電子顯微結(jié)構(gòu)分析課件

電子顯微結(jié)構(gòu)分析2011.2本章主要內(nèi)容一、概述二、電子光學(xué)基礎(chǔ)三、電子與固體物質(zhì)的相互作用四、透射電子顯微分析五、掃描電子顯微分析六、電子探針X射線顯微分析七、電子顯微分析的應(yīng)用一、概述電子顯微分析就是利用聚焦電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號來分析試樣中物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等。這中間包括電子掃描電鏡、電子透射電鏡、電子探針微區(qū)分析，隨著分析手段的發(fā)展，環(huán)境掃描電鏡、掃描隧道顯微分析、原子力掃描顯微分析也漸漸成為分析手段的重要組成部分。一、概述一、概述一、概述電子顯微分析與其他的形貌、結(jié)構(gòu)、成分分析方法對比，具有以下非常重要的優(yōu)點：1、直接在高倍鏡下觀察試樣的形貌、結(jié)構(gòu)，可選擇特定的區(qū)域進(jìn)行分析；2、可直接分辨原子，能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成分析；3、可以進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)、物相及化學(xué)組成的綜合分析；在固體科學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、生物等各領(lǐng)域的研究用途都很廣。電子顯微鏡下的液晶分子形態(tài)電子顯微鏡下的液晶分子形態(tài)掃描電子顯微鏡一、概述當(dāng)使用可見光作為光源，采用組合透鏡、大的孔徑角、高折射率的介質(zhì)浸沒物鏡時，物鏡的數(shù)值孔徑最大可提高到1.6，在最佳的情況下，透鏡的極限分辨率可達(dá)到200nm。要進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨率，必須使用更短波長的照明源。即是這樣使用波長為275nm的紫外光作為照明源，顯微鏡的極限分辨率也只能達(dá)到100nm。雖然X射線的波長可達(dá)0.05～10nm，但是不知道什么物質(zhì)可使其改變方向，能進(jìn)行有效的折射和聚焦成像。因電子束也具有波動性，波長也很短，使用電子束作為照明源制成的電子顯微鏡具有更高的分辨率。且電子束在電場與磁場中可以方便的加以控制，應(yīng)用前途更廣。

光學(xué)顯微鏡

電子顯微鏡眼晴：準(zhǔn)確性、靈敏性、適應(yīng)性和精密的分辨能力。人眼觀察物體的粒度極限為0.1mm！

——局限性可以看到細(xì)菌、細(xì)胞那樣小的物體。但光學(xué)顯微鏡超過一定放大率后就失去作用，最好的光學(xué)顯微鏡的放大極限是：2000倍

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，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、顯微結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。電子顯微分析的定義:

透射電子顯微鏡（TEM）掃描電子顯微鏡（SEM）電子探針（EPMA）二、電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)是研究帶電離子在電場與磁場中運動，其產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、聚焦、成像等規(guī)律的一門科學(xué)。與光學(xué)在光學(xué)介質(zhì)中傳播規(guī)律有很多相似的地方：1、光線通過透鏡聚焦，電子束則通過磁場與電場聚焦，磁場與電場是電子束的電子透鏡；2、在幾何光學(xué)中，光線都利用旋轉(zhuǎn)對稱面作為折射面；在電子光學(xué)中，在旋轉(zhuǎn)對稱的電場及磁場產(chǎn)生的等位面作為折射面。3、電子光學(xué)可以仿照幾何光學(xué)把電子束的運動軌跡看作是射線，并引入幾何光學(xué)參量來表征電子透鏡對電子的聚焦成像作用。

電子光學(xué)與幾何光學(xué)相似：聚焦成像：幾何光學(xué)——利用光學(xué)透鏡會聚光線電子光學(xué)——利用電場、磁場會聚電子束幾何光學(xué)—利用旋轉(zhuǎn)對稱面（如球面）作為折射面電子光學(xué)—利用旋轉(zhuǎn)對稱電磁場產(chǎn)生的等位面作折射面幾何光學(xué)—光傳播路徑——光線——焦點、焦距等表征電子光學(xué)—電子運動軌跡——射線——焦點、焦距等表征

電鏡中電子光學(xué)系統(tǒng)的附加限制條件：電子軌跡相對于旋轉(zhuǎn)對稱軸斜率極小，即張角很小，一般為10-2~10-3radr——電子徑向位置坐標(biāo)矢量z——旋轉(zhuǎn)對稱軸的坐標(biāo)電子軌跡離軸距離很小，遠(yuǎn)小于電子束沿軸距離電、磁場與時間無關(guān)，且處于真空中，即真空中靜場；忽略電子束本身的空間電荷和電流分布；入射電子束軌跡必須滿足離軸條件：可見光作光源，N.A可提高到1.5～1.6--→得r≌λ/2

光學(xué)顯微鏡的極限分辨本領(lǐng)大約是所使用照明光線波長的一半因此光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)極限為200nm紫外線（100-400nm）：

λ=275nm，r≌

100nmX射線（0.1-100nm）：難以使之改變方向、折射、聚焦成像電子束：

λ=0.0388~0.00087nmr=0.1nm

電子在電、磁場中易改變運動方向，且電子波的波長比可見光短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時所能達(dá)到的分辨率比光學(xué)顯微鏡高得多。阿貝定律的意義：減小r值的途徑有：

(1)↑N.A，即↑n和α

(2)↓λ

二、電子光學(xué)基礎(chǔ)（二）、電子的波動性與波長

根據(jù)DeBroglie提出的‘運動著的微觀粒子具有波粒二象性’的觀點，任何運動著的微觀粒子也伴隨著一個波，這就是物質(zhì)波或德布羅意波。粒子的能量E與動量P和波長λ、頻率ν的關(guān)系如下：，。式中h是普朗克常數(shù)，h＝6.626×10-34J·S，這與光子與光波的關(guān)系是一樣的。從晶體對入射電子波的衍射也證實了德布羅意波的觀點。電子在電場中得到加速運動，其動能與運動速度v之間的關(guān)系為：。在式中，V稱為加速電壓，m是電子的質(zhì)量。二、電子光學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)加速電壓較低時，電子的運動速度很小，它的質(zhì)量近似于電子的靜止質(zhì)量，由此計算電子的波長為：；把電子的靜止質(zhì)量、電荷與普朗克常數(shù)都代入，則。因此，電子的波長與加速電壓平方根成反比。當(dāng)電子加速電壓較高時，電子的運動速度很大，電子的質(zhì)量也變大，須引入相對論校正，則電子波的波長為：，c為光速，把電子的靜止質(zhì)量、電荷與普朗克常數(shù)都代入，。一般上，電鏡的加速電壓為50～200Kv，則電子波長為0.00536～0.00251nm，是可見光的十萬分之一，可極大地提高顯微鏡的分辨率。（三）、電子在電磁場中的運動和電子透鏡

———電子光學(xué)折射定律1.電子在靜電場中的運動2.靜電透鏡3.電子在磁場中的運動4.磁透鏡5.磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較6.磁透鏡與靜電透鏡的比較二、電子光學(xué)基礎(chǔ)二、電子光學(xué)基礎(chǔ)1、電子在電磁場中的運動電子在靜電場受到電場力的作用，產(chǎn)生加速度。從初速度為0的自由電子達(dá)到V電位時，電子的運動速度為v＝。當(dāng)電子的初速度不為0、運動方向與電場方向不在一條直線上時，則電場力不僅改變電子運動的能量，也改變電子運動的方向。一般可以把電場看成由一系列等電位面分割的等電位區(qū)構(gòu)成，當(dāng)一個初速度為v1的電子e以與等電位面法線成一定角度θ的方向運動時，等電位上方與下方的電位分別為V1、V2，電子在等電位上方與下方的速度分別為v1、v2，運動軌跡為直線。但電子通過等電位面時，在交界點上電子的運動方向發(fā)生突變，電子的運動速度也從v1變?yōu)関2。

V1θγV2ABv2v1二、電子光學(xué)基礎(chǔ)2、靜電透鏡一定形狀的光學(xué)介質(zhì)面可以使光線聚焦成像，一定形狀的等電位面也可以使電子束聚焦成像，產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對稱等電位曲面族的電極裝置稱為靜電透鏡。靜電透鏡有二極和三極，分別是由兩個或三個具有同軸圓孔的電極組成。下圖是三極式靜電透鏡的電極電位、等電位曲面族的形狀示意圖。陰極尖端附近的自由電子在陽極作用下獲得加速度；控制極附近的電場(推著電子)對電子起會聚作用；陽極附近的電場對電子有“拉”作用，即有發(fā)散作用，但因這時電子的速度很大，所以發(fā)散作用較小。靜電透鏡結(jié)構(gòu)——由電極組成●

