子探針及透射電鏡都配能譜儀，使成分分析更方便。能譜有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，元素分析時(shí)能譜是同時(shí)測量所有元素75比較內(nèi)容WDSEDS元素分析范圍4Be－92U4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130eV）檢測極限10-2(%)10-1(%)定量分析準(zhǔn)確度高低X射線收集效率低高峰背比（WDS/EDS）101能譜和波譜主要性能的比較比較內(nèi)容WDSEDS元素分析范圍4Be－92U4Be－92U763.試樣室

用于安裝、交換和移動(dòng)試樣。試樣可以沿X、Y、Z軸方向移動(dòng)，有的試樣臺(tái)可以傾斜、旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在試樣臺(tái)已用光編碼定位，準(zhǔn)確度優(yōu)于1μm，對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，Z軸方向可以自動(dòng)聚焦。試樣室可以安裝各種探測器，例如二次電子探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及光學(xué)顯微鏡等。光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。3.試樣室用于安裝、交換和移動(dòng)試樣。試樣可以沿X、Y774.掃描顯示系統(tǒng)

掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察圖像的熒光屏（CRT）進(jìn)行同步光柵掃描，把電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子及X射線等信號(hào)，經(jīng)過探測器及信號(hào)處理系統(tǒng)后，送到CRT顯示圖像或照相紀(jì)錄圖像。以前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，數(shù)字圖像可以進(jìn)行圖像處理和圖像分析。4.掃描顯示系統(tǒng)掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和785.真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa－0.001Pa，通常用機(jī)械泵－油擴(kuò)散泵抽真空。油擴(kuò)散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊下，會(huì)分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量分析結(jié)果，特別是對(duì)碳的分析影響嚴(yán)重。用液氮冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無油的渦輪分子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。5.真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真79電子探針的試樣要求（a）試樣尺寸

所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質(zhì)，厚度通常應(yīng)大于5μm。例如對(duì)JCXA-733電子探針儀，最大試樣尺寸為Φ32mm×25mm。EPMA-8705電子探儀所允許的最大試樣尺寸為102mm×20mm。由于電子探針是微區(qū)分析，定點(diǎn)分析區(qū)域是幾個(gè)立方微米，電子束掃描分析和圖像觀察區(qū)域與放大倍數(shù)有關(guān)，但最大也不會(huì)超過5mm。所以均勻試樣沒有必要做得很大，有代表性即可。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應(yīng)盡量小，特別對(duì)分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，小試樣能改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。電子探針的試樣要求（a）試樣尺寸所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆80（b）具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能金屬材料一般都有較好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般電導(dǎo)和熱導(dǎo)都較差。后者在入射電子的轟擊下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無法進(jìn)行。試樣導(dǎo)熱性差還會(huì)造成電子束轟擊點(diǎn)的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點(diǎn)組份揮發(fā)而影響定量分析準(zhǔn)確度。（b）具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能金屬材料一般都有較好81電子束轟擊試樣時(shí)，只有0.5%左右的能量轉(zhuǎn)變成X射線，其余能量大部份轉(zhuǎn)換成熱能，熱能使試樣轟擊點(diǎn)溫度升高，Castaing用如下公式表示溫升△T(K):式中V。(kV)為加速電壓，i(μA)為探針電流，d(μm)為電子束直徑，k為材料熱導(dǎo)率(Wcm-1k-1)。例如，對(duì)于典型金屬(k=1時(shí))，當(dāng)V。＝20kV，d＝1μm，i＝1μA時(shí)，△T＝96K。對(duì)于熱導(dǎo)差的典型晶體，k=0.1，典型的有機(jī)化合物k=0.002。對(duì)于熱導(dǎo)差的材料，如K=0.01,V0=30kV，i=0.1μA，d=1μm時(shí),由公式得ΔT=1440K。如果試樣表面鍍上10nm的鋁膜，則ΔT減少到760K。因此,對(duì)于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面均勻噴鍍一層20nm左右的碳膜、鋁膜或金膜等來增加試樣表面的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。電子束轟擊試樣時(shí)，只有0.5%左右的能量轉(zhuǎn)變成X射線82（c）試樣表面光滑平整試樣表面必須拋光，在100倍反光顯微鏡下觀察時(shí)，能比較容易地找到50μm×50μm無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。因?yàn)閄射線是以一定的角度從試樣表面射出，如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射X射線受到不規(guī)則的吸收，降低X射線測量強(qiáng)度，圖8.15表明試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收。（c）試樣表面光滑平整試樣表面必須拋光，在100倍83試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收84試樣制備方法（a）粉體試樣粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。當(dāng)顆粒比較大時(shí)，例如大于5μm，可以尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將粗顆粒粉體用環(huán)氧樹脂等鑲嵌材料混合后，進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及拋光方法制備。試樣制備方法（a）粉體試樣粉體可以直接撒在試樣座的雙面85

