掃描電鏡-劉東

1、劉東劉東 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM) Scanning Electron Microscope 1. 電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信號(hào) 2. 掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和工作原理掃描電子顯微鏡的構(gòu)造和工作原理 3. 掃描電子顯微鏡的主要性能掃描電子顯微鏡的主要性能 4. 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 5. 原子序數(shù)襯度原理及其應(yīng)用原子序數(shù)襯度原理及其應(yīng)用 6. 電子探針電子探針X射線顯微分析射線顯微分析 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM) Scanning Electron Microscope 1理解掃描電子顯微鏡的工作原理、結(jié)構(gòu)

2、與組成，理解掃描電子顯微鏡的工作原理、結(jié)構(gòu)與組成， 掌握表征儀器性能的主要技術(shù)指標(biāo)。掌握表征儀器性能的主要技術(shù)指標(biāo)。 2熟悉掃描電子顯微鏡的樣品制備方法。熟悉掃描電子顯微鏡的樣品制備方法。 3掌握二次電子像、背散射電子像的像襯原理、掌握二次電子像、背散射電子像的像襯原理、 特點(diǎn)、分析方法及應(yīng)用；了解其它電子像的像襯特點(diǎn)、分析方法及應(yīng)用；了解其它電子像的像襯 原理、特點(diǎn)、分析方法及應(yīng)用。原理、特點(diǎn)、分析方法及應(yīng)用。 4了解波譜儀和能譜儀的工作原理，掌握它們的了解波譜儀和能譜儀的工作原理，掌握它們的 應(yīng)用特點(diǎn)。應(yīng)用特點(diǎn)。 5電子探針的點(diǎn)分析、線分析和面分析的應(yīng)用電子探針的點(diǎn)分析、線分析和面分析的應(yīng)

3、用 本章要求本章要求 高分子物理近代研究方法，張俐娜等編，武漢大學(xué)高分子物理近代研究方法，張俐娜等編，武漢大學(xué) 出版社，出版社，2003。 掃描電子顯微鏡分析技術(shù)，杜學(xué)禮等編，化學(xué)工業(yè)掃描電子顯微鏡分析技術(shù)，杜學(xué)禮等編，化學(xué)工業(yè) 出版社，出版社，1986。 電子顯微鏡的原理和使用，張宜等編，北京大學(xué)出電子顯微鏡的原理和使用，張宜等編，北京大學(xué)出 版社，版社，1983。 “Electron microscopy of thin crystals”, M. A. Hirsch，Krieger Publishing Co. Huntington, 1965. “Electron microscopy

4、 and analysis”, Peter J. Goodhew, John Humphreys, Richard Beanland. Taylor SEM能彌補(bǔ)透射電鏡樣品制備要求很高的缺點(diǎn)能彌補(bǔ)透射電鏡樣品制備要求很高的缺點(diǎn); 景深大景深大; 放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大; 分辨本領(lǐng)比較高。分辨本領(lǐng)比較高。 為什么要發(fā)明掃描電鏡？為什么要發(fā)明掃描電鏡？ 透射電鏡的成像透射電鏡的成像電子束電子束穿過(guò)穿過(guò)樣品后獲得樣品樣品后獲得樣品 襯度的信號(hào)（電子束強(qiáng)度），利用電磁透鏡（三級(jí)）襯度的信號(hào)（電子束強(qiáng)度），利用電磁透鏡（三級(jí)） 放大成像。放大成像。 掃描電鏡成像掃描電鏡成像利用利

5、用細(xì)聚焦電子束細(xì)聚焦電子束在樣品表在樣品表 面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種面掃描時(shí)激發(fā)出來(lái)的各種物理信號(hào)物理信號(hào)來(lái)調(diào)制成像的。來(lái)調(diào)制成像的。 碳纖維碳纖維 水泥水泥 水泥熟料斷面水泥熟料斷面 普通水泥漿體普通水泥漿體聚合物改性水泥漿體聚合物改性水泥漿體 高分子材料制成的納米篩高分子材料制成的納米篩 荷葉的自潔效應(yīng)荷葉的自潔效應(yīng) 日本的氧化鋁粗粉日本的氧化鋁粗粉 紅血球紅血球 頭發(fā)末梢的分叉頭發(fā)末梢的分叉 牙斑牙斑 花粉?；ǚ哿?用用載能粒子載能粒子作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作作為入射束轟擊樣品，在與樣品相互作 用后便帶有樣品的結(jié)構(gòu)信息，分為吸收和發(fā)射光譜。用后便帶有樣品的結(jié)構(gòu)信息，分為吸收和發(fā)射

6、光譜。 所用波長(zhǎng)應(yīng)該與要分析的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相應(yīng)，例如要想所用波長(zhǎng)應(yīng)該與要分析的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)相應(yīng)，例如要想 分析原子排列，必須用波長(zhǎng)接近或小于原子間距的分析原子排列，必須用波長(zhǎng)接近或小于原子間距的 入射束。入射束。 電子、光子和中子是最常見(jiàn)的束源。電子、光子和中子是最常見(jiàn)的束源。 入射束入射束 出射束出射束 物質(zhì)物質(zhì) 微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理 高能電子束與樣品作用產(chǎn)生各種信息：高能電子束與樣品作用產(chǎn)生各種信息： 二次電子、背散射電子、二次電子、背散射電子、 吸收電子、特征吸收電子、特征X射線、射線、 俄歇電子、透射電子等俄歇電子、透射電子等。 1 電子束與固體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信電子束與固

7、體樣品作用時(shí)產(chǎn)生的信 號(hào)號(hào) 一一. 背散射電子背散射電子 1. 產(chǎn)生產(chǎn)生：背散射電子是被固體樣品中原子反彈回來(lái)的一部分：背散射電子是被固體樣品中原子反彈回來(lái)的一部分 入射電子。入射電子。 包括：包括：彈性背散射電子彈性背散射電子被樣品中被樣品中原子核原子核反彈回來(lái)的入反彈回來(lái)的入 射電子，能量基本沒(méi)有損失，能量很高。射電子，能量基本沒(méi)有損失，能量很高。 非彈性背散射電子非彈性背散射電子被樣品中被樣品中核外電子核外電子撞擊后撞擊后 產(chǎn)生非彈性散射的入射電子，方向和能量均發(fā)生改產(chǎn)生非彈性散射的入射電子，方向和能量均發(fā)生改 變，經(jīng)多次散射后仍能反彈出樣品表面的入射電變，經(jīng)多次散射后仍能反彈出樣品表面

