檢測方法發(fā)展歷史

檢測方法發(fā)展歷史第一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日電子顯微鏡(electronmicroscope，EM)一般是指利用電磁場偏折、聚焦電子及電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生散射的原理來研究物質(zhì)構(gòu)造及微細結(jié)構(gòu)的精密儀器。近年來，由于電子光學的理論及應(yīng)用發(fā)展迅速，這一定義已顯示出其局限性，目前重新定義電子顯微鏡為一項利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生的訊號來鑒定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)、微細組織、化學成份、化學鍵結(jié)合和電子分布情況的電子光學裝置。緒論第二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日用電子光學儀器研究物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成份的技術(shù)稱為電子顯微技術(shù)。眾所周知，現(xiàn)代科學技術(shù)的迅速發(fā)展，要求材料科學工作者能夠及時提供具有良好力學性能的結(jié)構(gòu)材料及具有各種物理化學性能的功能材料。而材料的性能往往取決于它的微觀結(jié)構(gòu)及成分分布。因此，為了研究新的材料或改善傳統(tǒng)材料，必須以盡可能高的分辨能力觀測和分析材料在制備、加工及使用條件下（包括相變過程中，外加應(yīng)力及各種環(huán)境因素作用下等）的微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的變化，進而揭示材料成分—工藝—微觀結(jié)構(gòu)—性能之間關(guān)系的規(guī)律，建立和發(fā)展材料科學的基本理論。第三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日電子顯微技術(shù)發(fā)展歷史電子顯微鏡的發(fā)展歷史可追溯至1897年，英國科學家J.J.Thomson發(fā)現(xiàn)了電子；到了1912年，發(fā)現(xiàn)X光衍射現(xiàn)象，經(jīng)Bragg的深入研究，一舉奠定了X光的波性和利用電磁波衍射決定晶體結(jié)構(gòu)的方法。1924年，DeBroglie發(fā)表了質(zhì)波說；1926年Heisenberg等發(fā)展和豐富了量子力學，創(chuàng)立了電子波質(zhì)二元論的理論基礎(chǔ)。電子既然具有波性，則也應(yīng)該有衍射現(xiàn)象;1927年美國Davisson以電子衍射實驗證實了電子的波性。在電子顯微鏡結(jié)構(gòu)方面，最主要的電磁透鏡源自J.J.Thomson作陰極射線管實驗時觀察到電場及磁場可偏折電子束。后人進一步發(fā)現(xiàn)可借助電磁場聚焦電子，產(chǎn)生放大作用。電磁場對電子的的作用與光學透鏡對光波的作用非常相似，因而發(fā)展出電磁透鏡。

第四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日

1934年，Ruska在實驗室制作第一部穿透式電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope，TEM)，

1938年，第一部商售電子顯微鏡問世。20世紀40年代，常用的TEM的分辨率約在l0nm左右，而最佳分辨率在2至3nm之間。當時由于試樣制備的困難及缺乏應(yīng)用的動機，所以很少被物理科學研究者使用。直到1949年，Heidenreich制成適于TEM觀察的鋁及鋁合金薄膜，觀察到因厚度及晶體面不同所引起的像對比效應(yīng)，并成功的利用電子衍射理論加以解釋。由此獲得一些與材料性質(zhì)有關(guān)的重要結(jié)果，才使材料界人士對TEM看法有所改變。但因為觀察用試樣制備困難，因此該技術(shù)發(fā)展緩慢。直到20世紀50年代中期，由于成功地采用TEM觀察到不銹鋼中的位錯，再加上制樣方法的改進，TEM技術(shù)才得以廣泛應(yīng)用，成為一種重要的材料分析手段。