對(duì)于小于5μm小顆粒，嚴(yán)格講不符合定量分析條件，但實(shí)際工作中有時(shí)可以采取一些措施得到較好的分析結(jié)果。對(duì)粉體量少只能用電子探針分析時(shí)，要選擇粉料堆積較厚的區(qū)域，以免激發(fā)出試樣座成分。為了獲得較大區(qū)域的平均結(jié)果，往往用掃描的方法對(duì)一個(gè)較大區(qū)域進(jìn)行分析。要得到較好的定量分析結(jié)果，最好將粉體用壓片機(jī)壓制成塊狀，此時(shí)標(biāo)樣也應(yīng)用粉體壓制。對(duì)細(xì)顆粒的粉體分析時(shí)，特別是對(duì)團(tuán)聚體粉體形貌觀察時(shí)，需將粉體用酒精或水在超聲波機(jī)內(nèi)分散，再用滴管把均勻混合的粉體滴在試樣座上，待液體烘干或自然干燥后，粉體靠表面吸附力即可粘附在試樣座上。對(duì)于小于5μm小顆粒，嚴(yán)格講不符合定量分析條件，但86（b）塊狀試樣

塊狀試樣，特別是測定薄膜厚度、離子遷移深度、背散射電子觀察相分布等試樣，可以用環(huán)氧樹脂等鑲嵌后，進(jìn)行研磨和拋光。較大的塊狀試樣也可以直接研磨和拋光，但容易產(chǎn)生倒角，會(huì)影響薄膜厚度及離子遷移深度的測定，對(duì)尺寸小的試樣只能鑲嵌后加工。對(duì)多孔或較疏松的試樣，例如有些燒結(jié)材料、腐蝕產(chǎn)物等，需采用真空鑲嵌方法。將試樣用環(huán)氧樹脂膠浸泡，在500C－600C時(shí)放入低真空容器內(nèi)抽氣，然后在60°C恒溫烘箱內(nèi)烘烤4h，即可獲得堅(jiān)固的塊狀試樣。這可以避免研磨和拋光過程中脫落，同時(shí)可以避免拋光物進(jìn)入試樣孔內(nèi)引起污染。（b）塊狀試樣塊狀試樣，特別是測定薄膜厚度、離子遷移87（c）蒸鍍導(dǎo)電膜對(duì)不導(dǎo)電的試樣，例如陶瓷、玻璃、有機(jī)物等，在電子探針的圖像觀察、成分分析時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電、電子束漂移、表面熱損傷等現(xiàn)象。使分析點(diǎn)無法定位、圖像無法法聚焦。大電子束流時(shí)，例如10－6A，有些試樣電子束轟擊點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生起泡、熔融。為了使試樣表面具有導(dǎo)電性，必須在試樣表面蒸鍍一層金或者碳等導(dǎo)電膜，鍍膜后應(yīng)馬上分析，避免表面污染和導(dǎo)電膜脫落。（c）蒸鍍導(dǎo)電膜對(duì)不導(dǎo)電的試樣，例如陶瓷、玻璃、有機(jī)物88一般形貌觀察時(shí)，蒸鍍小于10nm厚的金導(dǎo)電膜。金導(dǎo)電膜具有導(dǎo)電性好、二次電子發(fā)射率高、在空氣中不氧化、熔點(diǎn)低，膜厚易控制等優(yōu)點(diǎn)，可以拍攝到質(zhì)量好的照片。成分定性、定量分析，必須蒸鍍碳導(dǎo)電膜。碳為超輕元素，對(duì)所分析元素的X射線吸收小，對(duì)定量分析結(jié)果影響小。蒸鍍碳只能用真空鍍膜儀。鍍膜要均勻，厚度控制在20nm左右，為了保證試樣與標(biāo)樣鍍膜厚度相同，標(biāo)樣和試樣應(yīng)該同時(shí)蒸鍍。一般形貌觀察時(shí)，蒸鍍小于10nm厚的金導(dǎo)電膜。金導(dǎo)電89分析方法1.點(diǎn)分析將電子探針固定在試樣感興趣的點(diǎn)上，進(jìn)行定性或定量分析。該方法用于顯微結(jié)構(gòu)的成份分析，例如，對(duì)材料晶界、夾雜、析出相、沉淀物、奇異相及非化學(xué)計(jì)量材料的組成等研究。分析方法1.點(diǎn)分析將電子探針固定在試樣感興趣的點(diǎn)上，902.線分析