陰極:零電位●陽極:正電位●控制極:負(fù)電位

二、電子光學(xué)基礎(chǔ)從靜電透鏡主軸上一物點a的散射電子，以直線軌跡向電場運動，當(dāng)電子射入電場的作用范圍并通過等電位面族時，將受到折射，最后被聚焦在軸上一點a’，a’成為a的像。AB電子在陽極附近，如B點：

F→Fz,Fr(Fr背離對稱軸的方向)發(fā)散作用。但由于電子的速度已經(jīng)很大，故發(fā)散作用較小。靜電透鏡——受力分析電子在控制極附近時(A點)：電場強度矢量E垂直于電場等位面，指向電位低的方向，電子受到的作用力F與E的方向相反：

F→Fz,Fr(Fz平行軸,Fr指向軸)電場力使電子向軸靠近，會聚作用。

靜電透鏡——結(jié)論會聚作用大于發(fā)散作用：靜電透鏡總是會聚透鏡；靜電透鏡需要強電場，在鏡筒內(nèi)容易導(dǎo)致?lián)舸┖突」夥烹姡阂虼穗妶鰪姸炔荒芴?，靜電透鏡焦距較長，不能很好的矯正球差；主要用于電子槍中，使電子束會聚成形。在早期的電子顯微鏡中使用靜電透鏡，由于電子透鏡需要很強的電場，在鏡筒內(nèi)易形成擊穿和弧光，因此靜電透鏡的焦距不能做的很短，不能很好的校正球差。在現(xiàn)代電子顯微鏡中，除了使用電子槍使電子束匯聚成形外，大多使用磁透鏡代替靜電透鏡。電子在磁場中運動，受到磁場的作用力—洛侖茲力(左手定則)：電子在磁場中的受力和運動有以下三種情況：平行：電子不受磁場影響；垂直：電子在與磁場垂直的平面做勻速圓周運動；交角θ：電子運動軌跡是一螺旋線。

3.電子在磁場中的運動二、電子光學(xué)基礎(chǔ)因為洛侖茲力在電荷運動方向上的分量為0，磁場不能改變運動電荷的能量，不改變電荷運動速度的大小。即電子在磁場中運動，僅發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖a所示，電子在與磁場垂直的平面內(nèi)作勻速圓周運動，洛倫茲力起到向心力的作用；當(dāng)電子的運動速度與磁場方向成一定的夾角θ時，電子的一定速度可分為兩個方向的分矢量，平行于磁場方向的分矢量不受任何影響；而垂直于磁場方向的分矢量則作圓周運動，其合成的運動軌跡是一個螺線。

4.磁透鏡短線圈磁透鏡包殼磁透鏡極靴磁透鏡特殊磁透鏡例如：軸對稱磁場系統(tǒng)(通電流的圓柱形線圈)旋轉(zhuǎn)對稱的磁場對電子束有聚焦成像作用，產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對稱磁場的線圈裝置。在電子光學(xué)系統(tǒng)中用于使電子束聚焦成像的磁場是非均勻磁場，其等磁位面的形狀與等電位面或光學(xué)透鏡的界面相似，

短磁透鏡磁場沿軸延伸的范圍遠(yuǎn)小于焦距的透鏡，稱短磁透鏡。通電流的短線圈及帶有鐵殼的線圈都可以形成短磁透鏡：短線圈磁透鏡包殼磁透鏡二、電子光學(xué)基礎(chǔ)包殼磁透鏡和極靴磁透鏡對于短磁透鏡：f>0，表明磁透鏡總是會聚透鏡焦距f與加速電壓U有關(guān)，加速電壓不穩(wěn)定將使圖象不清晰。f∝1/I2：表明當(dāng)勵磁電流稍有變化時，焦距f變化。p為物距，q為像距，f為透鏡的焦距；

A是與透鏡結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)(A>0)；

U是加速電壓；NI為透鏡線包的安匝數(shù)；R為線包的半徑。

極靴磁透鏡特點：極靴附近磁場很強，對電子的折射能力大，可以使透鏡的f變得更短。極靴磁透鏡是在包殼磁透鏡中再增加一組特殊形狀的極靴。一組極靴由具有同軸圓孔的上下極靴和連接筒組成。常用的極靴材料：Fe-Co合金，F(xiàn)e-Co-Ni合金軸向磁場強度分布曲線有極靴的磁透鏡的磁場強度比短線圈或包鐵殼磁透鏡更為集中和增強。短線圈磁場中有一部分磁力線在線圈外側(cè)，它對電子束的聚焦不起作用，因此短線圈磁透鏡的磁場強度小，焦距長。

特殊磁透鏡特點：焦距很短，約等于透鏡磁場的半寬度；球差可比普通磁透鏡小一個數(shù)量級，有利于提高透鏡的分辨本領(lǐng)。單場透鏡有的電鏡是將試樣放在透鏡上、下極靴中間的位置，上極靴附近磁場起會聚電子束的作用，下極靴附近磁場起物鏡作用，

——單場磁透鏡。不對稱磁透鏡上下極靴的孔徑不相同的磁透鏡稱不對稱磁透鏡。如用于透射電鏡的物鏡，上極靴孔要大些，使試樣能放在透鏡的焦點位置附近，并便于試樣的傾斜和移動。掃描電鏡中物鏡的下極靴孔比上極靴孔大，以便于在其附近安放某些附件。

5.磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較③磁透鏡場深大（200~2000nm）；焦深長（80cm）

f與（IN）2成反比②磁透鏡是可變焦距和可變倍率透鏡①磁透鏡對電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像相對于物來說旋轉(zhuǎn)了一個角度——磁轉(zhuǎn)角雖然靜電透鏡也是會聚透鏡，但現(xiàn)代電子顯微鏡中幾乎都采用磁透鏡，用于使電子束聚焦、成像。其主要原因有兩點：靜電透鏡要求高電壓，但高壓總是危險的！磁透鏡的焦距可以做得很短，可獲得較高的放大倍數(shù)和較小的球差。

6.磁透鏡與靜電透鏡的比較上面討論的電子透鏡的聚焦成像問題有限制條件，即假定：(透鏡電磁場)具有理想的軸對稱性軌跡滿足旁軸條件電子波的波長(速度)相同

實際情況與理想條件偏離，造成電子透鏡各種像差像差的存在，影響圖像的清晰度和真實性，決定了透鏡只具有一定的分辨本領(lǐng)，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。電子透鏡的缺陷像差：圖像模糊不清像與物的幾何形狀不完全相似導(dǎo)致

球差色差軸上像散畸變物面上一點散射出電子束，不能全部會聚在一點物面上的各點不按比例成像于同一平面四、電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)

是由于電磁透鏡磁場的近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力不同而造成的。假設(shè)張角最大電子的像落在P''點,張角最小電子的像落在P'點,透鏡光闌有一定大小同是P點發(fā)出的電子當(dāng)張角不同時,落在不同點上透鏡光闌1.球差

無論像平面在什么位置，都不能得到一清晰的點像，而是一個一定大小的彌散圓斑。正球差—遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力比近軸區(qū)大。負(fù)球差—遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力比近軸區(qū)小。

球差最小彌散圓：在P'P''間某一位置可獲得最小的彌散圓斑。M——放大倍數(shù)；Cs——球差系數(shù)；α——孔徑半角球差是電子顯微鏡最主要的像差之一，它往往決定了顯微鏡的分辨率。球差幾乎是一種無法克服的像差。最小彌散圓半徑為：

幾何光學(xué)中由于光顏色(波長)不同，經(jīng)過透鏡折射率不同，在不同點聚焦而產(chǎn)生的像差稱色差。電子光學(xué)中，電子透鏡成像也有色差。

加速電壓的波動及陰極逸出電子能量的起伏，使得成像電子的波長不完全相同，使透鏡的焦距發(fā)生變化。這種色差使得一個物點變成為某種散射圖形，影響了圖像的清晰度。2.色差

色差：是由于電磁透鏡磁場對不同波長的電子的會聚能力不同而造成的。一個物點散射的具有不同波長的電子，進(jìn)入透鏡磁場后將沿著各自的軌跡運動，不能聚焦在一個像點上

引起電子束波長（能量）變化的原因：加速電壓不穩(wěn)定，引起電子束能量波動。電子受到一次或多次非彈性散射，致使能量受損。

減小試樣厚度利于減小色差。色差最小彌散圓半徑：Cc——透鏡的色差系數(shù)（隨激磁電流增大而減小）α——孔徑半角ΔE/E——成像電子束能量變化率

由于透鏡磁場不是理想旋轉(zhuǎn)對稱磁場而引起的像差。實際的透鏡磁場不完全旋轉(zhuǎn)對稱，只是近似的雙對稱場場分布有兩個互相垂直的對稱面（XZ面、YZ面）透鏡在不同對稱面方向的焦距不同3.軸上像散

