《電子顯微分析》PPT課件.ppt

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 第二章電子顯微分析 緒論 現(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) 緒論 電子顯微分析的主要儀器是電子顯微鏡 electronmicroscope EM 一般是指利用電磁場(chǎng)偏折 聚焦電子及電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生散射之原理來(lái)研究物質(zhì)構(gòu)造及微細(xì)結(jié)構(gòu)的精密儀器 近年來(lái) 由於電子光學(xué)理論的迅速發(fā)展 重新定義其為一種利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生訊號(hào)來(lái)鑒定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu) crystalstructure CS 微細(xì)組織 microstructure MS 化學(xué)成份 chemicalcomposition CC 化學(xué)鍵結(jié) chemicalbonding CB 和電子分布情況 electronicstructure ES 的電子光學(xué)裝置 緒論 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(lái) 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 緒論 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(lái)觀察斷口表面微觀形態(tài) 分析研究斷裂的原因和機(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 緒論 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 常用光電觀測(cè)儀器比較 近代材料學(xué)者利用許多波性粒子與材料作用產(chǎn)生訊號(hào)來(lái)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(zhǎng) 亦有短缺不足之處 茲將此三種分析儀器之特性 功能及適用范圍表列於表1 最有效之分析方法乃在適當(dāng)配合使用各種儀器 以期各種功能相輔相成 緒論 常用光電觀測(cè)儀器比較 表1各種主要分析儀器之比較表 緒論 光衍射使得由物平面內(nèi)的點(diǎn)O1 O2在象平面形成一B1 B2圓斑 Airy斑 若O1 O2靠的太近 過(guò)分重疊 圖象就模糊不清 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 阿貝 Abbe 根據(jù)衍射理論推導(dǎo)出了光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)的公式 可見(jiàn)光作為光源時(shí) 透鏡的分辨本領(lǐng)極限為200nm 要進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨本領(lǐng) 則必須采用波長(zhǎng)更短的照明源 由于電子束流具有波動(dòng)性 而電子波的波長(zhǎng)要比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)短的多 顯然 如果用電子束作為照明光源制成的電子顯微鏡將具有更高的分辨率 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 電子波高速運(yùn)動(dòng)的電子應(yīng)考慮相對(duì)論修正 即 運(yùn)動(dòng)的粒子同時(shí)具有波動(dòng)性 其波長(zhǎng)與運(yùn)動(dòng)擴(kuò)速度V有如下的關(guān)系 式中 電子靜止質(zhì)量m0 9 1 10 31千克 普朗克常數(shù)h 6 62 10 34焦耳 秒 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 加速電子的動(dòng)能與電場(chǎng)加速電壓U的關(guān)系為 式中e 1 6 10 19庫(kù)侖 為電子電荷 光速c 3 0 108米 秒 故有 根據(jù)上式可計(jì)算出不同加速電壓下電子波的波長(zhǎng) 見(jiàn)表1 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 提高加速電壓 縮短電子波長(zhǎng) 可提高顯微鏡分辨本領(lǐng) 加速電子速度越高 對(duì)試樣穿透的能力也越大 這樣可放寬對(duì)試樣減薄的要求 厚試祥與近二維狀態(tài)的薄試樣相比 更接近三維實(shí)際情況 右圖示出加速電壓與電子穿透厚度的關(guān)系 隨加速電壓提高 電子穿透厚度增加 在500kv以上時(shí) 曲線由上升轉(zhuǎn)為平緩 第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ) 第三節(jié)粒子 束 與材料的相互作用 一 電子束與材料的相互作用二 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào)三 電子束與材料的其他相互作用 自學(xué) 四 離子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 自學(xué) 濺射與二次離子 一 電子束與材料的相互作用 入射電子 又稱為初始或一次電子 照射固體時(shí)與固體中粒子相互作用 它包括 入射電子的散射 入射電子對(duì)固體的激發(fā) 受激發(fā)粒子在固體中的傳播 電子散射源于庫(kù)侖作用 它不同于光子在固體中的散射 入射電子照射固體時(shí)將與固體中的電子 原子核等作用而發(fā)生散射 與輻射的散射一樣 電子散射同樣有彈性和非彈性散射之分 設(shè)原子的質(zhì)量為M 質(zhì)量數(shù)為A 碰撞前原子處于靜止?fàn)顟B(tài) 電子質(zhì)量與原子質(zhì)量的比值me M 1 1836A 根據(jù)動(dòng)量和能量守恒定理 入射電子與原子 核 碰撞后的最大能量損失可表示為 1彈性散射 電子散射 當(dāng)入射電子與原子中電子的作用成為主要過(guò)程時(shí) 由于作用粒子的質(zhì)量相同 