8、的入射電 子。子。 u彈性背散射電子的能量彈性背散射電子的能量為數(shù)千電子伏到數(shù)萬(wàn)電子伏為數(shù)千電子伏到數(shù)萬(wàn)電子伏 u非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，非彈性背散射電子的能量分布范圍很寬，從數(shù)十電從數(shù)十電 子伏到數(shù)千電子伏。子伏到數(shù)千電子伏。 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)：背散射電子來(lái)自樣品表層：背散射電子來(lái)自樣品表層100nm到到1m的的 深度范圍，其產(chǎn)額能隨深度范圍，其產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)樣品原子序數(shù)的增大而增多。的增大而增多。 3. 作用作用：不僅能做形貌分析，還可定性作成分分析。不僅能做形貌分析，還可定性作成分分析。 二二. 二次電子二次電子 1. 產(chǎn)生產(chǎn)生：入射電子束轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的：入射電

9、子束轟擊出來(lái)并離開(kāi)樣品表面的 樣品中的核外電子樣品中的核外電子。 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)： 能量較低（能量較低（50eV）；）； 一般在一般在表層表層510nm深度范圍內(nèi)深度范圍內(nèi) 發(fā)射出來(lái)，對(duì)樣品表面形貌非常敏感。發(fā)射出來(lái)，對(duì)樣品表面形貌非常敏感。 3. 作用作用：樣品表面形貌分析。：樣品表面形貌分析。 三三. 吸收電子吸收電子 1. 產(chǎn)生產(chǎn)生：入射電子入射電子多次非彈性散射后能量消失，多次非彈性散射后能量消失， 最后被樣品吸收。最后被樣品吸收。 入射電子被樣品吸收后也會(huì)產(chǎn)生電流強(qiáng)度。入射電子被樣品吸收后也會(huì)產(chǎn)生電流強(qiáng)度。 入射電子的電流強(qiáng)度入射電子的電流強(qiáng)度= （無(wú)透射電子時(shí)無(wú)透射電子時(shí)） 逸出表

10、面的背散射電子的電流強(qiáng)度逸出表面的背散射電子的電流強(qiáng)度 +二次電子電流強(qiáng)度二次電子電流強(qiáng)度 +吸收電子的電流強(qiáng)度吸收電子的電流強(qiáng)度 2. 特點(diǎn)：樣品中原子序數(shù)較大的元素產(chǎn)生的背散射特點(diǎn)：樣品中原子序數(shù)較大的元素產(chǎn)生的背散射 電子的數(shù)目較多，相反，吸收電子的數(shù)量電子的數(shù)目較多，相反，吸收電子的數(shù)量 就較少；反之亦然。就較少；反之亦然。因此，吸收電子也可因此，吸收電子也可 反映原子序數(shù)襯度，可進(jìn)行定性微區(qū)成分反映原子序數(shù)襯度，可進(jìn)行定性微區(qū)成分 分析。分析。 3. 作用：定性微區(qū)成分分析。作用：定性微區(qū)成分分析。 四四. 透射電子透射電子 1. 產(chǎn)生：如果被分析的樣品很薄，則有一部分入射產(chǎn)生：如果

11、被分析的樣品很薄，則有一部分入射 電子穿過(guò)薄樣品而成為透射電子。此時(shí)，電子穿過(guò)薄樣品而成為透射電子。此時(shí)， 入射電子強(qiáng)度（入射電子強(qiáng)度（i）= 背散射電子背散射電子i +二次電子強(qiáng)度二次電子強(qiáng)度i +吸收電子吸收電子i +透射電子透射電子i 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)： 只有樣品的厚度小于入射電子的有效只有樣品的厚度小于入射電子的有效 穿入深穿入深 度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生。度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生。 隨樣品厚度增加（質(zhì)量厚度隨樣品厚度增加（質(zhì)量厚度t），透），透 射電子數(shù)目減小，吸收電子數(shù)量增加，當(dāng)樣品射電子數(shù)目減小，吸收電子數(shù)量增加，當(dāng)樣品 厚度超過(guò)有效穿透深度后，無(wú)透射電子。厚度超過(guò)有效穿透深度后，無(wú)透射電子。 3.

12、作用作用：配合電子能量分析器來(lái)進(jìn)行微區(qū)成分分配合電子能量分析器來(lái)進(jìn)行微區(qū)成分分 析。析。 五五. 特征特征X射線射線 1. 產(chǎn)生產(chǎn)生：當(dāng)入射電子的能量足夠大，使樣品原子的內(nèi)：當(dāng)入射電子的能量足夠大，使樣品原子的內(nèi) 層電子被激發(fā)或電離，此時(shí)外層電子向內(nèi)層層電子被激發(fā)或電離，此時(shí)外層電子向內(nèi)層 躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層電子的空位，躍遷以填補(bǔ)內(nèi)層電子的空位，從而輻射出具從而輻射出具 有原子序數(shù)特征的特征有原子序數(shù)特征的特征X射線射線。 2. 特點(diǎn)特點(diǎn)：反映了樣品中原子序數(shù)特征。：反映了樣品中原子序數(shù)特征。 3. 應(yīng)用應(yīng)用：微區(qū)成分分析（元素）。：微區(qū)成分分析（元素）。 六六. 俄歇電子俄歇電子 1. 產(chǎn)生產(chǎn)生

13、：入射電子激發(fā)樣品的特征：入射電子激發(fā)樣品的特征X射線過(guò)程中，外射線過(guò)程中，外 層電子向內(nèi)層躍遷時(shí)輻射出來(lái)的能量不是以層電子向內(nèi)層躍遷時(shí)輻射出來(lái)的能量不是以X射線射線 的形式發(fā)射出去，而被外層的的形式發(fā)射出去，而被外層的另一個(gè)電子吸收而擺另一個(gè)電子吸收而擺 脫原子核的束縛而逃離出來(lái)脫原子核的束縛而逃離出來(lái)，這個(gè)被電離的電子稱，這個(gè)被電離的電子稱 為為俄歇電子俄歇電子。 2. 特征特征： 俄歇電子能量很低，并且具有反映原子序俄歇電子能量很低，并且具有反映原子序 數(shù)的特征能量；數(shù)的特征能量； 只有距離表面只有距離表面1nm左右范圍內(nèi)逸出的俄歇左右范圍內(nèi)逸出的俄歇 電子才具備特征能量。電子才具備特征

14、能量。 3. 作用作用：表面層成分分析。表面層成分分析。 u除此之外，在固體中電子能量損失的除此之外，在固體中電子能量損失的40%80%最最 終轉(zhuǎn)化為熱量，還有一些其他信號(hào)產(chǎn)生，例如陰終轉(zhuǎn)化為熱量，還有一些其他信號(hào)產(chǎn)生，例如陰 極熒光、電子束感生效應(yīng)和電動(dòng)勢(shì)等信號(hào)。極熒光、電子束感生效應(yīng)和電動(dòng)勢(shì)等信號(hào)。 掃描電鏡（掃描電鏡（SEM） 構(gòu)成構(gòu)成 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng) 信號(hào)收集處理、圖像信號(hào)收集處理、圖像 顯示和記錄系統(tǒng)顯示和記錄系統(tǒng) 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng) 2 掃描電子顯微鏡構(gòu)造和工作原理掃描電子顯微鏡構(gòu)造和工作原理 一一. 電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒） 1. 電子槍