第五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日

TEM的主要發(fā)展(l)試片的研磨。(2)TEM一般的分辨率由2.5nm提高到數(shù)埃。(3)雙聚光鏡的應(yīng)用可獲得漫散射程度小、強度高、直徑在微米左右的電子束，增加了TEM微區(qū)域觀察的能力。(4)晶體中缺陷電子衍射成像對比理論的發(fā)展。(5)試樣在TEM中的處理，如傾斜、旋轉(zhuǎn)等裝置得到實際化應(yīng)用，克服了制樣存在的困難。第六頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日透射電子顯微鏡（TEM）是一種能夠以原子尺度的分辨能力，同時提供物理分析和化學分析所需全部功能的儀器。特別是選區(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行微區(qū)成份分析，可以得到材料微觀全面的信息。第七頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日掃描式電子顯微鏡(scanningelectronmicroscope，SEM)原理的提出與發(fā)展，約與TEM同時；但直到1965年，第一部商售SEM才問世。由于SEM是研究物體表面結(jié)構(gòu)及成份的有效手段，試樣制作較容易，目前已被廣泛使用。掃描電子顯微鏡（SEM）具有較高的分辯率和很大的景深，可清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌，并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)，分析研究斷裂的原因和機理，以及其它方面的應(yīng)用。

第八頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日電子探針（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，它可以對微米數(shù)量級側(cè)向和深度范圍內(nèi)的材料微區(qū)進行相當靈敏和精確的化學成份分析，基本上解決了鑒定元素分布不均勻的困難。第九頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日電子與材料試樣作用可以產(chǎn)生各種訊號。電子顯微鏡主要原理就是在收集、分辨各種訊號的基礎(chǔ)上，經(jīng)過相應(yīng)處理，得到能夠反映所分析試樣的晶體結(jié)構(gòu)、微細組織、化學成份、化學鍵類型和電子分布情況的有效信息。第十頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日

X射線衍射儀電子探針儀掃描電鏡X射線二次電子熒光輻射入射電子背散射電子陰極熒光吸收電子俄歇電子試樣透射電子衍射電子俄歇電鏡 透射電子顯微鏡電子衍射儀圖1電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息及相應(yīng)儀器第十一頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日

電子顯微技術(shù)的最新進展

近年來TEM及SEM的功能日新月異，TEM主要發(fā)展方向為：

1.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;減少波長散布像差;增加分辨率等。

2.高分辨率：已發(fā)展到廠家保證最佳解像能力為點與點間0.18nm、線與線間0.14nm。美國于1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中，1000keV的原子分辨電子顯微鏡其點與點間的分辨率達0.17nm，可直接觀察晶體中的原子。

3.分析裝置：如附加電子能量分析儀，可鑒定微區(qū)域的化學組成。

4.場發(fā)射電子光源:具有高亮度及契合性，電子束可小至1nm。除適用于微區(qū)域成份分析外，更有潛力發(fā)展三度空間全像術(shù)。

第十二頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日

在SEM方面，一方面提高分辨率，同時在SEM上附加上諸如X射線探測微分析儀等分析儀器，以辨別物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)及化學成分等。近年來，電子顯微鏡的發(fā)展趨勢表現(xiàn)為將TEM與SEM結(jié)合為一，取二者之長制成掃描穿透式電子顯微鏡(scanningtransmissionelectronmicroscope，STEM)，其分析功能更加強大，可全面的得到各種有效信息，這種儀器也被稱為分析電子顯微鏡(analyticalelectronMicroscope)。第十三頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日第十四頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日電子顯微鏡與光學顯微鏡、X射線衍射儀特性及功能的比較

近代材料學者利用許多波性粒子與材料作用產(chǎn)生的訊號來分析材料的構(gòu)造與缺陷。常用分析儀器包括光學顯微鏡、X射線衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長，同時也各有不足之處。以下將以上三種分析儀器的特性、功能及適用范圍列于表1，最有效的分析方法在于適宜地配合使用各種儀器，從而達到研究目的。第十五頁，共十六頁，編輯于2023年，星期日主要分析儀器的比較儀器類別光學顯微鏡X射線衍射儀電子顯微鏡質(zhì)波可見光X光電子波長390~760nm

0.001~100nm

0.0007nm(加速電壓1000kV)介質(zhì)空氣空氣真空分辨率最高達到200nm，最高有效放大倍率2000倍X射線衍射:

直接成像:~μm最高達到0.01nm，放大倍率高達80萬~100萬倍

偏折