物點P在XZ平面上成象于P’’點,在YZ平面上成象于P’點一物點所成像是橢圓斑，圖像不清晰產(chǎn)生原因：極靴材料不均勻、加工精度、裝配誤差、污染等軸上像散是影響電鏡分辨本領(lǐng)的主要像差之一電鏡配置有消像散器，盡量校正像散最小彌散圓半徑：ΔfA——像散引起的最大焦距差枕型畸變桶型畸變旋轉(zhuǎn)畸變正方形物球差系數(shù)隨激磁電流減小而增大低放大倍數(shù)時易產(chǎn)生畸變小電流，球差嚴(yán)重4.畸變正球差——枕型畸變負(fù)球差——桶型畸變磁轉(zhuǎn)角——旋轉(zhuǎn)畸變受衍射效應(yīng)、球差、色差、軸上像散等因素的影響

理論分辨本領(lǐng)為0.2nm

隨高壓電子束做照明源及用低球差透鏡，理論可達(dá)0.1nm僅考慮衍射效應(yīng)和球差時，電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為A——常數(shù)，約0.4~0.5，決定于推導(dǎo)時的不同假設(shè)條件。5.電磁透鏡的分辨本領(lǐng)五、電磁透鏡的場深和焦深1.場深不影響分辨本領(lǐng)的前提下，物平面可沿透鏡軸移動的距離(Df)。場深反映：試樣在物平面上下移動的距離；試樣的允許厚度。

當(dāng)r=1nmα=10-3~10-2rad時，Df≈200~2000nm在不影響成像分辨率條件下（X<r），場深Df：對于加速電壓為100KV的電鏡，樣品厚度一般控制200nm以下在透鏡場深范圍內(nèi)，試樣各部位均能調(diào)焦成像2.焦深在不影響透鏡成像分辨本領(lǐng)的前提下，像平面可沿鏡軸移動的距離（Di）。焦深反映：像平面可上下移動的距離。觀察屏或照相底片可上下移動的距離及安裝位置。

焦深Di：當(dāng)r=1nmα=10-2radM=2000倍時Di=80cm當(dāng)用傾斜的觀察屏觀察，或照相底片位于觀察屏下方時，同樣可得到清晰的圖像。

小結(jié)電子顯微分析的內(nèi)容；電子顯微分析的特點；分辨率（分辨能力、分辨本領(lǐng)）；電子波長；電子在電場中的運動、靜電透鏡、特點；電子在磁場中的運動、磁透鏡、特點；電磁透鏡的像差和理論分辨率；電磁透鏡的場深和焦深?！?.2電子與固體物質(zhì)的相互作用電子束與物質(zhì)相互作用，可以產(chǎn)生背散射電子、二次電子、吸收電子、俄歇電子、透射電子、熒光X射線等各種信號。利用這些信號可以進(jìn)行透射電鏡、掃描電鏡、電子探針、俄歇電子能譜、X射線光電子能譜分析。

一、電子散射二、內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程三、自由載流子四、各種電子信號五、相互作用體積與信號產(chǎn)生的深度和廣度↗熱--→

光↘X射線↘二次電子等散射彈性散射非彈性散射只變方向，不變能量既變方向，也變能量散射截面σ(α)：表征原子對電子散射作用的大小一個電子被一個試樣原子散射后偏轉(zhuǎn)角等于或大于α角的幾率一、電子散射聚焦電子束沿一定方向射入試樣時,在原子庫侖電場作用下，入射電子方向改變——散射。原子對電子的散射1.原子核對電子的彈性散射2.原子核對電子的非彈性散射3.核外電子對電子的非彈性散射單電子激發(fā)等離子激發(fā)聲子激發(fā)§2.2電子與固體物質(zhì)的相互作用1、原子核對電子束的彈性散射入射電子束與試樣中原子核發(fā)生碰撞時，由于原子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，入射電子束產(chǎn)生散射，只改變方向而不改變能量。這個模型可由盧瑟福的經(jīng)典散射模型演示。彈性散射由于其能量等于或接近于入射電子束的能量，是透射電鏡中成像和衍射的基礎(chǔ)。2、原子核對電子束的非彈性散射當(dāng)入射電子束運動到原子核附近時，入射電子束還受到原子核庫侖力制動而減速，成為非彈性散射。入射電子束的能量損失產(chǎn)生X射線，能量損失越大，X射線波長越短；但由于能量損失不是固定的，其波長是連續(xù)變化而無特征波長，稱為連續(xù)輻射或韌致輻射，不能用來分析，反而會產(chǎn)生連續(xù)背底影響分析的靈敏度和準(zhǔn)確度?！?.2電子與固體物質(zhì)的相互作用3、核外電子對入射電子的非彈性散射此時，入射電子束的運動方向改變，且產(chǎn)生能量損失，原子核外電子受到激發(fā)。非彈性散射機制主要有：（1）單電子激發(fā)，是入射電子與核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或脫離原子核稱為二次電子，原子變?yōu)殡x子，這個過程叫電離。二次電子的能量較低，僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生、且需要克服電子逸出功才能逸出。他的主要特點是：對試樣表面狀態(tài)非常敏感，顯示表面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)非常有效。二次電子像的分辨率非常高，是掃描電鏡的主要成像手段。（2）等離子激發(fā)，我們可以把晶體看作是點陣固定的正離子與漫散在整個空間的價電子云組成的電中性體，即等離子體。入射電子可引起價電子的集體振蕩，在入射電子路徑附近產(chǎn)生帶正電的區(qū)域及在較遠(yuǎn)區(qū)域產(chǎn)生帶負(fù)電的區(qū)域。瞬間破壞晶體局部的電中性，隨后正電與負(fù)電的區(qū)域反復(fù)變化，稱為價電子的集體振蕩。價電子的集體振蕩是可離子化的，這種能量量子稱為等離子?！?.2電子與固體物質(zhì)的相互作用等離子振蕩波長較長，動量小，入射電子激發(fā)等離子后一般不會產(chǎn)生大角度散射。（3）聲子激發(fā)由于晶格振動的能量也是量子化的，稱為聲子。聲子的能量較低，通常的熱運動都可以激發(fā)聲子。聲子的波長很小動量較大，當(dāng)入射電子與聲子碰撞時，可看作是電子激發(fā)聲子或吸收聲子的碰撞過程，雖然碰撞后入射電子的能量變化不大，但動量改變大，可以產(chǎn)生大角度散射。Z——試樣原子序數(shù)E0——入射電子能量r——電子與核的距離Z大,E0小,r0小--→α大散射角1.原子核對電子的彈性散射入射電子運動到核附近，受核散射由于m原子核

》m電子電子只變方向，不變能量——彈性散射(相當(dāng)于彈性碰撞)被庫侖電勢制動而減速2.原子核對電子的非彈性散射入射電子運動到核附近，受核散射，方向改變、能量受損，損失的能量△E→X射線因△E不固定-→X射線波長無特征值，波長連續(xù)

——連續(xù)輻射或韌致輻射

會在X射線譜上產(chǎn)生連續(xù)背底，不能用來進(jìn)行成分分析3.核外電子對入射電子的非彈性散射入射電子的運動方向改變，能量受損，原子則受到激發(fā)（1）單電子激發(fā)（2）等離子激發(fā)（3）聲子激發(fā)入射電子與核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或脫離原子核成為二次電子（此過程稱為電離）。

電離：入射電子把某個核外電子打出去，成為二次電子，原子變成離子的過程。二次電子的級聯(lián)過程：入射電子產(chǎn)生的二次電子還有足夠能量繼續(xù)產(chǎn)生二次電子……..直至最后能量很低，不足以維持此過程為止。二次電子信號：試樣表面和深處都能產(chǎn)生二次電子，但僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生且能克服逸出功的二次電子才有可能逸出成為信號。二次電子特點:能量低:＜50ev

對試樣表面狀態(tài)非常敏感，顯示表面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)非常有效。二次電子應(yīng)用——分辨率較高，是SEM的主要成像手段單電子激發(fā)的對象：價電子

原子的核外電子：最外層的價電子——能量高，易被激發(fā)——價電子激發(fā)使入射電子產(chǎn)生小角度散射內(nèi)層電子——能量低，激發(fā)所需能量大，至少為結(jié)合能——產(chǎn)生大角度散射（1）單電子激發(fā)——二次電子晶體是由正離子和漫散在整個空間的價電子云構(gòu)成的電中性體可以把晶體看成是等離子體。等離子體：是由正離子、負(fù)電子及中性粒子組成的電中性體。當(dāng)入射電子經(jīng)過晶體時，在其路徑近旁，價電子受排斥而作徑向發(fā)散運動→則在入射電子路徑附近產(chǎn)生帶正電的區(qū)域