15、電子槍 功能：發(fā)射電子并加速，功能：發(fā)射電子并加速，加速電壓低于加速電壓低于TEM。 2. 電磁透鏡電磁透鏡 功能：功能：只作為聚光鏡，而不能放大成像。只作為聚光鏡，而不能放大成像。 將電子槍的束斑逐級(jí)聚焦縮小，使原來(lái)直徑為將電子槍的束斑逐級(jí)聚焦縮小，使原來(lái)直徑為 50m的束斑縮小成只有的束斑縮小成只有數(shù)個(gè)納米數(shù)個(gè)納米的細(xì)小斑點(diǎn)。的細(xì)小斑點(diǎn)。 構(gòu)成：構(gòu)成：由兩級(jí)聚光鏡構(gòu)成，縮小電子束光斑。由兩級(jí)聚光鏡構(gòu)成，縮小電子束光斑。 照射到樣品上的照射到樣品上的電子束直徑電子束直徑?jīng)Q定了其分辨率。決定了其分辨率。 3. 掃描線圈掃描線圈 v作用作用是使電子束偏轉(zhuǎn)，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動(dòng)是使電子束偏轉(zhuǎn)

16、，并在樣品表面作有規(guī)則的掃動(dòng)。 v電子束在樣品上的掃電子束在樣品上的掃 描動(dòng)作和顯像管上的描動(dòng)作和顯像管上的 掃描動(dòng)作嚴(yán)格同步掃描動(dòng)作嚴(yán)格同步， 由同一掃描發(fā)生器控由同一掃描發(fā)生器控 制。制。 v掃描的兩種方式掃描的兩種方式 v光柵掃描（相貌分析）光柵掃描（相貌分析） v角光柵掃描（電子通角光柵掃描（電子通 道花樣分析）道花樣分析） 4. 樣品室樣品室 作用：作用：放置樣品，安置信號(hào)探測(cè)器。放置樣品，安置信號(hào)探測(cè)器。 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 能容納較大的試樣，并在三維空間進(jìn)行移動(dòng)、傾斜能容納較大的試樣，并在三維空間進(jìn)行移動(dòng)、傾斜 和旋轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)； 帶有多種附件，可使樣品在樣品臺(tái)上加熱、冷卻帶有多種附件，可

17、使樣品在樣品臺(tái)上加熱、冷卻 和進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，以便進(jìn)行斷裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài)和進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，以便進(jìn)行斷裂過(guò)程中的動(dòng)態(tài) 原位觀察。原位觀察。 二二. 信號(hào)的收集和圖像顯示系統(tǒng)信號(hào)的收集和圖像顯示系統(tǒng) 信號(hào)電子信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體后轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)入閃爍體后轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光信號(hào)可見(jiàn)光信號(hào)光光 電倍增器放大電倍增器放大電流信號(hào)電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大經(jīng)視頻放大器放大 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)顯像管成像顯像管成像 樣品形貌像的形成：樣品形貌像的形成：由于鏡筒中的電子束和顯像管中由于鏡筒中的電子束和顯像管中 電子束是同步掃描的，而電子束是同步掃描的，而熒光屏上的每一點(diǎn)的亮度是熒光屏上的每一點(diǎn)的亮度是 根據(jù)樣品上被激發(fā)出來(lái)的信

18、號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制的根據(jù)樣品上被激發(fā)出來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)調(diào)制的，因此樣因此樣 品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接受的信號(hào)也不相同，品上各點(diǎn)的狀態(tài)各不相同，所以接受的信號(hào)也不相同， 故可在熒光屏上看到反映試樣各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子圖故可在熒光屏上看到反映試樣各點(diǎn)狀態(tài)的掃描電子圖 像。像。 三三. 真空系統(tǒng)真空系統(tǒng) 鏡筒內(nèi)要保持一定的真空度，鏡筒內(nèi)要保持一定的真空度，目的是防止樣品污目的是防止樣品污 染、極間放電，保證燈絲的工作壽命等等問(wèn)題染、極間放電，保證燈絲的工作壽命等等問(wèn)題。一般。一般 情況下要求保持情況下要求保持10-410-5Torr的真空度。的真空度。 四、電源系統(tǒng)四、電源系統(tǒng) 作用：為掃描電子顯做鏡各

19、部分提供所需的電源。作用：為掃描電子顯做鏡各部分提供所需的電源。 由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路組成。由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護(hù)電路組成。 1 分辨率分辨率 電子束和固體物質(zhì)作用時(shí)激發(fā)的信號(hào)有電子束和固體物質(zhì)作用時(shí)激發(fā)的信號(hào)有 二次電子、背散射電子、吸收電子、特征二次電子、背散射電子、吸收電子、特征X 射線、俄歇電子射線、俄歇電子，這些信號(hào)均可調(diào)制成形這些信號(hào)均可調(diào)制成形 貌像，各種信號(hào)成像時(shí)分辨率各不相同。貌像，各種信號(hào)成像時(shí)分辨率各不相同。 3 掃描電子顯微鏡的主要性能掃描電子顯微鏡的主要性能 各種信號(hào)的成像分辨率（單位：各種信號(hào)的成像分辨率（單位：nm） 信號(hào)信號(hào)二次電子二次電子背散

20、射電子背散射電子 分辨率分辨率51050200 吸收電子吸收電子特征特征X射線射線俄歇電子俄歇電子 10010001001000510 1. 為什么各種信號(hào)分辨率不同？為什么各種信號(hào)分辨率不同？ 因?yàn)楦鞣N信號(hào)成像的分辨率與入射電子束因?yàn)楦鞣N信號(hào)成像的分辨率與入射電子束 激發(fā)該信號(hào)時(shí)，在樣品中的作用（活動(dòng)）體積有關(guān)，激發(fā)該信號(hào)時(shí)，在樣品中的作用（活動(dòng)）體積有關(guān)， 作用體積大小相當(dāng)于一個(gè)成像檢測(cè)單元（即像點(diǎn)）。作用體積大小相當(dāng)于一個(gè)成像檢測(cè)單元（即像點(diǎn)）。 電子束進(jìn)入樣品后會(huì)造成一個(gè)滴狀作用體積，由于俄歇電子束進(jìn)入樣品后會(huì)造成一個(gè)滴狀作用體積，由于俄歇 電子和二次電子是在樣品淺表層內(nèi)逸出，故作用體