散射后入射電子的能量發(fā)生顯著變化 這種過(guò)程稱為非彈性散射 在非彈性散射過(guò)程中 入射電子把部分能量轉(zhuǎn)移給原子 引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化 產(chǎn)生各種激發(fā)現(xiàn)象 因?yàn)檫@些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果 所以稱為電子激發(fā) 電子激發(fā)是非電磁輻射激發(fā)的一種形式 2非彈性散射 電子散射 入射電子被原子核散射時(shí) 散射角2 的大小與瞄準(zhǔn)距離 電子入射方向與原子核的距離 rn 原子核電荷Ze以及入射電子的加速電壓V有關(guān) 如圖1 l所示 其關(guān)系為 圖1 1電子散射示意圖 a 與原子核作用 b 與核外電子作用 或 3散射截面 參見(jiàn) 材料結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) 余焜主編 電子散射 入射電子與原子核作用 被散射到大于2 的角度以外 故可用 rn2 以原子核為中心 rn為半徑的圓的面積 來(lái)衡量一個(gè)孤立原子核把入射電子散射到大于2 角度以外的能力 由于電子與原子核的作用表現(xiàn)為彈性散射 故將 rn2叫做彈性散射截面 用 n表示 3散射截面 電子散射 同理 稱 re2為核外電子的非彈性散射截面 用 e表示 對(duì)一個(gè)原子序數(shù)為Z的孤立原子 彈性散射截面為 n 非彈性散射截面則為所有核外電子非彈性散射截面之和Z e 由前兩式可得 n Z e Z 因此 原子序數(shù)越高 產(chǎn)生彈性散射的比例就越大 3散射截面 電子散射 由于庫(kù)侖相互作用 入射電子在固體中的散射比X射線強(qiáng)得多 同樣固體對(duì)電子的 吸收 比對(duì)X射線的吸收快得多 隨著激發(fā)次數(shù)的增多 入射電子的動(dòng)能逐漸減小 最終被固體吸收 束縛 電子吸收主要指由于電子能量衰減而引起的強(qiáng)度 電子數(shù) 衰減 顯然不同于X射線的 真吸收 電子被吸收時(shí)所達(dá)到的深度稱為最大穿入深度 R 在不同固體中 電子激發(fā)過(guò)程有差別 多數(shù)情況下激發(fā)二次電子是入射電子能量損失的主要過(guò)程 4電子吸收 電子散射 單位入射深度電子能量變化 dE dz 與入射深度 z 的關(guān)系如圖1 2所示 曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為入射電子的最大穿入深度 圖1 2入射電子在固體中傳播時(shí)的能量損失曲線 E0 1keV 3keV 5keV和8keV 4電子吸收 電子散射 彈性散射和非彈性散射同時(shí)發(fā)生 前者使電子偏離原來(lái)方向引起電子在固體中擴(kuò)散 后者使電子能量逐漸減小 直至被固體吸收 從而限制了電子在固體中的擴(kuò)散范圍 這個(gè)范圍稱為電子與固體的作用區(qū) 掃描電子顯微鏡和其它相關(guān)分析技術(shù)檢測(cè)的各種信號(hào)和輻射正是來(lái)自這個(gè)作用區(qū) 二 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 入射電子與固體作用區(qū)及其與固體作用產(chǎn)生的信號(hào)可用圖1 3簡(jiǎn)單描述 I0是入射電子流 單位是A 描述入射電子的另一物理量是電子束流密度 單位是A cm2 在強(qiáng)聚焦的情況下 電子束流密度很高 而總的電子流往往很小 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 圖1 3 前進(jìn)方向 最后又從樣品表面發(fā)射出去的入射電子 前者一般沒(méi)有能量損失 稱為彈性背散射電子 后者通常有能量損失 稱為非彈性背散射電子 背散射電子的最大信息深度約為電子最大穿入深度的一半 IR為背散射電子流 它是入射電子與固體作用后又離開(kāi)固體的總電子流 背散射電子主要由兩部分組成 一部分是被樣品表面原子反射回來(lái)的入射電子 另一部分是入射電子進(jìn)入固體后通過(guò)散射連續(xù)改變 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) IS表示二次電子流 由直接擊出的原子核外電子和退激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)射電子 如俄歇電子 構(gòu)成 前者稱為 真 二次電子 其能量較低 強(qiáng)度按能量連續(xù)分布 后者稱為特征二次電 子 其能量取決于原子本身的電子結(jié)構(gòu) 取 些分立的能量值 當(dāng)背散射電子返回到樣品表面層 并具有足夠能量繼續(xù)產(chǎn)生電子激發(fā)時(shí) 對(duì)二次電子發(fā)射也有貢獻(xiàn) 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 從表面發(fā)射出去的二次電子流與入射電子流的比值 IS I0 稱為二次電子產(chǎn)額 用 表示 圖1 4表示二次電子產(chǎn)額與入射電子能量和入射角 入射束與樣品表面法線的夾角 的普遍關(guān)系 在某一能量范圍內(nèi) Ec1 E Ec2 二次電子產(chǎn)額大于1 隨著 的增大 二次電子產(chǎn)額曲線的極大值增大 并向高能方向推移 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 圖1 4 Ix表示電子激發(fā)誘導(dǎo)的X射線輻射強(qiáng)度 在入射電子發(fā)生非彈性散射過(guò)程中 X射線有兩種產(chǎn)生過(guò)程 入射電子在原子實(shí) 原子核和束縛電子 即失去價(jià)電子的正離子 的庫(kù)侖場(chǎng)中減速 產(chǎn)生能量連續(xù)的X射線 其能量從0延伸到入射電子能量值 電子激發(fā)使原子內(nèi)層電離 外層電子跳到內(nèi)層填充空穴 導(dǎo)致原子以發(fā)射特征X射線或俄歇電子形式釋放能量 X射線在樣品中可進(jìn)一步產(chǎn)生激發(fā) X射線熒光的發(fā)射體積取決于樣品對(duì)入射電子和X射線的吸收 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) IE表示表面元素發(fā)射的總強(qiáng)度 盡管在材料分析中入射電子的能量不足以把固體原子直接擊出 但電子激發(fā)可 