路徑較遠(yuǎn)處為帶負(fù)電區(qū)域電中性被破壞→正、負(fù)電區(qū)域的靜電作用又使負(fù)電區(qū)域多余的價電子向正電區(qū)域運動→當(dāng)運動超過平衡位置后，負(fù)電區(qū)變?yōu)檎妳^(qū)，再重復(fù)上面動作--→如此往復(fù)不已這種縱波式的往復(fù)振蕩是許多原子價電子參加的長程作用，稱為價電子的集體振蕩。（2）等離子激發(fā)：電子入射到晶體中，引起價電子集體振蕩，過程如下：振蕩的能量ΔEp是量子化的這種能量量子稱為等離子。入射電子激發(fā)等離子后就要損失能量ΔEp,ΔEp是固定值，且隨不同元素而變化——特征能量損失特征能量損失電子：損失了ΔEp能量后的電子。應(yīng)用：△電子能量損失譜——能量分析電子顯微術(shù)

△有特征能量的電子成像——能量選擇電子顯微術(shù)（3）聲子激發(fā)聲子：晶格振動的能量也是量子化的，它的能量量子稱為聲子。入射電子和晶格的作用可以看作是電子激發(fā)聲子（或吸收聲子）的碰撞過程。碰撞后，電子發(fā)生大角度散射，能量變化甚微，動量改變可以相當(dāng)大。二、內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程前面講了電子散射，主要從原子核、核外電子兩方面講述了它們對電子能量和方向改變所起到的作用。通常，電子入射到試樣中，使價電子激發(fā)的幾率較大，但也有可能使內(nèi)層電子激發(fā)。俄歇電子發(fā)射轉(zhuǎn)為晶格振動馳豫過程輻射躍遷非輻射躍遷特征X射線都具有特征能量可進(jìn)行成分分析當(dāng)內(nèi)層電子被入射電子轟擊脫離了原子后，原子處于高度激發(fā)狀態(tài)，它將躍遷回到能量較低狀態(tài)——馳豫注意“躍遷”：指其他較高能級電子填補內(nèi)層空穴，而把能量放出一部分，從而使整個原子的能量降下來。三、自由載流子當(dāng)高能量的入射電子照射到半導(dǎo)體、絕緣體和磷光體上時，不僅可使內(nèi)層電子激發(fā)產(chǎn)生電離，還可使?jié)M帶中的價電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去，在滿帶和導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和電子等自由載流子。自由載流子可進(jìn)一步產(chǎn)生陰極熒光、電子束電導(dǎo)和電子生伏特效應(yīng)等。1.陰極熒光自由載流子在半導(dǎo)體的局部電場作用下，各自運動到一定的區(qū)域（如p-n結(jié)）積累起來，形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。2.電子束電導(dǎo)3.電子生伏特高能電子束照射半導(dǎo)體材料，將產(chǎn)生自由載流子，若此時在試樣兩端建立電位差，自由載流子將向異性電極移動，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。是指物質(zhì)在高能電子束照射下發(fā)出可見光（或紅外、紫外）的現(xiàn)象。（PP112頁圖2-15）

四、電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種電子信號彈性散射電子&彈性背散射電子背散射電子&二次電子&俄歇電子彈性背散射電子單次非彈性背散射電子多次非彈性背散射電子如前所述“原子核對電子的彈性散射”--→產(chǎn)生彈性散射電子，其能量等于或接近入射電子的能量E0。1.彈性散射電子“初次”電子注意這種電子的涵蓋面:只要是電子在入射及傳播過程中，發(fā)生的散射過程都是彈性的，能量未改變，就都在此定義范圍內(nèi)。從發(fā)生彈性散射的次數(shù)來說：單次彈性散射電子+多次彈性散射電子只關(guān)注次數(shù)，不強調(diào)它發(fā)生彈散后，向什么方向運動（即不關(guān)心它是從表面逸出了，還是留下了，還是透射了）從發(fā)生彈性散射后，電子最終的去向來說：①一部分的總散射角＞90°，從試樣表面逸出

———彈性背散射電子②一部分的方向改變小，在試樣中繼續(xù)傳播或從試樣另一面透射（總之沒有從入射面逸出）——只關(guān)注能量2.背散射電子“初次”電子電子射入試樣后，將受到原子的彈性和非彈性散射，就要改變運動方向。經(jīng)歷數(shù)次方向改變后，一部分電子的總散射角＞90°，重新從試樣表面逸出，稱~~~。從定義來看，只要是受到試樣散射后，從試樣表面逸出的，就統(tǒng)統(tǒng)劃歸為背散射電子，而并不考慮這些電子的散射經(jīng)歷，比如：經(jīng)過多少次碰撞？所發(fā)生的碰撞是彈性的還是非彈性的？最后返回到入射方向的電子能量是否有損失？損失多少？等等………背散射電子①彈性背散射電子：能量接近或等于E0，△E=0②單次非彈性背散射電子：能量損失，但只損失一次，E與E0相差不多，△E?、鄱啻畏菑椥员成⑸潆娮樱耗芰繐p失，且損失多次，E與E0相差多，△E大且隨次數(shù)n不同，△E不同，E不同（是變量）——只關(guān)注方向在背散射電子中，E≈E0的彈性背散射電子最多，其次是E稍小的單次非彈，多次非彈非常少。因此實際在試樣上方接收到的背散射電子是能量接近于E0的彈性背散射電子占主導(dǎo)地位。背背背背

特點：背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)Z的增大而增大背散射電子圖像的襯度與成分密切相關(guān)背散射電子像——元素的定性分布情況

應(yīng)用：

SEM和電子探針儀二次電子是“單電子激發(fā)”過程中被入射電子轟出的試樣原子的核外電子。3.二次電子“二次”電子級聯(lián)過程二次電子信號：在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生且能克服逸出功的電子譜中，探測器只能探測不同能量電子的數(shù)目，而并不能把能量相近的二次電子和背散射電子區(qū)分開。習(xí)慣上＜50ev，當(dāng)成真正的二次電子＞50ev，歸入背散射電子特點及應(yīng)用：二次電子像分辨率高，是SEM主要成像信號。4.特征X射線產(chǎn)生的根本原因是原子內(nèi)層電子的躍遷?；瘜W(xué)元素有特定波長特征X射線——成分分析應(yīng)用：SEM（增加X射線譜儀附件）5.俄歇電子屬于“二次”電子類別原子內(nèi)殼層電子被打出后，內(nèi)層出現(xiàn)空位，當(dāng)較外層電子填補時，能量傳給另一外層電子，使它被打出去——雙電離。Auger電子僅在表面1nm層內(nèi)產(chǎn)生Auger電子能量一般幾十~~幾百eV特點及應(yīng)用：Auger電子對表面微量元素有很高的靈敏度，且分析速度快，可進(jìn)行定性分析、定量分析、表面狀態(tài)分析。“二次”電子6.特征能量損失電子“等離子激發(fā)”后，損失了特征能量ΔEP后的入射電子應(yīng)用：TEM

電子能量損失譜——能量分析電子顯微術(shù)“初次”電子當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時，入射電子將穿透試樣，從另一表面射出，稱為透射電子。7.透射電子是TEM的成像電子若試樣較薄（10-20nm）——透射電子主要是彈性散射電子——成像比較清晰，電子衍射斑點較明銳若試樣較厚（但仍小于穿透深度）——透射電子包含大量非彈性散射電子，且能量是變量——由于色差，成像模糊入射電子經(jīng)多次非彈性散射后，能量耗盡，不再產(chǎn)生其他效應(yīng)，稱被試樣吸收，這種電子稱吸收電子。8.吸收電子連接納安表——測試樣吸收電子產(chǎn)生的吸收電流。試樣厚度越大，密度越大，原子序數(shù)Z越大，吸收電子越多，吸收電流越大。應(yīng)用：SEM和電子探針儀可得原子序數(shù)不同的元素的定性分布五、相互作用體積與信號產(chǎn)生的深度和廣度擴散：入射電子射入固體試樣，經(jīng)多次散射后，完全失掉方向性，即各方向散射幾率相等，稱為~。相互作用體積：擴散作用使電子與物質(zhì)相互作用不限于電子入射方向，而具有一定體積范圍，稱~。蒙特一卡洛電子彈道模擬技術(shù)顯示1.相互作用體積