21、積小，分辨電子和二次電子是在樣品淺表層內(nèi)逸出，故作用體積小，分辨 率高。率高。 背散射電子能量較高，可從較深的部位彈射出表面，故作背散射電子能量較高，可從較深的部位彈射出表面，故作 用體積較大，分辨率降低。用體積較大，分辨率降低。 特征特征X射線是在更深的部位激發(fā)出來(lái)的，其作用體積更大，射線是在更深的部位激發(fā)出來(lái)的，其作用體積更大， 所以分辨率比背散射電子更低。所以分辨率比背散射電子更低。 2. 影響影響SEM分辨率的因素分辨率的因素 u電子束束斑大??；電子束束斑大??； u檢測(cè)信號(hào)的類型；檢測(cè)信號(hào)的類型； u檢測(cè)部位的原子序數(shù)。檢測(cè)部位的原子序數(shù)。 3. SEM分辨率的測(cè)定：分辨率的測(cè)定： 和

22、和TEM類似，類似，將圖像上恰好能分辨開(kāi)的兩將圖像上恰好能分辨開(kāi)的兩 物點(diǎn)距離除以放大倍數(shù)。物點(diǎn)距離除以放大倍數(shù)。 例如：用真空蒸鍍金膜樣品表面金顆粒的像例如：用真空蒸鍍金膜樣品表面金顆粒的像 間距除以放大倍數(shù)，即為此放大倍數(shù)下的分辨間距除以放大倍數(shù)，即為此放大倍數(shù)下的分辨 率。率。 二二. 放大倍數(shù)放大倍數(shù) 2020萬(wàn)倍萬(wàn)倍 1. SEM的放大倍數(shù)為：的放大倍數(shù)為：顯像管中電子束在熒光屏上最顯像管中電子束在熒光屏上最 大掃描幅度和鏡筒中電子束在試樣上最大掃描幅度大掃描幅度和鏡筒中電子束在試樣上最大掃描幅度 的比值：的比值： Ac熒光屏上掃描幅度熒光屏上掃描幅度 As電子束在樣品掃過(guò)電子束在樣

23、品掃過(guò) 的幅度的幅度 2. 如何改變放大倍數(shù)如何改變放大倍數(shù)由于觀察圖像的熒光屏寬度由于觀察圖像的熒光屏寬度 是固定的，只要減小電子束在樣品上掃描長(zhǎng)度（掃是固定的，只要減小電子束在樣品上掃描長(zhǎng)度（掃 描面積為矩形），即可得到高放大倍數(shù)。描面積為矩形），即可得到高放大倍數(shù)。 c s A M A 介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間 u掃描電鏡的場(chǎng)深是指電子束在試掃描電鏡的場(chǎng)深是指電子束在試 樣上掃描時(shí)，可獲得清晰圖像的樣上掃描時(shí)，可獲得清晰圖像的 深度范圍。當(dāng)一束微細(xì)的電子束深度范圍。當(dāng)一束微細(xì)的電子束 照射在表面粗糙的試樣上時(shí)，由照射在表面粗糙的試樣上時(shí)，由 于電子束有一定

24、發(fā)散度，發(fā)散半于電子束有一定發(fā)散度，發(fā)散半 角為角為，除了焦平面處，電子束，除了焦平面處，電子束 將展寬，設(shè)可獲得清晰圖像的束將展寬，設(shè)可獲得清晰圖像的束 斑直徑為斑直徑為d，由圖中幾何關(guān)系可，由圖中幾何關(guān)系可 得得： 三三.場(chǎng)深場(chǎng)深 M D mmdM d tg d D 2 . 0 2 . 0 d 則，區(qū)分的最小距離時(shí)，即 能的大小相當(dāng)于熒光屏上若 四四. 樣品制備樣品制備 1對(duì)試樣的要求對(duì)試樣的要求 u 試樣可以是塊狀或粉末顆粒試樣可以是塊狀或粉末顆粒，在真空中能保持穩(wěn)定，含有水，在真空中能保持穩(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，要在不破分的試樣應(yīng)先烘干除去水分。表面

25、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。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。 u 新斷開(kāi)的斷口或斷面，一般不需要進(jìn)行處理新斷開(kāi)的斷口或斷面，一般不需要進(jìn)行處理，以免破壞斷口，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)那只虮砻娴慕Y(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?蝕，才能暴露某些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，則在侵蝕后應(yīng)將表面或斷口清洗蝕，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。干凈，然后烘干。 u對(duì)磁性試樣要預(yù)先去磁對(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。，以免觀察時(shí)電子束受到磁場(chǎng)的影響。 u

26、試樣大小要適合儀器。試樣大小要適合儀器。 2塊狀試樣塊狀試樣 對(duì)于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外，對(duì)于塊狀導(dǎo)電材料，除了大小要適合儀器樣品座尺寸外， 基本上不需要進(jìn)行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上，基本上不需要進(jìn)行什么制備，用導(dǎo)電膠把試樣粘結(jié)在樣品座上， 即可放在掃描電鏡中觀察。對(duì)于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的即可放在掃描電鏡中觀察。對(duì)于塊狀的非導(dǎo)電或?qū)щ娦暂^差的 材料，要先進(jìn)行鍍膜處理，在材料表面形成一層導(dǎo)電膜。材料，要先進(jìn)行鍍膜處理，在材料表面形成一層導(dǎo)電膜。以避以避 免電荷積累，影響圖象質(zhì)量免電荷積累，影響圖象質(zhì)量，并可防止試樣的熱損傷。，并可防止試樣的熱損傷。 3、

27、粉末試樣的制備、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，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。即可上電鏡觀察。 4、鍍膜、鍍膜 鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜鍍膜的方法有兩種，一是真空鍍膜，另一種是離子濺射鍍膜。 通過(guò)加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。通過(guò)加熱蒸發(fā)某種物質(zhì)使其沉積在固體表面，稱為蒸發(fā)鍍膜。 離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一離子濺射鍍膜的原理是：在低氣壓

28、系統(tǒng)中，氣體分子在相隔一 定距離的陽(yáng)極和陰極之間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離成正離子和電子，定距離的陽(yáng)極和陰極之間的強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離成正離子和電子， 正離子飛向陰極，電子飛向陽(yáng)極，二電極間形成輝光放電，在正離子飛向陰極，電子飛向陽(yáng)極，二電極間形成輝光放電，在 輝光放電過(guò)程中，具有一定動(dòng)量的正離子撞擊陰極，使陰極表輝光放電過(guò)程中，具有一定動(dòng)量的正離子撞擊陰極，使陰極表 面的原子被逐出，稱為濺射面的原子被逐出，稱為濺射，如果陰極表面為用來(lái)鍍膜的材料如果陰極表面為用來(lái)鍍膜的材料 （靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽(yáng)極的樣品臺(tái)上，則被正（靶材），需要鍍膜的樣品放在作為陽(yáng)極的樣品臺(tái)上，則被正 離子轟擊而濺射出來(lái)的靶