能引起一些固體的表面原子電離 使表面元素活化乃至解吸 這種現(xiàn)象又稱為電子輻照分解 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) IA為樣品吸收電流 入射電子在固體中傳播時(shí) 能量逐漸減小 量后失去全部動(dòng)能 被樣品 吸收 IT為透射電子流 當(dāng)樣品的厚度小于入射電子的平均穿入深度時(shí) 有一部分入射電子穿過(guò)樣品 在樣品的背面被接收或檢測(cè) 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 所有這些發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度均與固體材料的結(jié)構(gòu) 成分 表面狀態(tài)等性質(zhì)有關(guān) 同時(shí)受入射電子的能量和入射角的影響 對(duì)導(dǎo)電樣品 接地 如果忽略透射方向的二次電子發(fā)射和表面元素脫附對(duì)樣品總電荷量的影響 上述電子信號(hào)之間滿足 1 電子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 入射電子 二次電子和背散射電子在固體中傳播時(shí)不斷經(jīng)受非彈性散射 相繼兩次非彈性散射之間電子所經(jīng)過(guò)的平均路程稱為電子非彈性散射平均自由程 用 e表示 非彈性散射平均自由程是反映電子與固體相互作用的一個(gè)重要物理量 它與材料的組成 結(jié)構(gòu)以及入射電子的能量有關(guān) 對(duì)單元素固體 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) E 電子的能量 keV 固體的單原子層厚度 nm 2 電子非彈性散射平均自由程和信息深度 如果收集記錄背散射電子和二次電子就得到如右圖所示的電子能譜 即電子發(fā)射強(qiáng)度按能量的分布 這些電子攜帶著固體材料的特定信息 如有關(guān)化學(xué)成分 原子排列和電子結(jié)構(gòu)等的信息 相應(yīng)地就產(chǎn)生了各種分析研究方法 3 電子能譜 能譜的低能端隆起的峰由真二次電子 能量 50eV 構(gòu)成 用掃描電子顯微鏡作表面形貌觀測(cè)時(shí)就是收集這部分電子并用來(lái)成像 3 電子能譜 在中間平滑背底上疊加著一些小峰 它們對(duì)應(yīng)俄歇電子峰或者入射電子的特征能量損失峰 前者對(duì)應(yīng)俄歇電子能譜 AES 后者則構(gòu)成電子能量損失譜 EELS 它們都是常規(guī)的表面分析方法 三 電子束與材料的其他相互作用 電子與材料相互作用產(chǎn)生的信號(hào)帶有材料的不同信息 由這些信號(hào)所派生出來(lái)的分析方法在表2中概括列出 自修 四 離子與固體作用產(chǎn)生的信號(hào) 濺射與二次離子 離子是電離態(tài)的原子 因?yàn)殡x子是荷電粒子 所以用離子轟擊固體表面時(shí)發(fā)生類似于電子與固體作用的過(guò)程 但是 由于離子的質(zhì)量和半徑與被轟擊固體 靶 的原子的質(zhì)量和半徑相當(dāng) 入射離子與原子 原子核 的碰撞幾率很大 由此引起的能量損失比入射離子與電子碰撞損失的能量大得多 因此 動(dòng)量和能量轉(zhuǎn)移是離子與固體相互作用的重要特征 自修 一 電磁透鏡 在透射電子顯微鏡中 用磁場(chǎng)來(lái)使電子波聚焦成像的裝置 即一個(gè)通電的短線圈叫電磁透鏡 二 電磁透鏡的結(jié)構(gòu) 極靴為軟磁材料 純鐵 的中心穿孔柱體 上下極靴間有一定間隙 通電時(shí)極靴被磁化 建立起沿透鏡長(zhǎng)度方向不均勻的軸對(duì)稱磁場(chǎng) 其等磁位面幾何形狀近似于光學(xué)透鏡界面 電子波與電磁透鏡 第四節(jié)電磁透鏡 電子在磁感應(yīng)強(qiáng)度B的作用下做圓錐螺旋近軸運(yùn)動(dòng) 一束與主軸平行的電子束通過(guò)電磁透鏡將聚焦于軸上一點(diǎn) 焦點(diǎn) 1 無(wú)極靴的透鏡 電子在磁透鏡中的運(yùn)動(dòng)軌跡 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 電子的運(yùn)動(dòng)軌跡 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 電子的運(yùn)動(dòng)軌跡 結(jié)論 1 所有從同一點(diǎn)出發(fā)的不同方向的電子 經(jīng)透鏡作用后 交于象平面同一點(diǎn) 構(gòu)成相應(yīng)的象 2 從不同物點(diǎn)出發(fā)的同方向同相位的電子 經(jīng)透鏡作用后 會(huì)聚于焦平面上一點(diǎn) 構(gòu)成與試樣相對(duì)應(yīng)的散射花樣 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 2 有極靴的透鏡極靴使得磁場(chǎng)被聚焦在極靴上下的間隔h內(nèi) h可以小到1mm左右 在此小的區(qū)域內(nèi) 場(chǎng)的徑向分量很大 3 帶鐵殼的電磁透鏡導(dǎo)線外圍的磁力線都在鐵殼中通過(guò) 在軟磁殼的內(nèi)側(cè)開(kāi)一道環(huán)狀的狹縫 可以減小磁場(chǎng)的廣延度 使大量磁力線集中在縫隙附近的狹小區(qū)域內(nèi) 增強(qiáng)了磁場(chǎng)強(qiáng)度 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 帶鐵殼的帶極靴的透鏡 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖 電磁透鏡的聚焦原理 第四節(jié)電磁透鏡 第四節(jié)電磁透鏡 電磁透鏡焦距f常用下式計(jì)算 式中 K為正比例常數(shù) D為極靴孔徑 I為通過(guò)線圈的電流強(qiáng)度 N為線圈在每厘米長(zhǎng)度上的圈數(shù)F為透鏡的結(jié)構(gòu)系數(shù) 與極靴間隙S有關(guān) 電磁透鏡的焦距與安匝數(shù) IN 平方成反比 無(wú)論激磁方向如何 焦距總是正的 這表明電磁透鏡總是會(huì)聚透鏡 改變激磁電流大小 電磁透鏡的焦距 放大倍數(shù)都將發(fā)生相應(yīng)變化 故電磁透鏡是一種可變焦距 可變倍數(shù) 的會(huì)聚透鏡 這是電磁透鏡有別于玻璃透鏡的一個(gè)特點(diǎn) 電磁透鏡與光鏡的差別 第四節(jié)電磁透鏡 1 