電子束沿一條分析線進(jìn)行掃描(或試樣掃描)時(shí)，能獲得元素含量變化的線分布曲線。如果和試樣形貌像(二次電子像或背散射電子像)對(duì)照分析,能直觀地獲得元素在不同相或區(qū)域內(nèi)的分布。2.線分析電子束沿一條分析線進(jìn)行掃描(或試樣掃描)時(shí)91

圖為耐火材料－玻璃界面元素的變化規(guī)律，圖中直線為分析線（電子束掃描線）。。研究發(fā)現(xiàn)，玻璃中K,Na等元素在界面附近的變化規(guī)律不同，K,Na離子非常容易擴(kuò)散到耐火材料內(nèi)部，并進(jìn)入耐火材料的玻璃相中，使耐火材料粘度大大下降，這是引起耐火材料解體的原因之一圖為耐火材料－玻璃界面元素的變化規(guī)律，圖中直線為分析923.面分析將電子束在試樣表面掃描時(shí)，元素在試樣表面的分布能在CRT上以亮度分布顯示出來（定性分析）3.面分析將電子束在試樣表面掃描時(shí)，元素在試樣表面的93CAlX射線像1000×圖a背散射電子成分像1000×圖bMgX射線像1000×圖圖a中的黑色相比基體ZrO2相的平均原子序數(shù)低，從b和c圖可以看出，黑色相富鋁和富鎂，實(shí)際上是鎂鋁尖晶石相。CAlX射線像1000×圖a背散射電子成分像10094掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡95概述

電子探針是電子探針X射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫為EPMA或EMA(ElectronprobeX-raymicro-analyser)，掃描電子顯微境英文縮寫為SEM（ScanningElectronMicroscope）。這兩種儀器是分別發(fā)展起來的，但現(xiàn)在的EPMA都具有SEM的圖像觀察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，這兩種儀器的基本構(gòu)造、分析原理及功能日趨相同。特別是現(xiàn)代能譜儀，英文縮寫為EDS（EnergyDispersiveSpectrometer），也有人寫為EDX（EnergyDispersiveX-raySpectrometer）。EDS與SEM組合時(shí)，不但可以進(jìn)行較準(zhǔn)確的成分分析，而且一般都具有很強(qiáng)的圖像分析和圖像處理功能。由于EDS分析速度快等特點(diǎn)，現(xiàn)在EPMA通常也與EDS組合。概述電子探針是電子探針X射線顯微分析儀的簡稱，英文縮寫96

EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣表面，用X射線能譜儀或波譜儀，測量電子與試樣相互作用所產(chǎn)生的特征X射線的波長與強(qiáng)度，從而對(duì)微小區(qū)域所含元素進(jìn)行定性或定量分析，并可以用二次電子或背散射電子等信息進(jìn)行形貌觀察。是現(xiàn)代固體材料顯微分析(微區(qū)成份、形貌和結(jié)構(gòu)分析)的最有用儀器，應(yīng)用十分廣泛。電子探針和掃描電鏡都是用計(jì)算機(jī)控制分析過程和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可進(jìn)行彩色圖像處理和圖像分析工作，所以是一種現(xiàn)代化的大型綜合分析儀。據(jù)2003年不完全統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各種型號(hào)的電子探針和掃描電鏡超過2000臺(tái)，分布在各個(gè)領(lǐng)域。EPMA和SEM都是用聚焦得很細(xì)的電子束照射被檢測的試樣97電子與固體試樣的交互作用

一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過程和俄歇電子、吸收電子等。電子與固體試樣的交互作用一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)98樣品入射電子

Auger電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子X射線透射電子

樣品入射電子Auger電子陰極發(fā)光背散射電子二次99二次電子

入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子。二次電子能量低，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。

二次電子入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（100背散射電子

背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E。)。背散射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)背散射電子背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈101光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。5μm－1μm處，利用高能電子束激發(fā)分析試樣，通過電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X射線、二次電子、吸收電子、背散射電子及陰極熒光等信息來分析試樣的微區(qū)內(nèi)(μm范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。背散射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)2106nm5nm=40000（倍）。日本電子公司的JXA-8621電子探針為波譜(WDS)和能譜(EDS)組合儀，用一臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)控制WDS和EDS，使用方便。對(duì)不導(dǎo)電的試樣，例如陶瓷、玻璃、有機(jī)物等，在電子探針的圖像觀察、成分分析時(shí)，會(huì)產(chǎn)生放電、電子束漂移、表面熱損傷等現(xiàn)象。從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。以及日本電子公司場發(fā)射電子槍的JXA-8500F電子探針，二次電子像分辨率3納米。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(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。電子探針分析的基本原理早在1913年就被Moseley發(fā)現(xiàn)，但直到1949年，法國的Castaing在guinier教授的指導(dǎo)下，才用透射電鏡（TEM）改裝成一臺(tái)電子探針樣機(jī)。每一個(gè)元素都有一個(gè)特征X射線波長與之對(duì)應(yīng)，不同元素分析時(shí)用不同線系，輕元素用Ka線系，中等原子序數(shù)元素用Ka或La線系，一些重元素常用Ma線系。特別是現(xiàn)代能譜儀，英文縮寫為EDS（EnergyDispersiveSpectrometer），也有人寫為EDX（EnergyDispersiveX-raySpectrometer）。電子探針和掃描電鏡用WDS或EDS的定性和定量分析時(shí)，就是利用電子束轟擊試樣所產(chǎn)生的特征X射線。日本電子公司的JXA-8600系列和島津公司的EPMA-8705系列就是這種新一代儀器的代表。將試樣用環(huán)氧樹脂膠浸泡，在500C－600C時(shí)放入低真空容器內(nèi)抽氣，然后在60°C恒溫烘箱內(nèi)烘烤4h，即可獲得堅(jiān)固的塊狀試樣。試樣表面必須拋光，在100倍反光顯微鏡下觀察時(shí)，能比較容易地找到50μm×50μm無凹坑或擦痕的分析區(qū)域。電子探針的主要組成部份為:1.圖為耐火材料－玻璃界面元素的變化規(guī)律，圖中直線為分析線（電子束掃描線）。元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等原子序數(shù)的元素定量分析準(zhǔn)確度已接近波譜。背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為

式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。

光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用102背散射電子與二次電子

的信號(hào)強(qiáng)度與Z的關(guān)系結(jié)論二次電子信號(hào)在原序數(shù)Z>20后，其信號(hào)強(qiáng)度隨Z變化很小。用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，并可確定元素定性、定量分析點(diǎn)。背散射電