29、材原子沉積在試樣上，形成一定厚度離子轟擊而濺射出來(lái)的靶材原子沉積在試樣上，形成一定厚度 的鍍膜層。的鍍膜層。 SEM原理與原理與TEM的主要區(qū)別的主要區(qū)別 1） 在在SEM中電子束并不像中電子束并不像TEM中一樣是靜態(tài)的中一樣是靜態(tài)的, 在掃描線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的作用下，細(xì)聚焦電在掃描線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的作用下，細(xì)聚焦電 子束在樣品表面掃描。子束在樣品表面掃描。 2）由于不需要穿過(guò)樣品，由于不需要穿過(guò)樣品，SEM的加速電壓遠(yuǎn)比的加速電壓遠(yuǎn)比 TEM低；在低；在SEM中加速電壓一般在中加速電壓一般在200V 到到50 kV范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。 3） 樣品不需要復(fù)雜的準(zhǔn)備過(guò)程，制樣非常簡(jiǎn)單。樣品不需要復(fù)雜

30、的準(zhǔn)備過(guò)程，制樣非常簡(jiǎn)單。 如何獲得掃描電鏡的像襯度如何獲得掃描電鏡的像襯度 ？ 主要利用樣品表面微區(qū)特征（如形貌、原子序主要利用樣品表面微區(qū)特征（如形貌、原子序 數(shù)或化學(xué)成分等）的差異，在電子束的作用下產(chǎn)生數(shù)或化學(xué)成分等）的差異，在電子束的作用下產(chǎn)生 的的物理信號(hào)強(qiáng)度不同物理信號(hào)強(qiáng)度不同，導(dǎo)致顯像管熒光屏上不同區(qū)，導(dǎo)致顯像管熒光屏上不同區(qū) 域的亮度差異，從而獲得一定襯度的圖像。域的亮度差異，從而獲得一定襯度的圖像。 4 表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度原理及其應(yīng)用 22 21 I I I II C 一一. 二次電子成像原理二次電子成像原理 二次電子能量較低，只能從樣品表面層二次電子能量較

31、低，只能從樣品表面層510nm深深 度范圍內(nèi)激發(fā)出來(lái)；度范圍內(nèi)激發(fā)出來(lái)； 其數(shù)量和原子序數(shù)沒(méi)有明顯的關(guān)系其數(shù)量和原子序數(shù)沒(méi)有明顯的關(guān)系，但對(duì)微區(qū)表面，但對(duì)微區(qū)表面 的形狀十分敏感；如圖所示，隨入射束與試樣表面法的形狀十分敏感；如圖所示，隨入射束與試樣表面法 線夾角增大，二次電子產(chǎn)額增大。線夾角增大，二次電子產(chǎn)額增大。 大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次電子大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次電子 數(shù)目多，數(shù)目多，在熒光屏上的亮度大在熒光屏上的亮度大 小的面，對(duì)應(yīng)的熒光屏的亮度小小的面，對(duì)應(yīng)的熒光屏的亮度小 u根據(jù)上述原理畫出根據(jù)上述原理畫出二次電二次電 子形貌襯度的示意圖子形貌襯度的示意

32、圖 u對(duì)于實(shí)際樣品，表面形貌對(duì)于實(shí)際樣品，表面形貌 要比上面襯度的情況復(fù)雜要比上面襯度的情況復(fù)雜 得多，但形成二次電子襯得多，但形成二次電子襯 度的原理是相同的。度的原理是相同的。 實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖 1)凸出的尖棱，小粒子以及比較陡的斜面處凸出的尖棱，小粒子以及比較陡的斜面處SE產(chǎn)額較多產(chǎn)額較多，在熒，在熒 光屏上這部分的亮度較大光屏上這部分的亮度較大 2)平面上的平面上的SE產(chǎn)額較小，亮度較低產(chǎn)額較小，亮度較低。 3)在在深的凹槽底部深的凹槽底部盡管能產(chǎn)生較多二次電子，但其不易被控制盡管能產(chǎn)生較多二次電子，但其不易被控制 到，因此到，因此相

33、應(yīng)襯度也較暗相應(yīng)襯度也較暗。 二二. 二次電子形貌襯度的應(yīng)用二次電子形貌襯度的應(yīng)用 （一）樣品表面形貌觀察（一）樣品表面形貌觀察 （二）斷口分析（二）斷口分析 （三）（三）材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過(guò)程的原位觀察材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過(guò)程的原位觀察 （一）（一） 樣品表面形貌觀察樣品表面形貌觀察 1. 燒結(jié)體燒結(jié)自然表面觀察燒結(jié)體燒結(jié)自然表面觀察 a. 晶粒細(xì)小的正方相，晶粒細(xì)小的正方相， t-ZrO2 b. 晶粒尺寸較大的單相晶粒尺寸較大的單相 立方相，立方相，c-ZrO2 c.雙向混合組織，正方雙向混合組織，正方 相晶粒細(xì)小，立方相相晶粒細(xì)小，立方相 晶粒大。晶粒大。 a.片狀珠光體片狀珠光體 b.回

34、火組織回火組織+碳化物碳化物 2. 金相表面觀察金相表面觀察 Al2O3+15%ZrO2復(fù)復(fù) 合陶瓷燒結(jié)表面合陶瓷燒結(jié)表面 Al2O3晶粒晶粒有棱角大有棱角大 晶粒；晶粒； ZrO2顆粒顆粒白色白色 球狀小顆粒。球狀小顆粒。 （二）（二） 斷口分析斷口分析 （1 1）沿晶斷口沿晶斷口 （2 2）韌窩斷口韌窩斷口 （3 3）解理斷口）解理斷口（4 4）復(fù)合材料斷口）復(fù)合材料斷口 （三）（三） 材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過(guò)程的原位觀察材料變形與斷裂動(dòng)態(tài)過(guò)程的原位觀察 1. 雙相鋼雙相鋼 F+M雙相鋼拉伸過(guò)程的動(dòng)態(tài)原位觀察：雙相鋼拉伸過(guò)程的動(dòng)態(tài)原位觀察： （a）圖）圖：F首先產(chǎn)生裂紋，首先產(chǎn)生裂紋，M強(qiáng)度高