磁場(chǎng)分布嚴(yán)格對(duì)稱 2 滿足旁軸條件 即物點(diǎn)離軸很近 電子射線與軸間夾角很小 3 電子波的波長(zhǎng) 速度 相同 電磁透鏡的像差 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng)要使電子束聚焦成既清晰又與物體的集合形狀相似的圖像 必須具備以下前提 球差 透鏡中心區(qū)與邊緣區(qū)對(duì)電子的會(huì)聚能力不同色差 入射電子束波長(zhǎng)或能量非單一像差 電磁透鏡非理想旋轉(zhuǎn)對(duì)稱磁場(chǎng) 第四節(jié)電磁透鏡 電磁透鏡的分辨力 分辨率 受衍射效應(yīng) 球差 色差和像散等因素的影響景深 不影響分辨力時(shí)物平面沿透鏡軸可移動(dòng)距離焦深 物距不變物像清晰時(shí)像平面沿透鏡軸可移動(dòng)距離 理論分辨率 一 透射電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造一 工作原理二 構(gòu)造二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理一 樣品臺(tái)二 樣品的平移與傾斜裝置三 電子束的平移與傾斜裝置三 透射電鏡樣品的制備一 間接樣品的制備 復(fù)型 二 直接樣品的制備四 透射電鏡在高分子材料研究中的應(yīng)用 顯微結(jié)構(gòu)分析 透射電子顯微鏡 1 世界主流大型電鏡分辨本領(lǐng)為2 3埃 目前 電壓為100 500kV 放大倍數(shù)50 1200000倍 2 高分辨電鏡的設(shè)計(jì)分為兩類 2 1 為生物工作者設(shè)計(jì) 有最佳分辨本領(lǐng)而無(wú)附2 2 為材料科學(xué)工作者設(shè)計(jì) 有附件而損失分辨能力 材料研究電鏡強(qiáng)調(diào)綜合分析 逐漸增加了掃描電鏡 掃描透射電鏡 X射線能譜儀 電子能損分析等有關(guān)附件 使其成為微觀形貌觀察 晶體結(jié)構(gòu)分析和成分分析的綜合性儀器 即分析電鏡 一 透射電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 加速電壓20 120KVLaB6或W燈絲晶格分辨率2 04 點(diǎn)分辨率3 4 最小電子束直徑約2nm 傾轉(zhuǎn)角 20度 25度對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)分析 衍射襯度分析 電子衍射 會(huì)聚束電子衍射 生物樣品的冷凍電子顯微分析 工作特色 微機(jī)控制 操作方便 傾轉(zhuǎn)角大 便于進(jìn)行電子衍射 衍襯分析 荷蘭PhilipsCM200 FEG場(chǎng)發(fā)射槍透射電鏡 加速電壓20 200KV可連續(xù)設(shè)置熱場(chǎng)發(fā)射槍晶格分辨率1 4 點(diǎn)分辨率2 4 最小電子束直徑1nm能量分辨率約1ev傾轉(zhuǎn)角 20度 25度對(duì)樣品進(jìn)行納米尺度的微分析 高分辨電子顯微術(shù) 能量損失譜分析及能量過(guò)濾成像 電子衍射 會(huì)聚束電子衍射 電子能量損失譜 原子序數(shù)成像等 工作特色 電子束亮度高 束斑尺寸小 相干性好 荷蘭FEI公司2002年制造 1 透射電鏡 以波長(zhǎng)極短的電子束為照明源 采用透過(guò)薄膜樣品的電子束 用電磁透鏡聚焦成像 高分辨率 高放大倍數(shù) 2 電鏡一般由電子光學(xué)系統(tǒng) 真空系統(tǒng)和供電系統(tǒng)三大部分組成 一 透射電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 透射顯微鏡構(gòu)造原理及光路 透射顯微鏡構(gòu)造原理及光路 1 電子光學(xué)系統(tǒng)的組成 照明部分 成像放大部分 顯像部分 2 照明部分 由電子槍 聚光鏡組成 作用 提供一束亮度高 孔徑角小 相干性好 束流穩(wěn)定的照明源 3 電子槍的電子源 熱電子源 加熱產(chǎn)生電子 W及LaB 和場(chǎng)發(fā)射源 強(qiáng)電場(chǎng)下產(chǎn)生電子 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 1 陰極 又稱燈絲 一般是由0 03 0 1毫米的鎢絲作成V或Y形狀 2 陽(yáng)極 加速?gòu)年帢O發(fā)射出的電子 安全要求 陽(yáng)極接地 陰極帶有負(fù)高壓 3 控制極 會(huì)聚電子束 控制電子束電流大小 調(diào)節(jié)象的亮度 陰極 陽(yáng)極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能 因此 人們習(xí)慣上把它們通稱為 電子槍 照明部分示意圖 照明部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 4 聚光鏡 近百萬(wàn)倍的放大倍率要求電子束強(qiáng)度高 直徑小 相干性好 由于電子之間的斥力和陽(yáng)極小孔的發(fā)散作用 電子束穿過(guò)陽(yáng)極小孔后 又逐漸變粗 射到試樣上仍然過(guò)大 聚光鏡會(huì)聚電子束 調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度 孔徑角和束斑的大小 第一聚光鏡使電子束斑縮小 第二聚光鏡使束斑放大 以增大焦距 設(shè)置樣品室 雙聚光鏡照明系統(tǒng)光路圖 照明部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 試樣室 位于照明部分和物鏡之間 它的主要作用是通過(guò)試樣臺(tái)承載試樣 移動(dòng)試樣 成像放大部分 成像放大部分由試樣室 物鏡 中間鏡 投影鏡等組成 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 物鏡 電鏡最關(guān)鍵部分 作用是將來(lái)自試樣不同點(diǎn)同方向同相位的彈性散射束會(huì)聚于其后焦面上 構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣 將來(lái)自試樣同一點(diǎn)的不同方向的彈性散射束會(huì)聚于其像平面上 構(gòu)成與試樣組織相對(duì)應(yīng)的顯微像 物鏡的任何缺陷都會(huì)被系統(tǒng)中其它透鏡進(jìn)一步放大 故投射電鏡的好壞 很大程度上取決于物鏡的好壞 