試樣原子序數(shù)：輕元素試樣，相互作用體積呈梨形重元素試樣，相互作用體積呈半球形入射電子能量：能量↗，體積↗，但形狀基本不變電子束入射方向：傾斜入射，試樣表面處相互作用體積橫向尺寸增加2.相互作用體積形狀和大小的影響因素：相互作用體積形狀和大小決定各種物理信號產(chǎn)生的深度和廣度信號深廣度：俄歇電子<二次電子<背散射電子<X射線背散射電子：可從試樣深處射出廣度比入射束直徑大分辨率低俄歇電子:僅在表面1nm層內(nèi)產(chǎn)生，適用于表面分析二次電子:在表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生，表面分析，分辨率高基本還按入射方向前進(jìn)廣度與入射束直徑相當(dāng)X射線：信號產(chǎn)生的深廣度最大分辨率更低電子能量大于EK才有可能產(chǎn)生K系特征X射線，深廣度由E＞EK范圍決定原子核對電子非彈性散射產(chǎn)生的，E＞0就可能發(fā)生，因此產(chǎn)生范圍比前者大由特征X射線和連續(xù)輻射激發(fā)的次級特征輻射，X射線強穿透，因此產(chǎn)生范圍更大3.各種物理信號產(chǎn)生的深度和廣度連續(xù)輻射：特征X射線：X光熒光：

小結(jié)

原子核對電子彈性散射的特點、應(yīng)用；二次電子、特點；特征能量損失電子；內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程；自由載流子、陰極熒光、電子束電導(dǎo)和電子生伏特；各種電子信號：試樣上方接收的電子信號（背散射電子）、透射電子、吸收電子；各種信號產(chǎn)生的深度和廣度。電子顯微鏡的發(fā)展簡史：1924年，德布羅意發(fā)現(xiàn)電子波的波長可以比可見光短十萬倍1926年，Busch指出：軸對稱非均勻磁場能使電子波聚焦1932-1933年克諾爾(KnollM.)和魯斯卡(Ruska

E.)在德國制作了第一臺透射電鏡TEM（TransmissionElectronMicroscope）1939-1940年，商品電子顯微鏡問世，進(jìn)入實用階段。德國西門子公司生產(chǎn)了分辨本領(lǐng)優(yōu)于10nm的商品電子顯微鏡。我國1959年開始制造電鏡。現(xiàn)代透射電鏡的放大倍數(shù)可以達(dá)到200萬倍以上，其分辨本領(lǐng)已經(jīng)達(dá)到原子大小的水平。§2-3透射電子顯微分析OutlineofTEM：分辨率高放大倍數(shù)高照明源為聚焦電子束成像信號為透射電子試樣為薄膜（幾十到幾百nm）工作原理：聚焦電子束作照明光源：電子槍產(chǎn)生的電子束，經(jīng)1-2級聚光鏡會聚后，均勻地照射試樣上的某一待觀察的微小區(qū)域上。透射電子作為成像信號：電子束與試樣作用，試樣很薄——透射電子——其強度分布與試樣的形貌、組成、結(jié)構(gòu)對應(yīng)。透射出的電子經(jīng)一系列透鏡放大投射到熒光屏上。熒光屏把電子強度分布轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽鈴姸确植?/p>

———圖像（陰極射線發(fā)光過程）工作過程概括：

①電子槍發(fā)出電子束→②經(jīng)會聚透鏡會聚→③照射并穿透試樣→④經(jīng)物鏡成像→⑤中間鏡投影鏡放大→⑥電子顯微像(屏或底片)一、透射電子顯微鏡（TEM）

分辨本領(lǐng)高并且能夠作電子衍射（一）透射電鏡的結(jié)構(gòu)光學(xué)成像系統(tǒng)真空系統(tǒng)電氣系統(tǒng)光學(xué)成像系統(tǒng)——又稱鏡筒1.照明部分2.成像放大系統(tǒng)3.圖像觀察記錄部分4.樣品臺1.照明部分

發(fā)叉式鎢絲陰極三級電子槍(1)電子槍

(2)聚光鏡(1)電子槍——產(chǎn)生電子束LaB6陰極電子槍場發(fā)射電子槍用于超高壓電鏡（>1000kV），亮度大，能量分散性小，有利于提高分辨率。

發(fā)叉式鎢絲陰極三級電子槍相當(dāng)于陰極(發(fā)叉式熱鎢絲)

、柵極(控制極)和陽極組成的靜電透鏡發(fā)叉式鎢絲陰極三級電子槍示意圖陰極加負(fù)高壓（-50~200KV）

陽極接地（0電位）控制柵極加比陰極負(fù)幾百~幾千伏的偏壓其電位大小決定了陰極和陽極之間等電位面的分布和形狀，從而控制陰極的電子發(fā)射電流電子槍交叉點：由陰極發(fā)射的發(fā)散電子束受到電場徑向分量的作用，會聚，通過一最小截面，此處電子密度最高，稱~~~。是電鏡的實際電子源。

磁透鏡中級透射電鏡—單聚光鏡

電子束斑直徑與交叉斑直徑相當(dāng)，易造成試樣熱損傷和污染高級透射電鏡—雙聚光鏡單聚光鏡和雙聚光鏡工作原理比較(2)聚光鏡——將電子束會聚，照射在試樣上第I聚光鏡用短焦距強磁透鏡，將電子槍形成的交叉斑縮小幾十至上百倍。第II聚光鏡用長焦距弱磁透鏡，調(diào)節(jié)孔徑角和亮度。其與試樣間有較大空間，以便放置試樣臺、測角臺及其他附件。2.成像放大系統(tǒng)

物鏡+1～2級中間境+1～2級投影鏡中級透射電鏡（三級成像放大系統(tǒng)）物鏡+1級中間境+1級投影鏡高級透射電鏡（多級成像放大系統(tǒng)）物鏡+2級中間境+2級投影鏡

物鏡（磁透鏡）第一級放大鏡；形成一次電子圖像及電子衍射譜

其分辨率對整個成像系統(tǒng)的分辨率影響最大；短焦距、高放大

(100倍)、低像差的強磁透鏡。

試樣放在物鏡的前焦面附近，可得到放大倍率高的圖象。中間境（磁透鏡）

長焦距、可變倍數(shù)(0～20倍)的弱磁透鏡。投影鏡（磁透鏡）將中間鏡像進(jìn)一步放大，并投影到屏或底片上；短焦距、高放大倍數(shù)(100倍)的強磁透鏡。消像散器：類似于用散光鏡來矯正人眼的散光缺陷圓柱弱磁場，校正透鏡磁場不對稱性，消除像散。其他：第一中間鏡又稱為衍射鏡樣品室、物鏡光闌限制物鏡的孔徑角，增加圖象的反差、衍射光闌等消像散器：類似于用散光鏡來矯正人眼的散光缺陷圓柱弱磁場，校正透鏡磁場不對稱性，消除像散。其他：第一中間鏡又稱為衍射鏡樣品室、物鏡光闌限制物鏡的孔徑角，增加圖象的反差、衍射光闌等

圖2－26成像光路（a）高放大倍數(shù)成像；（b）中放大倍數(shù)成像；（C）低放大倍數(shù)成像3.圖像觀察記錄部分——觀察、拍攝經(jīng)成像放大的電子圖像(1)熒光屏——觀察（電子強度→光強分布，可傾斜和翻起）

(2)照像盒——記錄（熒光屏翻起時，電子束直接照射底片使之感光）

(3)望遠(yuǎn)鏡——放大5-10倍，觀察更小細(xì)節(jié)和精確聚焦4.樣品臺——承載樣品平移、旋轉(zhuǎn)、傾斜頂插式：上、下極靴間隙較小→球差小→分辨本領(lǐng)高

傾斜角度達(dá)20°,傾斜過程中觀察點的像稍有位移側(cè)插式：上、下極靴間隙較大→球差大→分辨本領(lǐng)差

傾斜角度達(dá)60°,傾斜過程中觀察點的像稍不位移鏡筒內(nèi)：10-4～10-6Torr（1mmHg）若電子槍中存在氣體，會產(chǎn)生氣體電離和放電避免熾熱陰極燈絲受到氧化而燒斷避免電子與氣體分子相碰撞而散射及污染樣品電子槍高壓穩(wěn)壓電源；磁透鏡穩(wěn)壓穩(wěn)流電源；電氣控制電路。真空系統(tǒng)電氣系統(tǒng)（二）透射電鏡的主要性能指標(biāo)

1.分辨率：點分辨率：0.23～0.25nm

線分辨率：0.104～0.14nm

（人眼可分辨最小細(xì)節(jié)0.1mm.常配長工作距離立體顯微鏡,將細(xì)節(jié)進(jìn)一步放大）2.放大倍數(shù)：100倍～80萬倍～200萬倍