35、，裂紋強(qiáng)度高，裂紋 擴(kuò)展至擴(kuò)展至M受阻，加大載荷，受阻，加大載荷， M前方前方F產(chǎn)生裂紋；產(chǎn)生裂紋； （b）圖）圖：載荷進(jìn)一步加大，：載荷進(jìn)一步加大， M才斷裂，裂紋連接才斷裂，裂紋連接 繼續(xù)擴(kuò)展。繼續(xù)擴(kuò)展。 2. 復(fù)合材料復(fù)合材料 Al3Ti/（Al-Ti）復(fù)）復(fù) 合材料斷裂過(guò)程原位觀合材料斷裂過(guò)程原位觀 察察： Al3Ti為增強(qiáng)相，裂為增強(qiáng)相，裂 紋受紋受Al3Ti顆粒時(shí)受阻而顆粒時(shí)受阻而 轉(zhuǎn)向，沿著顆粒與基體轉(zhuǎn)向，沿著顆粒與基體 的界面擴(kuò)展，有時(shí)顆粒的界面擴(kuò)展，有時(shí)顆粒 也斷裂。也斷裂。 1背散射電子襯度原理及其應(yīng)用背散射電子襯度原理及其應(yīng)用 5 原子序數(shù)襯度原理及其應(yīng)用原子序數(shù)襯度原理

36、及其應(yīng)用 1、背散射電子的襯度原理及應(yīng)用、背散射電子的襯度原理及應(yīng)用 v背散射電子背散射電子 1）形貌分析形貌分析來(lái)自樣品表層幾百來(lái)自樣品表層幾百nm范圍范圍 2）成分分析成分分析產(chǎn)額與原子序數(shù)有關(guān)產(chǎn)額與原子序數(shù)有關(guān) BE形貌襯度特點(diǎn)形貌襯度特點(diǎn) 1）用）用BE進(jìn)行形貌分進(jìn)行形貌分 析時(shí)，其分辨率遠(yuǎn)析時(shí)，其分辨率遠(yuǎn) 比比SE像低。像低。 2）圖象襯度很強(qiáng)，襯）圖象襯度很強(qiáng)，襯 度太大會(huì)失去細(xì)節(jié)度太大會(huì)失去細(xì)節(jié) 的層次。的層次。 BE能量高，以能量高，以直線軌跡直線軌跡逸出樣品表面，對(duì)于逸出樣品表面，對(duì)于背向檢測(cè)器背向檢測(cè)器的樣的樣 品表面，因檢測(cè)器品表面，因檢測(cè)器無(wú)法收集無(wú)法收集到到BE而變成

37、一片陰影，因此，其而變成一片陰影，因此，其 圖象襯度很強(qiáng)，襯度太大會(huì)失去細(xì)節(jié)的層次，不利于分析。因圖象襯度很強(qiáng)，襯度太大會(huì)失去細(xì)節(jié)的層次，不利于分析。因 此，此，BE形貌分析效果遠(yuǎn)不及形貌分析效果遠(yuǎn)不及SE，故一般不用，故一般不用BE信號(hào)。信號(hào)。 2. 背散射電子原子序數(shù)襯度原理背散射電子原子序數(shù)襯度原理 原子序數(shù)襯度：是利用對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化原子序數(shù)襯度：是利用對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化 學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)得到的，學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)得到的， 表示微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。表示微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。 對(duì)微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分的變化敏感信號(hào)：對(duì)微區(qū)原子序數(shù)

38、或化學(xué)成分的變化敏感信號(hào)： 背散射電子、吸收電子、特征背散射電子、吸收電子、特征X射線、俄歇電子等射線、俄歇電子等。 背散射電子原子序數(shù)襯度原理背散射電子原子序數(shù)襯度原理 Z40時(shí)，背散射電子的產(chǎn)時(shí)，背散射電子的產(chǎn) 額隨樣品原子序數(shù)的增大而增額隨樣品原子序數(shù)的增大而增 加加，因而，樣品上原子序數(shù)較，因而，樣品上原子序數(shù)較 高的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)，高的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的信號(hào)， 熒光屏上圖像較亮，這樣可以熒光屏上圖像較亮，這樣可以 根據(jù)背散射電子像亮暗襯度來(lái)根據(jù)背散射電子像亮暗襯度來(lái) 判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對(duì)判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)的相對(duì) 高低，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分的高低，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分的 定性分

39、析。定性分析。 背散射電子產(chǎn)額背散射電子產(chǎn)額 背散射電子成像背散射電子成像 ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射系耐火材料的背散射 電子成分像，電子成分像，1000 由于由于ZrO2相平均原子相平均原子 序數(shù)遠(yuǎn)高于序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和相和 SiO2 相，所以圖中相，所以圖中白白 色相為斜鋯石色相為斜鋯石，小的白，小的白 色粒狀斜鋯石與灰色莫色粒狀斜鋯石與灰色莫 來(lái)石混合區(qū)為來(lái)石混合區(qū)為莫來(lái)石莫來(lái)石 斜鋯石共析體斜鋯石共析體，基體灰，基體灰 色相為莫來(lái)石。色相為莫來(lái)石。 MgOMgOSrTiO3 SrTiO3 （a）二次電子圖像）二次電子圖像 （b）背散射電子圖像）背散射電子圖像

40、 兩種圖像的對(duì)比兩種圖像的對(duì)比 背散射電子原子序數(shù)襯度分析對(duì)樣品的要求：背散射電子原子序數(shù)襯度分析對(duì)樣品的要求： 磨平拋光，但不侵蝕磨平拋光，但不侵蝕 對(duì)既要分析形貌又要分析成分的樣品：對(duì)既要分析形貌又要分析成分的樣品： 采用一對(duì)檢測(cè)器檢測(cè)同一點(diǎn)的背散射電子，將信采用一對(duì)檢測(cè)器檢測(cè)同一點(diǎn)的背散射電子，將信 號(hào)處理，號(hào)處理， 兩個(gè)信號(hào)相加為成分像；兩個(gè)信號(hào)相加為成分像； 信號(hào)相減為形貌像。信號(hào)相減為形貌像。 兩個(gè)信號(hào)相加為成分像；信號(hào)相減為形貌像。兩個(gè)信號(hào)相加為成分像；信號(hào)相減為形貌像。 二二. 吸收電子襯度原理及應(yīng)用吸收電子襯度原理及應(yīng)用 吸收電子原子序數(shù)襯度原理：吸收電子原子序數(shù)襯度原理：

41、吸收電子是被樣品吸收的入射電子，故其產(chǎn)吸收電子是被樣品吸收的入射電子，故其產(chǎn) 額與背散射電子相反，即：樣品原子序數(shù)越小，額與背散射電子相反，即：樣品原子序數(shù)越小， 背散射電子越少，吸收電子越多，故吸收電子像背散射電子越少，吸收電子越多，故吸收電子像 和背散射電子像襯度剛好相反，也可進(jìn)行成分分析。和背散射電子像襯度剛好相反，也可進(jìn)行成分分析。 吸收電子成像吸收電子成像 鐵素體基體球墨鑄鐵拉伸斷口的背散射電子像和吸收電子像鐵素體基體球墨鑄鐵拉伸斷口的背散射電子像和吸收電子像 背散射電子像，黑色團(tuán)狀物為石墨背散射電子像，黑色團(tuán)狀物為石墨吸收電子像，白色團(tuán)狀物為石墨吸收電子像，白色團(tuán)狀物為石墨 6.電