成像放大部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 物鏡的最短焦距可達(dá)1毫米 放大倍數(shù)約為300倍 最佳分辨本領(lǐng)可達(dá)1埃 目前 實(shí)際的分辨本領(lǐng)為2埃 物鏡的高分辯依靠低像差 采用強(qiáng)激磁 短焦距 1 5 3mm 的物鏡 此外還借助于物鏡光闌和消像散器進(jìn)一步降低球差 消除像散 提高分辨能力 成像放大部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 為了減小物鏡的球差和提高象的襯度 在物鏡極靴進(jìn)口表面和物鏡后焦面上還各放一個(gè)光闌 物鏡光闌 防止物鏡污染 和襯度光闌 提高襯度 在分析電鏡中 使用的皆為雙物鏡加輔助透鏡 試樣置于上下物鏡之間 上物鏡起強(qiáng)聚光作用 下物鏡起成象放大作用 輔助透鏡是為了進(jìn)一步改善場(chǎng)對(duì)稱性而加入的 成像放大部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 中間鏡是一個(gè)弱激磁長(zhǎng)焦距的變倍透鏡 放大倍數(shù)在0 20 投影鏡是一個(gè)短焦距的強(qiáng)磁透鏡 其作用是把經(jīng)中間鏡放大或縮小的像進(jìn)一步放大 并投影到熒光屏上 其景深和焦長(zhǎng)都很大 改變中間鏡放大倍數(shù) 不影響圖像清晰度 成像放大部分 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 掃描電子衍射和電子能譜分析附件示意圖 一 電子光學(xué)系統(tǒng) 為保證整個(gè)通道中只與試樣發(fā)生相互作用 而不與空氣分子發(fā)生碰撞 整個(gè)電子通道從電子槍至照相底板盒都必須置于真空系統(tǒng)之內(nèi) 一般真空度為毫米汞柱 二 真空系統(tǒng) 透射電鏡電源 一是供給電子槍的高壓部分 二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分 2 電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的重要標(biāo)志 要求供電系統(tǒng)產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和透鏡所需的激磁電流 近代儀器還有 自動(dòng)操作程序控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 三 供電系統(tǒng) 作用 承載樣品 并使之在物鏡極靴孔內(nèi)平移 傾斜 旋轉(zhuǎn) 尋找觀察區(qū) 樣品通常放在外徑3mm 200目方孔或圓孔的銅網(wǎng)上 銅網(wǎng)牢固夾持在樣品座中保持好的熱 點(diǎn)接觸 減少因電子照射引起的熱或電荷積累而產(chǎn)生樣品漂移或損傷 二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理 樣品臺(tái) 電鏡觀察時(shí)樣品受到的影響 1 真空的影響含有揮發(fā)溶劑或易升華的試樣必須冷凍后觀察 2 電子損傷的影響試樣在電鏡中受到l0 3 1A cm2的電子束照射 電子束的能量部分轉(zhuǎn)化為熱 使試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外形發(fā)生變化或污染 觀察有機(jī)物或聚合物試樣時(shí) 為防止電子束對(duì)試樣的損傷和污染 應(yīng)提高電壓 3 電子束透射能力的影響由于電子束透射能力較弱 一般100kv加速電壓時(shí) 試樣厚度必須在20 200nm之間 三 透射電鏡樣品的制備 透射電鏡樣品的要求 1 樣品必須對(duì)電子束透明 通常樣品觀察區(qū)厚度控制在100 200nm 2 所制得樣品必須具有代表性 以真實(shí)反映所分析材料的特征 主要方法 復(fù)型 電解雙噴 離子薄化 三 透射電鏡樣品的制備 復(fù)型 樣品表面的復(fù)制 其復(fù)制出來(lái)的樣品是真實(shí)樣品表面形貌組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的薄膜復(fù)制品 1 制備復(fù)型材料應(yīng)具備的條件 1 無(wú)結(jié)構(gòu)的非晶態(tài)材料 因晶體衍射產(chǎn)生的襯度會(huì)干擾復(fù)型表面形貌的分析 2 復(fù)型材料的粒子尺寸必須很小 粒子越小 分辨率就越高 碳復(fù)型的分辨率可達(dá)2nm左右 塑料復(fù)型只有10 20nm 3 復(fù)型材料應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度和剛度 良好的導(dǎo)熱 導(dǎo)電和耐電子轟擊的能力 2 制備復(fù)型的方法1 一級(jí)復(fù)型2 二級(jí)復(fù)型3 萃取復(fù)型 一 復(fù)型 一級(jí)復(fù)型 在已制備好的金相樣品或斷口樣品上滴上幾滴體積濃度為1 的火棉膠醋酸戊酯溶液或醋酸纖維素丙酮溶液 溶液在樣品表面展平 多余的溶液用濾紙吸掉 待溶劑蒸發(fā)后樣品表面即留下一層100nm左右的塑料薄膜 把這層塑料薄膜小心地從樣品表面上揭下來(lái) 剪成對(duì)角線小于3mm的小方塊后 就可以放在直徑為3mm的專用銅網(wǎng)上 進(jìn)行透射電子顯微分析 特點(diǎn) 制作簡(jiǎn)便 不破壞樣品表面 但稱度差 易被電子束燒蝕和分解 且因粒子大于碳 分辨率較低 10nm 大多做金相樣品 不易做表面起伏較大的斷口分析 復(fù)型前 樣品表面必須充分清洗 否則會(huì)使負(fù)復(fù)型的圖像失真 一 復(fù)型 直接把表面清潔的金相樣品放入真空鍍膜裝置中 在垂直方向上向樣品表面蒸鍍一層厚度為數(shù)十納米的碳膜 蒸發(fā)沉積層的厚度可用放在金相樣品旁邊的乳白瓷片的顏色變化來(lái)估計(jì) 在瓷片上事先滴一滴油 噴碳時(shí)油滴部分的瓷片不沉積碳而基本保持本色 其它部分隨著碳膜變厚漸漸變成淺棕色和深棕色 一般情況下 瓷片呈淺棕色時(shí) 碳膜的厚度正好符合要求 把噴有碳膜的樣品用小刀劃成對(duì)角線小于 3mm的小方塊 放入配好的分離液內(nèi)進(jìn)行電解或化學(xué)分離 電解分離時(shí) 樣品通正電做陽(yáng)極 用不銹鋼平板做陰極 不同材料的樣品選用不同的電解液 拋光電壓和電流密度 分離開(kāi)的碳膜在丙酮或酒精中清洗后便可置于銅網(wǎng)上放入電鏡觀察 化學(xué)分離時(shí) 最常用的溶液是氫氟酸雙氧水溶液 