3.加速電壓：指電子槍陽極對陰極的電壓，決定電子波波長

加速電壓高，電子束穿透能力強，可觀察厚試樣，利于分辨率普通電鏡：100～200KV；材料研究工作：200KV適宜點分辨率：

定義：電子圖像上剛能分辨開的相鄰兩點在試樣上的距離。測量方法：在照片上量出兩個斑點中心之間的距離，除以圖像的放大倍數(shù)。線分辨率指電子圖像中能分辨出的最小晶面間距，也稱晶格分辨率。如金(200)晶面的間距是0.204nm(220)晶面的間距是0.144nm0.144nm0.204nm如電鏡能拍攝出金(200)的晶格條紋像，該電鏡的線分辨率就是0.204nm，若能拍攝出金(220)的晶格條紋像，線分辨率就是0.144nm。二、透射電鏡樣品制備厚度要薄到電子束可以穿透。具體視加速電壓大小和樣品而異（100kV，100nm左右）。100～200nm，甚至幾十納米。樣品若含水分、易揮發(fā)物質(zhì)及酸堿等腐蝕性物質(zhì)，需預(yù)先處理（因電鏡鏡筒需處于高真空狀態(tài))?；瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、并有一定的機械強度，在電子轟擊下不致?lián)p壞或變化。非常清潔。(一)要求:經(jīng)懸浮分散的超細(xì)粉末顆粒

——直接試樣經(jīng)減薄的材料薄膜

——直接試樣復(fù)型方法復(fù)制的復(fù)型膜

——間接試樣(二)制備方法——主要有三種樣品類型②支持膜：粉末顆粒一般遠(yuǎn)小于銅網(wǎng)孔，先制備對電子束透明支持膜

火棉膠膜、碳膜、碳加強的火棉膠膜

1.粉末樣品制備圓孔方孔φ2～3mm①樣品分散：超聲波振蕩→

懸浮液③干燥或用濾紙吸干④蒸碳膜⑤重金屬投影為提高像襯度和增加立體感——在真空鍍膜機中，以某種角度蒸鍍ρ大的Cr、Ge、Au、Pt等重金屬原子。2.薄膜樣品制備

超薄切片——生物試樣；電解拋光——金屬材料；化學(xué)拋光——半導(dǎo)體、單晶體、氧化物等；

離子轟擊——無機非金屬材料（多相多組分非導(dǎo)電材料）離子轟擊減薄原理：按預(yù)定取向切割成薄片再經(jīng)機械減薄拋光等預(yù)減薄至30～40um的薄膜薄膜鉆取或切取成尺寸為2.5～3mm的小片→離子轟擊減薄高真空中兩個相對的冷陰極離子槍，提供高能量Ar離子流以一定角度對旋轉(zhuǎn)樣品的兩面轟擊。當(dāng)轟擊能量大于樣品表層原子結(jié)合能，表層原子受到氬離子激發(fā)而濺射經(jīng)較長時間連續(xù)轟擊、濺射，最終樣品中心穿孔。穿孔后的樣品在孔邊緣處極薄，對電子束是透明的——薄膜樣品。離子轟擊減薄裝置示意圖離子轟擊減薄的薄膜樣品斷面試樣離子槍陰極離子槍陽極電離室3.復(fù)型樣品的制備復(fù)型：用對電子束透明的薄膜把材料表面或斷口的形貌復(fù)制下來，稱為~~。常用復(fù)型方法：碳一級復(fù)型塑料-碳二級復(fù)型萃取復(fù)型

本身是“非晶”的，在高倍成像時，也不顯示其本身的任何結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；對電子束足夠透明；具有足夠的強度和剛度，在復(fù)制過程中不致破裂或畸變；良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能；分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜復(fù)型膜材料必須滿足以下特點：

(1)碳一級復(fù)型

在試樣待觀察面垂直蒸鍍一層厚10～30nm碳膜（針尖劃成2mm見方小塊），然后慢慢浸入對試樣有輕度腐蝕作用的溶液中，使碳膜與試樣分離，漂浮于液面。碳膜經(jīng)漂洗、晾干即為碳一級復(fù)型樣品。優(yōu)缺點：因要用侵蝕液，必須一次復(fù)型成功。分辨率較高，約達(dá)3～5nm。襯度較差，不能區(qū)分形貌中的凹凸。

可在碳膜形成前或后，以一定角度投影重金屬（增強襯度和立體感，但同時卻降低分辨率）。

(2)塑料-碳二級復(fù)型

在待觀察試塊表面滴一滴丙酮（或醋酸甲酯），在丙酮未完全揮發(fā)或被試樣吸干之前貼上一塊醋酸纖維素塑料膜（簡稱AC紙），待丙酮揮發(fā)后將醋酸纖維素膜揭下——第一級塑料復(fù)型在塑料復(fù)型膜的復(fù)型面上垂直蒸碳形成一層10～30nm的碳膜——第二級碳復(fù)型。為增強襯度和立體感——重金屬投影。在丙酮溶液中溶去塑料膜，碳膜漂浮于丙酮中，經(jīng)漂洗、展開、晾干————二級復(fù)型樣品。優(yōu)缺點：因第一級復(fù)型用塑料膜進(jìn)行，膜易于從試塊揭下，不需使用侵蝕劑，不破壞試樣表面形貌，可重復(fù)復(fù)型。分辨率低，一般為10nm左右。

(3)萃取復(fù)型

既復(fù)制試樣的表面形貌，又把第二相粒子粘附下來并基本保持原分布狀態(tài)。

侵蝕試樣，形成浮雕蒸碳、形成碳膜并將凸出的第二相粒子包埋住在侵蝕液中使碳膜和凸出的第二相粒子與基體分離清潔碳膜。

三、電子衍射

1924年，德布羅意提出物質(zhì)波概念?！娮硬?927年，戴維森等電子衍射實驗證實電子波動性，但發(fā)展緩慢1939-1940年，商品電鏡進(jìn)入市場。20世紀(jì)50年代，隨電子顯微鏡的發(fā)展，把成像和衍射有機聯(lián)系起來，為物相分析顯微結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)分析開拓了新的途徑。例如：材料中晶粒太?。◣资畊m,甚至幾百nm）不能用X射線進(jìn)行單個晶體的衍射，但卻可以用電子顯微鏡在放大幾萬倍的情況下，有目的選擇這些晶體，進(jìn)行選區(qū)電子衍射和微束電子衍射來確定其物相或晶體結(jié)構(gòu)。電子衍射與X射線衍射的異同點：(了解)相似性：都遵循勞厄方程、Bragg方程區(qū)別：電子波波長短、受物質(zhì)散射強電子波長短——單晶的電子衍射譜和晶體倒易點陣的二維截面完全相似，從而簡化了晶體幾何關(guān)系的研究。散射強——第一，衍射束強度有時幾乎與透射束相當(dāng)，有必要考慮二者相互作用，使電子衍射花樣分析，特別是強度分析更復(fù)雜；第二，散射強度高，導(dǎo)致電子穿透能力有限，因而較適用于研究微晶、表面和薄膜晶體。1.電子衍射基本公式和相機常數(shù)

R透射斑QG’Ld衍射束入射電子束I0透射束衍射斑P底片R=L·

tan2θ電子λ很短2θ很小(1~2°)→tg2θ≈sin2θ≈2sinθ2dsinθ=λR=L·2sinθRd=LλL——試樣到照相底板的距離“衍射長度”或“電子衍射相機長度”加速電壓一定情況下，λ確定，Lλ為常數(shù)，設(shè)為K。稱為“儀器常數(shù)”或“相機常數(shù)”若儀器常數(shù)K已知，可由衍射斑、透射斑距離R計算出對應(yīng)該衍射斑的晶面d值。

2.單晶電子衍射譜特點：具有一定幾何圖形與對稱性實質(zhì)：單晶電子衍射譜是晶體倒易點陣的二維截面的投影放大像。二維倒易平面上倒易點陣的配置只有五種，因此單晶衍射譜也只有五種幾何圖形：平行四邊形矩形有心矩形四方形六角形

3.多晶電子衍射譜特點：同心圓環(huán)