42、子探針電子探針X射線顯微分析（射線顯微分析（EPMA） vEPMA的構(gòu)造與的構(gòu)造與SEM大體相似，大體相似，只是增加了接收記只是增加了接收記 錄錄X射線的譜儀射線的譜儀。 vEPMA使用的使用的X射線譜儀有射線譜儀有波譜儀波譜儀和和能譜儀能譜儀兩類。兩類。 v利用利用被聚焦成小于被聚焦成小于1m的高速電子束的高速電子束轟擊樣品表面，轟擊樣品表面， 由由X射線波譜儀或能譜儀檢測(cè)從試樣表面有限深度和射線波譜儀或能譜儀檢測(cè)從試樣表面有限深度和 側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的特征特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)射線的波長(zhǎng)和強(qiáng) 度度，得到，得到1m3微區(qū)的定性或定量的微區(qū)的定性或定量的化學(xué)成分

43、化學(xué)成分。 工作原理工作原理 u具有足夠能量的細(xì)電子束轟擊試樣表面，激發(fā)特征具有足夠能量的細(xì)電子束轟擊試樣表面，激發(fā)特征 x射線，其波長(zhǎng)為：射線，其波長(zhǎng)為： uK，為常數(shù)，為常數(shù)， 與樣品材料的與樣品材料的Z有關(guān)，測(cè)出有關(guān)，測(cè)出 ，即，即 可確定相應(yīng)元素的可確定相應(yīng)元素的Z 。 u某種元素的某種元素的特征特征x射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度與該元素在樣品中的濃與該元素在樣品中的濃 度成比例，測(cè)出度成比例，測(cè)出x射線射線I，就可計(jì)算出該元素的相對(duì)，就可計(jì)算出該元素的相對(duì) 含量。含量。 )( 1 ZK 電子探針結(jié)構(gòu)示意圖電子探針結(jié)構(gòu)示意圖 74 u波譜儀全稱為波長(zhǎng)分散譜儀波譜儀全稱為波長(zhǎng)分散譜儀(Wavelen

44、gth-Dispersive Spectrometer，WDS)。 u 檢測(cè)特征檢測(cè)特征X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng) u樣品被激發(fā)的特征樣品被激發(fā)的特征X射線射線 照射到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶體照射到連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的分光晶體 上實(shí)現(xiàn)分光上實(shí)現(xiàn)分光(色散色散)，即不同，即不同 波長(zhǎng)的波長(zhǎng)的X射線將在各自滿足射線將在各自滿足 布拉格方程的布拉格方程的2 方向上被方向上被 (與分光晶體以與分光晶體以2:1的角速度的角速度 同步轉(zhuǎn)動(dòng)的同步轉(zhuǎn)動(dòng)的)檢測(cè)器接收。檢測(cè)器接收。 一）波譜儀一）波譜儀 當(dāng)每個(gè)當(dāng)每個(gè)X射線光子照到檢測(cè)器上時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖，射線光子照到檢測(cè)器上時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖， 經(jīng)放大后接至單通道分析器

45、，篩選脈沖高度并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖，經(jīng)放大后接至單通道分析器，篩選脈沖高度并轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)脈沖， 然后用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)存于計(jì)算機(jī)中。然后用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)存于計(jì)算機(jī)中。 波譜儀波譜儀(WDS)原理圖原理圖 X射線波譜儀射線波譜儀 光源、發(fā)射的光源、發(fā)射的x射線會(huì)聚焦在射線會(huì)聚焦在x射線射線 探測(cè)器的接受狹縫處；聚焦圓的中探測(cè)器的接受狹縫處；聚焦圓的中 心心O固定固定，通過(guò)彎晶面聚焦圓轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)彎晶面聚焦圓轉(zhuǎn)動(dòng) 來(lái)改變衍射角的大小，探測(cè)器也隨來(lái)改變衍射角的大小，探測(cè)器也隨 著在聚焦圓上運(yùn)動(dòng)。著在聚焦圓上運(yùn)動(dòng)。 彎晶在某一方向上做直線運(yùn)動(dòng)，彎晶在某一方向上做直線運(yùn)動(dòng)， X射線出射角不變，晶體通過(guò)自轉(zhuǎn)射線出射角不變，晶

46、體通過(guò)自轉(zhuǎn) 改變改變角光源、彎晶和接受狹縫角光源、彎晶和接受狹縫 始終聚焦圓周上。始終聚焦圓周上。 回轉(zhuǎn)式波譜儀回轉(zhuǎn)式波譜儀 直進(jìn)式波譜儀直進(jìn)式波譜儀 波長(zhǎng)色散譜波長(zhǎng)色散譜 波譜儀的特點(diǎn)波譜儀的特點(diǎn) u波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波譜儀的突出優(yōu)點(diǎn)是波長(zhǎng)分辨率很高波長(zhǎng)分辨率很高。如：它可將波長(zhǎng)十分。如：它可將波長(zhǎng)十分 接近的接近的VK (0.228434nm)、CrK 1(0.228962nm)和和 CrK 2(0.229351nm) 3根譜線清晰地分開(kāi)。根譜線清晰地分開(kāi)。 u但由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半但由于結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半 徑就要足夠大，這時(shí)彎晶離

47、徑就要足夠大，這時(shí)彎晶離X射線光源的距離就會(huì)變大，它射線光源的距離就會(huì)變大，它 對(duì)對(duì)X射線光源所張的立體角就會(huì)很小，因此對(duì)射線光源所張的立體角就會(huì)很小，因此對(duì)X射線光源發(fā)射線光源發(fā) 射的射的X射線光量子的收集率也就會(huì)很低，致使射線光量子的收集率也就會(huì)很低，致使X射線信號(hào)的射線信號(hào)的 利用率極低。利用率極低。 2dsin = u此外，由于經(jīng)過(guò)晶體衍射后，強(qiáng)度損失很大，所以，波譜儀此外，由于經(jīng)過(guò)晶體衍射后，強(qiáng)度損失很大，所以，波譜儀 難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，難以在低束流和低激發(fā)強(qiáng)度下使用，這是波譜儀的兩個(gè)缺點(diǎn)。這是波譜儀的兩個(gè)缺點(diǎn)。 二）能譜儀二）能譜儀 u能譜儀全稱為能量分散譜儀能譜儀全

48、稱為能量分散譜儀(Energy Dispersive X-ray Spectrometer ，EDS, EDX) u功能：化學(xué)元素定性、定量和分布影像分析功能：化學(xué)元素定性、定量和分布影像分析 u每種元素具有自己特定的每種元素具有自己特定的x射線特征波長(zhǎng)，而特征波長(zhǎng)的大小射線特征波長(zhǎng)，而特征波長(zhǎng)的大小 則取決于能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出的特征能量則取決于能級(jí)躍遷過(guò)程中釋放出的特征能量E。能譜儀就是能譜儀就是 利用不同元素利用不同元素x射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分射線光子特征能量不同這一特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行成分分 析的，析的，其強(qiáng)度決定元素的含量其強(qiáng)度決定元素的含量。 E=h=hc/ u通過(guò)檢測(cè)器將