碳膜剝離后也必須清洗 然后才能進(jìn)行觀察分析 一級(jí)復(fù)型 一 復(fù)型 塑料一級(jí)復(fù)型和碳一級(jí)復(fù)型的特點(diǎn)比較 一 復(fù)型 塑料 碳二級(jí)復(fù)型過(guò)程 1 在樣品表面滴一滴丙酮 將A C 紙 酯酸纖維素薄膜 覆蓋其上 適當(dāng)按壓形成不夾氣泡的一級(jí)復(fù)型 圖a 2 用燈光烘干一級(jí)復(fù)型后 小心地將其剝離 并將復(fù)制面向上平整固定在玻璃片上 圖b 塑料 碳二級(jí)復(fù)型 一 復(fù)型 3 將固定好復(fù)型的玻璃片連同一白瓷片置于真空鍍膜室中 先以傾斜方向 投影 重金屬 如Cr等 再以垂直方向噴碳 以制備由塑料和碳膜構(gòu)成的 復(fù)合復(fù)型 圖 c 碳膜厚度當(dāng)白色瓷片表面變?yōu)闇\棕色為宜 塑料 碳二級(jí)復(fù)型 一 復(fù)型 4 將要分析的區(qū)域剪為略小于樣品銅網(wǎng) 3mm 的小方塊 使碳膜面朝里 貼在事先熔在干凈玻璃片上的低熔點(diǎn)石蠟層上 石蠟液層冷凝后即把復(fù)合膜塊鬧定在玻璃片上 將該玻璃片放入丙酮液中 復(fù)合復(fù)型的A C 紙 即一級(jí)復(fù)型 在丙酮中將逐漸被溶解 同時(shí)適當(dāng)加熱以溶解石蠟 圖 d 5 待A C 紙和石蠟溶解后 碳膜 即二級(jí)復(fù)型 將漂在丙酮中 用銅網(wǎng)勺轉(zhuǎn)移至清潔的丙酮液中清洗 再轉(zhuǎn)移至蒸餾水中 由于水的表面張力使碳膜舒展漂起 撈起 干燥后即可 圖 e 塑料 碳二級(jí)復(fù)型 一 復(fù)型 萃取復(fù)型方法類似碳一級(jí)復(fù)型 是在使復(fù)型膜與樣品表面分離時(shí) 將樣品表面欲分析的顆粒相抽取下來(lái)并粘附在復(fù)型膜上但碳膜要厚約20nm 晶相樣品可先進(jìn)行深腐蝕后噴碳 也可采取電解萃取第二相粒子 粉末樣品的制備膠粉混合法在干凈玻璃上滴火棉膠溶液 在膠液上放少許粉末并攪勻 再用另一塊玻璃對(duì)研后突然抽開(kāi) 膜干后劃成小方塊 在水面上下空插 膜片逐漸脫落 用銅網(wǎng)撈出待用 支持膜分散粉末法將火棉膠或碳膜放在銅網(wǎng)上 再將粉末均勻地分布在膜上送入電鏡觀察 一 復(fù)型 一 復(fù)型 1 初減薄 制備厚度約100 200 m的薄片 1 延性金屬采用電火花或線切割法 亦可軋薄再退火 2 脆性材料 Si NaCl 用刀片沿解理面解理 3 薄片不與解理面平行可用金剛鋸 2 從薄片上切取 3mm的圓片 1 塑性好且對(duì)機(jī)械損傷要求不高時(shí)用沖床沖取 2 脆性材料采用 電火花 導(dǎo)體 超聲波鉆及研磨鉆 二 直接樣品的制備 3 預(yù)減薄 從圓片的一側(cè)或兩側(cè)將圓片中心區(qū)域減薄至數(shù) m 目的 使圓片中心區(qū)域減薄 確保最終中心部位穿孔 觀察其邊緣精研磨 使中心區(qū)薄至10 精處理可達(dá)電子束透明厚度 1 4 終減薄 1 電解減薄 適于導(dǎo)電樣品 快捷無(wú)機(jī)械損傷 2 離子減薄 適于難熔金屬 硬質(zhì)合金及不導(dǎo)電樣品 設(shè)備復(fù)雜 減薄時(shí)間長(zhǎng) 后期階段難掌握 二 直接樣品的制備 美國(guó)Ganden公司1993年制造的Model600CDIF雙離子減薄器 包括四部分 主工作室 氣體控制系統(tǒng) 真空系統(tǒng)和電路系統(tǒng) 真空系統(tǒng)由一個(gè)擴(kuò)散泵和一個(gè)機(jī)械泵組成 主要用于制備陶瓷 金屬等無(wú)機(jī)材料TEM試樣 可以獨(dú)立減薄制作兩個(gè) 2 5或3mm 厚度小于1 5mm的圓片樣品 主要技術(shù)參數(shù) 真空度 空機(jī) 優(yōu)于1 10 6torr真空度 雙槍 優(yōu)于1 10 5torr槍電壓 0 12KV槍電流 0 2mA離子濺射角度 40 TEM制樣設(shè)備 日本產(chǎn) 主要用于金屬材料TEM樣品制備 特點(diǎn) 制樣速度快 損傷小 條件合適時(shí) 制備出的樣品可直接進(jìn)行透射電鏡觀察 電解雙噴儀 TEM制樣設(shè)備 二 直接樣品的制備 二 直接樣品的制備 在電子射線的轟擊下 高分子受到電子損傷 降解 污染 分辨率由0 1nm降到1 1 5nm 但在以下方面的研究中卓有成效 1 研究結(jié)晶結(jié)構(gòu)及形態(tài) 2 研究高分子結(jié)晶的聚集態(tài) 3 研究聚合物和共混物 高分子材料 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 結(jié)晶性高分子材料觀察 聚乙烯球晶 偏光顯微照片周期性的同心消光環(huán) 聚乙烯球晶表面復(fù)型照片 晶片扭曲消光環(huán) 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 a b 濃溶液中得到的二維球晶像 晶片 b 為 a 中方框放大像 結(jié)晶性高分子材料觀察 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 PE串晶 攪拌過(guò)飽和PE液結(jié)晶得到 PE伸直鏈片晶 21 4KNG高壓 220 等溫結(jié)晶20h得到 結(jié)晶性高分子材料觀察 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 經(jīng)超聲波破壞的PP單晶 施加一定頻率的超聲波使懸濁液中的單晶受到破壞而變形 PP單晶熱處理后的形態(tài) 結(jié)晶厚度增加 結(jié)晶性高分子材料觀察 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 將高分子乳液滴到帶有支持膜的銅網(wǎng)上 經(jīng)染色可以觀察乳液的顆粒并計(jì)算粒徑的大小及分布 同時(shí)還可清晰看到種子聚合得到的核 殼結(jié)構(gòu) 高分子乳液顆粒形態(tài)觀察 高分子乳液顆粒形態(tài) 種子聚合乳液顆粒的核 殼結(jié)構(gòu) 四 透射電鏡在材料科學(xué)研究中的應(yīng)用 第六節(jié)掃描電子顯微鏡 掃描電鏡實(shí)驗(yàn)工作始于1935年 第一臺(tái)商品掃描電鏡成于1965年 分辨率達(dá)到25nm 現(xiàn)在已達(dá)到1nm左右 掃描電鏡是利用掃描電子束掃描固體試樣表面 收集二次電子和部分背散射電子信號(hào) 經(jīng)放大器放大得到圖像 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造1 