形成原因：對每一顆小晶體來說，當(dāng)其面間距為d的｛hkl｝晶面族符合衍射條件時，將產(chǎn)生衍射束，并在屏或底板上得到相應(yīng)衍射斑點。當(dāng)有許多取向不同的小晶粒，其｛hkl｝晶面簇族符合衍射條件時，則形成以入射束為軸，2θ為半角的衍射束構(gòu)成的圓錐面，它與屏或底板的線，就是半徑為R=Lλ/d的圓環(huán)。d值不同，則半徑R不同——同心圓環(huán)。4.TEM中的電子衍射方法“電子衍射相機長度”L和相應(yīng)的相機常數(shù)K由于f0和M’隨激磁電流I變化所以L和K不是固定不變的。它們隨所選用的電子衍射方法和操作條件而改變因此又稱為“有效相機長度”和“有效相機常數(shù)”（2）微束電子衍射是利用經(jīng)聚光鏡系統(tǒng)會聚的、很細(xì)的電子束對試樣進(jìn)行衍射（最小可達(dá)50nm）。不需要使用選區(qū)光闌就能得到微區(qū)電子衍射。（1）選區(qū)電子衍射（3）高分辨電子衍射（4）高分散性電子衍射（小角度電子衍射）（5）會聚束電子衍射將試樣置于投影鏡附近，第二中間鏡與投影鏡關(guān)閉不用。拉開大間距晶面衍射斑點或小角度衍射束斑點和透射斑間的距離物鏡關(guān)閉，試樣產(chǎn)生的小角度衍射束經(jīng)第一中間鏡成第一級衍射譜。是用會聚成一定會聚角的電子束對試樣進(jìn)行衍射，會聚角由第二聚光鏡光闌孔直徑?jīng)Q定。

是指選擇特定像區(qū)的各級衍射束成譜選區(qū)實現(xiàn)：置于物鏡像平面的專用選區(qū)光闌（稱視場光闌）（1）選區(qū)電子衍射物鏡像平面選區(qū)光闌視場光闌如圖：只有AB區(qū)各級衍射束能通過選區(qū)光闌最終在熒光屏上成譜，AB區(qū)外均被擋住不能參與成譜。所得衍射譜僅與試樣AB區(qū)相對應(yīng)。改變選區(qū)光闌孔大小，可改變選區(qū)大小，使衍射譜與所選試樣像區(qū)一一對應(yīng)。5.電子衍射物相分析的特點分析靈敏度非常高，小到幾十甚至幾nm的微晶也能得出清晰的電子圖像（試用于試樣總量很少、待定物在試樣中含量很低、待定物顆粒極?。┛梢缘玫接嘘P(guān)晶體取向的資料（如晶體生長擇優(yōu)取向、析出相與基體的取向關(guān)系等）電子衍射物相分析可與形貌觀察結(jié)合，得到有關(guān)物相大小、形態(tài)和分布等信息。分析靈敏度高，分析中可能會引起假象（如制樣時引入的雜質(zhì)灰塵等）對電子衍射物相分析結(jié)果要持分析態(tài)度，盡可能與X射線物相分析結(jié)合。四、透射電子顯微像及襯度

(二)薄晶體電子顯微像(一)復(fù)型膜電子顯微像電子顯微圖像不同于普通照片需要解釋電子圖像的理論——襯度理論襯度——電子圖像的光強度差別(電子束強度差別)透射電鏡襯度理論：質(zhì)厚襯度——非晶態(tài)薄膜、復(fù)型膜試樣衍射襯度相位襯度晶體薄膜試樣所成圖像(一)復(fù)型膜電子顯微像1.質(zhì)厚襯度2.物鏡光闌3.復(fù)型像襯度1.質(zhì)厚襯度定義：由試樣各部分密度ρ(或原子序數(shù)Z)和厚度t不同形成的電子圖像襯度——質(zhì)量厚度襯度（質(zhì)厚襯度）。產(chǎn)生：強度為I0的電子束照射到無定型或非晶體試樣上時，受到原子散射后，透過試樣并通過物鏡光闌的電子束強度為I：

I--透射電子束強度；I0--入射電子束強度；Q--單位體積試樣的總散射截面；t--試樣厚度；σ(α)--原子散射截面；N0--阿弗加德羅常數(shù)；A--原子量；ρ--試樣密度。說明：I與ρt(或Qt)有關(guān),即ρt不同將產(chǎn)生襯度即：ρt大,I小——熒光屏暗

ρt小,I大——熒光屏亮

隨試樣厚度t和ρ變化的電子像強度剖面圖

多孔玻璃經(jīng)腐蝕斷面的二級復(fù)型透射電鏡像2.物鏡光闌

定義：在電鏡中置于物鏡的后焦面上，阻擋大角度散射電子的光闌，稱物鏡光闌。作用：物點A散射的電子散射角α＜α物鏡光闌，能通過光闌，聚焦于像平面成像散射角α＞

α物鏡光闌，被光闌擋住，不能參與成像物鏡光闌擋住大角度散射電子在一定加速電壓下，減小物鏡光闌孔徑（減小α物）襯度增加；在一定物鏡光闌孔徑下，隨加速電壓增加，襯度減小。物鏡襯度光闌的作用由于物鏡光闌阻擋了散射角大的電子，改善了襯度，又稱襯度光闌。效果：形成襯度若總散射截面QC＞QB＞QA,則:C區(qū)域散射的電子大部分被光闌擋住B區(qū)域散射的電子小部分被光闌擋住A區(qū)域散射的電子都能通過光闌成像-------→形成襯度3.復(fù)型像襯度復(fù)型像襯度的形成：復(fù)型膜把試樣表面的形貌差別轉(zhuǎn)變?yōu)樵陔娮邮较蛏系暮穸炔顒e——襯度。復(fù)型像襯度的特點：復(fù)型膜試樣整個區(qū)域的密度相同，雖有一定的厚度差別，但由厚度t差別引起的襯度很小。復(fù)型像襯度的改善：以一定角度在復(fù)型膜上蒸鍍密度大的重金屬原子，如Cr、Pt等，增加試樣形貌不同部位的密度差別，從而改善圖像襯度。

(二)薄晶體電子顯微像1.衍射襯度和衍襯像（1）術(shù)語（2）衍射襯度產(chǎn)生的原因（3）衍襯像的應(yīng)用2.相位襯度和高分辨率像（1）相位襯度（2）高分辨率像的應(yīng)用1.衍射襯度和衍襯像（1）術(shù)語衍射襯度：基于晶體薄膜內(nèi)各部分滿足衍射條件的程度不同而形成的襯度。衍襯像：根據(jù)衍射襯度原理形成的電子圖像。選擇衍射成像：可選擇一定的衍射束成像，稱~。選擇單光束——衍襯像；選擇多光束——晶格像選擇衍射成像的做法：用物鏡光闌套住物鏡后焦面的中心透射斑或某一衍射斑（只讓它成像），而把其它所有斑點擋住。

明場像：用透射束成像(BF)——清晰、明亮；暗場像：用衍射束成像(DF)。單光束成像雙光束成像

若轉(zhuǎn)動晶體使某一晶面組（hkl）精確滿足布拉格條件，而其它晶面組都偏離布喇格條件較多，此時得到的衍射譜除中心有一個很亮的透射斑外，還有一個很亮的hkl衍射斑，而其它衍射斑都很弱，這種衍射條件稱為“雙光束條件”。

I0=IT十Ig在雙光束條件下(不考慮吸收)，明場像與暗場像的襯度互補。

SiC中堆積層錯的明場像和暗場像（2）衍射襯度的產(chǎn)生原因I0入射電子束：A晶粒：各晶面完全不滿足Bragg條件；B晶粒：某hkl晶面與入射電子束交成精確Bragg角θB產(chǎn)生衍射。如果用物鏡光闌把B晶粒hkl衍射束擋掉，只讓透射束通過光闌孔進(jìn)行成像：IA≈

I0IB≈

I0-Ihkl則像平面上A、B的亮度不同（A亮B暗），形成襯度。

AB（3）衍襯像的應(yīng)用晶粒——不同組成、不同結(jié)構(gòu)晶粒；多晶體——晶界、位錯及其它界面；完整的晶體薄膜——位錯、層錯、空間團(tuán)等；表面結(jié)構(gòu)的透射電鏡觀察；在高壓電鏡中晶體缺陷的動態(tài)觀察和晶體缺陷的精細(xì)結(jié)構(gòu)研究等。Sialon陶瓷中的位錯網(wǎng)2.相位襯度和高分辨率像入射電子受到試樣原子散射，分成透射波和散射波兩部分，它們相位差為π/2，二者相干產(chǎn)生的合成波振幅與透射波振幅相近，相位稍不同--→二者振幅接近，強度差很小，所以不能形成像襯度。（1）相位襯度如果設(shè)法引入附加的相位差，使散射波改變π/2位相，則合成波與透射波的振幅就有較大差別，從而產(chǎn)生襯度——相位襯度。

注意相位襯度的產(chǎn)生，不是因為有相位差就有襯度，而是因為有了附加的相位差后（前串或后移π/2），合成波的振幅與透射波振幅相差較大，即強度差增大，從而產(chǎn)生襯度。（2）高分辨率像的應(yīng)用研究對象：1nm以下的細(xì)節(jié)。試樣要求：薄晶體試樣厚度小于10nm。晶格條紋像：反映晶面組的晶面間距