工作原理2 掃描電鏡的特點(diǎn)3 掃描電鏡的結(jié)構(gòu)二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理1 電子光學(xué)系統(tǒng)2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)3 信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)4 圖像顯示和記錄系統(tǒng)5 真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三 掃描電鏡樣品的制備四 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 第六節(jié)掃描電子顯微鏡 最高成像分辨率 15 加速電壓 0 30KV放大倍數(shù) 0 80萬(wàn)倍工作距離 1 50mm傾斜角度 7度 45度X射線能譜 分辨率 130ev分析范圍 B U有超高分辨率 能做各種固態(tài)樣品表面形貌的二次電子像 反射電子像及圖像處理 配有高性能X射線能譜儀 能同時(shí)進(jìn)行樣品表層的微區(qū)成分的定性 半定量和定量分析 獲得元素的分布圖 掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像 試樣為塊狀或粉末顆粒 成像信號(hào)可以是二次電子 背散射電子或吸收電子 其中二次電子是最主要的成像信號(hào) 由電子槍發(fā)射的能量為5 35keV的電子 以其交叉斑 50 m 作為電子源 經(jīng)二級(jí)聚光鏡及物鏡的縮小形成束斑直徑小于5nm的微細(xì)電子束 在掃描線圈驅(qū)動(dòng)下 于試樣表面按一定時(shí)間 空間順序做柵網(wǎng)式掃描 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 掃描電鏡的工作原理 聚焦電子束與試樣相互作用 產(chǎn)生二次電子發(fā)射 以及其它物理信號(hào) 二次電子發(fā)射量隨試樣表面形貌而變化 二次電子信號(hào)被探測(cè)器收集轉(zhuǎn)換成電訊號(hào) 經(jīng)視頻放大后輸入到顯像管柵極 調(diào)制與入射電子束同步掃描的顯像管亮度 得到反映試樣表面形貌的二次電子像 掃描電鏡的工作原理 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 1 可觀察直徑為0 30mm的大塊試樣 在半導(dǎo)體工業(yè)可以觀察更大直徑 制樣方法簡(jiǎn)單 2 場(chǎng)深大三百倍于光學(xué)顯微鏡 適于粗糙表面和斷口的分析觀察 圖像富有立體感 真實(shí)感 易于識(shí)別和解釋 3 放大倍數(shù)變化范圍大一般為15 200000倍 最大可達(dá)10 1000000倍 對(duì)于多相 多組成的非均勻材料便于低倍下的普查和高倍下的觀察分析 4 具有相當(dāng)?shù)姆直媛室话銥? 6nm 最高可達(dá)0 5nm 5 對(duì)試樣的電子損傷小掃描電鏡的電子束流為10 10 10 12A 直徑小 3 幾十納米 能量小 且在試樣上掃描并不固定照射 多損傷小 對(duì)高分子材料有利 掃描電鏡的特點(diǎn) 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 6 保真性高相對(duì)于透射電鏡的復(fù)型試樣 掃描電鏡可以直接觀察 無(wú)假像 7 可以通過(guò)電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像的質(zhì)量 如通過(guò) 調(diào)制可改善圖像反差的寬容度 使圖像各部分亮暗適中 采用雙放大倍數(shù)裝置或圖像選擇器 可在熒光屏上同時(shí)觀察不同放大倍數(shù)的圖像或不同形式的圖像 8 可進(jìn)行多種功能的分析與X射線譜儀配接 可在觀察形貌的同時(shí)進(jìn)行微區(qū)成分分析 配有光學(xué)顯微鏡和單色儀等附件時(shí) 可觀察陰極熒光圖像和進(jìn)行陰極熒光光譜分析等 9 可使用加熱 冷卻和拉伸等樣品臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn) 觀察在不同環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等 掃描電鏡的特點(diǎn) 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 掃描電鏡主要由電子光學(xué)系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng) 圖像顯示和記錄系統(tǒng)真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成 掃描電鏡的結(jié)構(gòu) 一 掃描電子顯微鏡的工作原理與構(gòu)造 為獲得信號(hào)強(qiáng)度和掃描像 尤其是二次電子像 分辨率 要求掃描電子束應(yīng)具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑 由上表可知 場(chǎng)發(fā)射槍最佳 電子光學(xué)系統(tǒng) 二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理 作用 使電子束產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn) 可采用橫向靜電場(chǎng)及橫向磁場(chǎng) 掃描系統(tǒng)通過(guò)雙偏轉(zhuǎn)線圈控制 上下偏轉(zhuǎn)線圈同時(shí)起作用時(shí) 電子束在樣品表面做光柵掃描 X y向掃描位移相等 光柵為正方形 下偏轉(zhuǎn)線圈不起作用時(shí) 末級(jí)聚光鏡起二次偏轉(zhuǎn)作用 電子束在樣品表面擺動(dòng) 做角光柵掃描 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理 信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng) 收集 探測(cè) 樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的各種物理信號(hào)并放大 常用閃爍計(jì)數(shù)器 用來(lái)檢測(cè)二次電子背散射電子等信號(hào) 