直接觀察脫溶、孿生、晶粒間界以及長周期層狀晶體結(jié)構(gòu)的多型體等。結(jié)構(gòu)像：反映晶體結(jié)構(gòu)中原子或分子配置情況的原子像：反映單個重金屬原子

晶格像

結(jié)構(gòu)像

金的原子像五、高壓電子顯微鏡普通透射電鏡（CTEM）加速電壓：100~200kV；（200kV，λ=0.00251nm）高壓透射電鏡（HTEM）加速電壓：500kV以上；（500kV，λ=0.00142nm

）超高壓透射電鏡加速電壓：1000kV以上（目前已達(dá)3000kV）。（1000kV，λ=0.00087nm

）高壓電子顯微鏡的特點由于加速電壓高，電子束能量高，穿透本領(lǐng)大，因此高壓電鏡可以觀察較厚試樣。改善成像的分辨本領(lǐng)。改善成像襯度。電子波長更短，提高了電子衍射精度，可以對更小區(qū)域（如幾十納米）進(jìn)行選區(qū)衍射。高壓電鏡樣品臺周圍空間較大，可以使用特制的環(huán)境樣品室——可以使樣品處于保護(hù)或反應(yīng)氣體以及潮濕的環(huán)境條件下，進(jìn)行各種動態(tài)試驗和觀察?！?-4掃描電子顯微分析一、掃描電子顯微鏡二、掃描電鏡圖像及襯度三、掃描電鏡試樣制備（一）工作原理及特點

（二）掃描電鏡的結(jié)構(gòu)

（了解）

（三）掃描電鏡的性能指標(biāo)

（四）掃描電鏡的場深一、掃描電子顯微鏡（SEM）

ScanningElectronMicroscope

（一）工作原理及特點電子槍→電子束（交叉斑為電子源）→聚焦→微細(xì)電子束（一定能量、束流強度、束斑直徑）；在試樣表面掃描（時間、空間順序柵網(wǎng)式掃描）產(chǎn)生二次電子、背散射電子、吸收電子、特征X射線及其它物理信號；探測器收集背散射電子、二次電子等信號→電訊號→視頻放大→顯像管成像。1.工作原理：10~30mm的大塊試樣，制樣簡單；場深大，適于粗糙表面和斷口，圖像富有立體感和真實感；適當(dāng)分辨率：3-6nm；日本電子的SEM已達(dá)1nm、TEM(200kV)點0.19線0.14nm可用電子學(xué)方法，控制和改善圖像質(zhì)量；多功能組合（如微區(qū)成分等）；可動態(tài)分析（加熱、冷卻、拉伸等）。

2.特點放大倍率變化范圍大:10-15倍～20-30萬倍；（TEM是100~80萬~200萬）低倍普查高倍細(xì)節(jié)觀察（二）掃描電鏡的結(jié)構(gòu)（了解內(nèi)容）電子光學(xué)系統(tǒng)；掃描系統(tǒng)：提供入射電子束在試樣表面及顯像管電子束在熒光屏上同步掃描的信號?！咂链笮∫欢ā喔淖?nèi)肷涫谠嚇颖砻鎾呙璺?，可獲得所需放大倍數(shù)的掃描像。信號探測放大系統(tǒng)；圖像顯示記錄系統(tǒng)；真空系統(tǒng)；電源系統(tǒng)。（三）掃描電鏡的性能指標(biāo)L---顯像管電子束在熒光屏上掃描幅度；l---入射電子束在試樣上掃描幅度；1.放大倍數(shù)1.放大倍數(shù)2.分辨本領(lǐng)M=10-15倍～～20-30萬倍2.分辨本領(lǐng)決定因素：

1.入射電子束束斑大小

小于電子束斑的試樣細(xì)節(jié)不能在熒光屏上顯示，分辨本領(lǐng)不可能小于電子束斑直徑

2.成像信號二次電子像分辨率最高；X射線像最低表示方法：

1.相鄰兩亮區(qū)中心距離

2.暗區(qū)寬度（四）掃描電鏡的場深考慮失焦時：熒光屏上點0.2mm，則：選用小孔徑光闌使束發(fā)散角減小，或電鏡放大倍數(shù)減小，場深增加。是指電子束在試樣上掃描時，可獲得清晰圖像的深度范圍。電子束發(fā)散半角為β設(shè)可獲得清晰圖像的束斑直徑為d：二、掃描電鏡圖像及襯度

（一）掃描電鏡像的襯度

（二）背散射電子像

（三）二次電子像

（四）吸收電子像（一）掃描電鏡像的襯度掃描電鏡像的襯度是信號襯度，定義式：i2、i1——電子束在試樣掃描時從任何二點探測到的信號強度

掃描電鏡像襯度分類：

形貌襯度原子序數(shù)襯度電壓襯度1.形貌襯度試樣表面微區(qū)形貌差別：表面相對于入射束傾角不同；二次電子、背散射電子：其強度是試樣表面傾角的函數(shù)；形貌差別→傾角差別→二次電子、背散射電子強度差別→襯度。是由于試樣表面形貌差別形成的襯度。2.原子序數(shù)襯度對試樣表面原子序數(shù)變化敏感的物理信號：背散射電子吸收電子特征X射線是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)Z差別而形成的襯度?！成⑸潆娮酉瘛针娮酉瘛卣鱔射線像注意：其襯度不僅有原子序數(shù)襯度，還有形貌襯度

試樣原子序數(shù)對背散射電子和二次電子發(fā)射的影響圖a:Z1=Z2（nB）1=（nB）2（iB）1=（iB）2圖b：Z1＜Z2（nB）1<（nB）2（iB）1<（iB）2Z大區(qū)域比Z小區(qū)域更亮!原子序數(shù)襯度形成原理（背散射電子例）：

3.電壓襯度利用對試樣表面電位信號敏感的信號作為顯像管的調(diào)制信號，可得到電壓襯度像。二次電子是由于試樣表面電位差形成的襯度。1.背散射電子特點(1)能量高，接近E0；產(chǎn)生深廣度＞二次電子，像分辨率低；（二）背散射電子像(2)發(fā)射系數(shù)η隨原子序數(shù)增加而增大η=IB/I0

I0—入射電子強度-→原子序數(shù)襯度-→成分分布研究η受入射束能量影響不大（作用體積隨能量↗而↗）η隨表面傾角增加而增大--→形貌襯度--→表面形貌研究(3)背散射電子在試樣上方有一定的角分布

--→

電子探測器必須放置在適當(dāng)位置才能使探測到的背散射電子信號具有較高的強度。背散射電子在試樣上方有一定角分布：垂直入射情況下（試樣表面傾角θ＝0?）為余弦分布：

η(φ)=η0cosφ

Φ——測量方向與試樣表面法線間夾角當(dāng)試樣表面傾角θ增加時，由于電子有向前散射的傾向，背散射電子角分布的峰值移向前方，成為非對稱形。不同試樣表面傾角時的背散射電子角分布背散射電子能量大，運動方向基本不受弱電場的影響，沿直線前進(jìn)單個電子探測器對粗糙表面發(fā)射的背散射電子（實線）和二次電子（虛線）的收集2.背散射電子的探測探測背散射電子探測二次電子

圖用單個探測器探測得到的鐵斷口像只能探測到面向探測器的表面發(fā)射的背散射電子，所成像有較重陰影效應(yīng)，表面形貌不能充分顯示，且背散射電子像分辨率低，因此一般不用它觀察形貌，而只初步判斷成分分布。背散射電子像的觀察方法

——信號分離觀察方法

在對稱入射束的方位上裝一對背散射電子探測器：①原子序數(shù)信息：強度IB相同IA②形貌信息：強度互補IB=-IA所以：A+B=成分像A-B=形貌像圖2－80背散射電子成分信息和形貌信息的分離原理

圖2－8l背散射電子成分像（a）和形貌像（b）（與圖2－79為同一視域）一、掃描電子顯微鏡三、掃描電鏡試樣制備（一）工作原理及特點

（二）掃描電鏡的結(jié)構(gòu)

（了解）

（三）掃描電鏡的性能指標(biāo)（1.放大倍數(shù)2.分辨本領(lǐng)）

（四）掃描電鏡的場深復(fù)習(xí)：二、掃描電鏡圖像及襯度（一）掃描電鏡像的襯度（形貌襯度、原子序數(shù)襯度、電壓襯度）

（二）背散射電子像

（三）二次電子像

（四）吸收電子像能量＜50eV；表面10nm層內(nèi)狀態(tài)；成像分辨率高。（三）二次電子像1.二次電子特點：發(fā)射系數(shù)與入射束能量有關(guān)