圖像顯示記錄系統(tǒng) 將信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)收集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟茱@示在陰極射線管熒光屏上的圖像 供觀察記錄 電源系統(tǒng) 由穩(wěn)壓穩(wěn)流及相應(yīng)的保護(hù)電路組成 真空系統(tǒng) 保證光學(xué)系統(tǒng)正常工作 保證燈絲壽命 防止樣品污染 普通熱陰極電鏡要保持優(yōu)于1 33 10 2 1 33 10 4Pa 其它 二 主要部件的結(jié)構(gòu)與工作原理 三 掃描電鏡樣品的制備 1 對(duì)試樣的要求試樣可以是塊狀或粉末顆粒 真空中穩(wěn)定 含有水分的試樣應(yīng)先烘干除去水分 表面受到污染的試樣 要在不破壞試樣表面結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行適當(dāng)清洗 然后烘干 新斷開(kāi)的斷口或斷面 一般不需要進(jìn)行處理 以免破壞斷口或表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài) 有些試樣的表面 斷口需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)那治g 才能暴露某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 則在侵蝕后應(yīng)將表面或斷口清洗干凈 然后烘干 對(duì)磁性試樣要預(yù)先去磁 以免觀察時(shí)電子束受到磁場(chǎng)的影響 大小要適合儀器專用樣品座的尺寸 2 塊狀導(dǎo)電材料用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上即可觀察 非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的材料 要先在材料表面形成一層導(dǎo)電膜 防止電荷積累影響圖象質(zhì)量及試樣的熱損傷 3 粉末試樣的制備先將導(dǎo)電膠或雙面膠紙粘結(jié)在樣品座上 再均勻地把粉末樣撒在上面 用洗耳球吹去未粘住的粉末 再鍍上一層導(dǎo)電膜 即可上電鏡觀察 4 鍍膜一是真空鍍膜 另一種是離子濺射鍍膜 離子濺射鍍膜與真空鍍膜相比 其主要優(yōu)點(diǎn)是 1 裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 使用方便 濺射一次只需幾分鐘 而真空鍍膜則要半個(gè)小時(shí)以上 2 消耗貴金屬少 每次僅約幾毫克 3 對(duì)同一種鍍膜材料 離子濺射鍍膜質(zhì)量好 能形成顆粒更細(xì) 更致密 更均勻 附著力更強(qiáng)的膜 三 掃描電鏡樣品的制備 微柵上沉積的單壁納米C管100000 x 螺旋形碳管9157x 四 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 化學(xué)方法生長(zhǎng)的ZnO納米陣列100000 x傾斜35度 C球上載Pt顆粒400000 x顆粒大小4 6nm 四 掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用 第七節(jié)電子探針X射線顯微分析 電于探針X射線顯微分析儀 簡(jiǎn)稱電子探針儀 EPA或EPMA 是利用聚焦到很細(xì)且被加速到5 30kev的電子束 轟擊用顯微鏡選定的待分析樣品上的某 點(diǎn) 利用高能電子與固體物質(zhì)相互作用時(shí)所激發(fā)出的特征X射線波長(zhǎng)和強(qiáng)度的不同 來(lái)確定分析區(qū)域中的化學(xué)成分 為微區(qū)分析 利用電子探針可以方便地分析從 Be到U 之間的所有元素 分析特點(diǎn) 手段簡(jiǎn)化 分析速度快 成分分析所需樣品量很少 且為無(wú)損分析方法 釋譜簡(jiǎn)單且不受元素化合狀態(tài)的影響 X射線譜儀 樣品被激發(fā)的X射線進(jìn)入譜儀 經(jīng)彎晶展譜后被接收并記錄下譜線的強(qiáng)度 分為 波譜儀和能譜儀兩類 第七節(jié)電子探針X射線顯微分析 分析原理莫塞萊定律 特征X射線譜的波長(zhǎng) 與原子序數(shù)Z的關(guān)系為 C為對(duì)特定始 終態(tài)躍遷的常數(shù) 為核的屏蔽系數(shù)K系譜線 1 第七節(jié)電子探針X射線顯微分析 能譜儀 即能量分散譜儀 EDS 亦稱為非色散譜儀 NDS 關(guān)鍵部件為鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器 習(xí)慣為Si Li 檢測(cè)器 Si Li 檢測(cè)器的工作原理 X射線光子進(jìn)入探測(cè)器后被Si原子俘獲并發(fā)射一個(gè)高能電子 產(chǎn)生電子 空穴對(duì)及相應(yīng)的電荷量 電荷在電容上積分 形成代表X光子能量的信息 正比 Si Li 檢測(cè)器中Li的作用 Si晶體中的微量雜質(zhì)使導(dǎo)電率隨含量迅速增大 成為p或N型半導(dǎo)體 為降低訊號(hào)的直流本底噪聲 預(yù)先在370 420K溫度下施加電壓擴(kuò)散 滲入 離子半徑很小的鋰原子 即 漂移 形成一定寬度的中性層 提高電阻 能譜儀 第七節(jié)電子探針X射線顯微分析 分析特點(diǎn) 手段簡(jiǎn)化 分析速度快 成分分析所需樣品量很少 且為無(wú)損分析方法 釋譜簡(jiǎn)單且不受元素化合狀態(tài)的影響 靈敏度高 探頭近 未經(jīng)晶體衍射 信號(hào)強(qiáng)度損失極少 譜線重現(xiàn)性好 無(wú)運(yùn)動(dòng)部件 穩(wěn)定性好 缺點(diǎn) 能量分辨率低 130ev 峰背比低 工作條件要求嚴(yán)格 Si Li 探頭須保存在液氮冷卻的低溫狀態(tài) 防治Li濃度因擴(kuò)散而變化 能譜儀 第七節(jié)電子探針X射線顯微分析 波譜儀 波譜儀 波長(zhǎng)分散譜儀 WDS 的工作原理 主要利用晶體對(duì)X射線的布拉格衍射原理 對(duì)于任意一個(gè)給定的入射角 僅有一個(gè)確定的波長(zhǎng) 滿足衍射條件 對(duì)于由多種元素組成的樣品 則可激發(fā)出各個(gè)相應(yīng)元素的特征x射線 被激發(fā)的特征x射線照射到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