49、所有波長(zhǎng)通過(guò)檢測(cè)器將所有波長(zhǎng)(能量能量)的的X射線光子幾乎同時(shí)接收進(jìn)來(lái)，射線光子幾乎同時(shí)接收進(jìn)來(lái)， 不同的不同的X射線光子能量產(chǎn)生的射線光子能量產(chǎn)生的電子電子空穴對(duì)數(shù)空穴對(duì)數(shù)不同。不同。Si(Li)檢檢 測(cè)器將它們接收后經(jīng)過(guò)積分，再經(jīng)放大整形后送入多道脈沖測(cè)器將它們接收后經(jīng)過(guò)積分，再經(jīng)放大整形后送入多道脈沖 高度分析器，然后在熒光屏以脈沖數(shù)高度分析器，然后在熒光屏以脈沖數(shù)-脈沖高度曲線顯示，這脈沖高度曲線顯示，這 就是就是X射線能譜曲線。射線能譜曲線。 Elem Wt % At % - C K 0.55 1.53 O K 25.47 53.62 ClK 0.66 0.63 FeK 73.33

50、44.22 Total 100.00 100.00 能譜儀的主要組成部分能譜儀的主要組成部分 u 鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器Li(Si) 檢測(cè)器檢測(cè)器 u預(yù)放大器預(yù)放大器 u主放大器主放大器 u多道分析器多道分析器 u數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng) v 以以Si(Li)檢測(cè)器為探頭的能譜儀實(shí)際上是一整套復(fù)雜的檢測(cè)器為探頭的能譜儀實(shí)際上是一整套復(fù)雜的 電子學(xué)裝置。電子學(xué)裝置。Si(Li)探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫 狀態(tài)狀態(tài)，否則晶體內(nèi)，否則晶體內(nèi)Li的濃度分布狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化。的濃度分布狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化。 Si(Li)X射線能譜儀的原理射線能譜儀

51、的原理 Si(Li)檢測(cè)器檢測(cè)器 Si(Li)檢測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)示意圖檢測(cè)器探頭結(jié)構(gòu)示意圖 目前最常用的是目前最常用的是Si(Li)X射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是射線能譜儀，其關(guān)鍵部件是Si(Li)檢測(cè)檢測(cè) 器，即器，即鋰漂移硅固態(tài)鋰漂移硅固態(tài)檢測(cè)器，它實(shí)際上是一個(gè)以檢測(cè)器，它實(shí)際上是一個(gè)以Li為施主雜質(zhì)為施主雜質(zhì) 的的n-i-p型二極管。型二極管。 Si(Li)能譜儀的優(yōu)點(diǎn)：能譜儀的優(yōu)點(diǎn)： (1)分析速度快分析速度快 能譜儀可以同時(shí)接受和檢測(cè)所有不同能量的能譜儀可以同時(shí)接受和檢測(cè)所有不同能量的X射線光射線光 子信號(hào)，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素，帶鈹子信號(hào)，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣

52、品中含有的所有元素，帶鈹 窗口的探測(cè)器可探測(cè)的元素范圍為窗口的探測(cè)器可探測(cè)的元素范圍為11Na92U，20世紀(jì)世紀(jì)80年代推向市年代推向市 場(chǎng)的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析場(chǎng)的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測(cè)元素以上的輕元素，探測(cè)元素 的范圍為的范圍為4Be92U。 (2)靈敏度高靈敏度高 X射線收集立體角大。由于能譜儀中射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放探頭可以放 在離發(fā)射源很近的地方在離發(fā)射源很近的地方(10 左右左右)，無(wú)需經(jīng)過(guò)晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度，無(wú)需經(jīng)過(guò)晶體衍射，信號(hào)強(qiáng)度 幾乎沒(méi)有損失，所以靈敏度高幾乎沒(méi)有損失，所以靈敏度高(可達(dá)可達(dá)104 cp

53、s/nA，入射電子束單位強(qiáng)，入射電子束單位強(qiáng) 度所產(chǎn)生的度所產(chǎn)生的X射線計(jì)數(shù)率射線計(jì)數(shù)率)。此外，能譜儀可在低入射電子束流。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10- 11 A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。 條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。 (3)譜線重復(fù)性好譜線重復(fù)性好 由于能譜儀沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且沒(méi)有聚焦由于能譜儀沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且沒(méi)有聚焦 要求，所以譜線峰值位置的重復(fù)性好且不存在失焦問(wèn)題，適合于比要求，所以譜線峰值位置的重復(fù)性好且不存在失焦問(wèn)題，適合于比 較粗糙表面的分析工作。較粗糙表面的分析工作。 Si(Li)能譜儀的缺點(diǎn)：能譜儀的缺點(diǎn)： (1) 能

54、量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。由于能譜儀的探頭直接對(duì)著樣品，所由于能譜儀的探頭直接對(duì)著樣品，所 以由背散射電子或以由背散射電子或X射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線信號(hào)也被同時(shí)檢射線信號(hào)也被同時(shí)檢 測(cè)到，從而使得測(cè)到，從而使得Si(Li)檢測(cè)器檢測(cè)到的特征譜線在強(qiáng)度提高的同時(shí)，檢測(cè)器檢測(cè)到的特征譜線在強(qiáng)度提高的同時(shí)， 背底也相應(yīng)提高，譜線的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。故儀器分辨不同能量特背底也相應(yīng)提高，譜線的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。故儀器分辨不同能量特 征征X射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率射線的能力變差。能譜儀的能量分辨率(130 eV)比波譜儀的能比波譜儀的能 量分辨率量分辨率(5

55、eV)低。低。 v 峰背比的定義峰背比的定義：多道脈沖高度分析器的中間道的計(jì)數(shù)減去背底的：多道脈沖高度分析器的中間道的計(jì)數(shù)減去背底的 計(jì)數(shù)，然后再除以背底的計(jì)數(shù)。背底是由峰值兩側(cè)的計(jì)數(shù)來(lái)估計(jì)計(jì)數(shù)，然后再除以背底的計(jì)數(shù)。背底是由峰值兩側(cè)的計(jì)數(shù)來(lái)估計(jì) 的。的。 (2) 工作條件要求嚴(yán)格。工作條件要求嚴(yán)格。Si(Li)探頭必須始終保持在探頭必須始終保持在液氦冷卻的低溫液氦冷卻的低溫 狀態(tài)狀態(tài)，即使是在不工作時(shí)也不能中斷，否則晶體內(nèi)，即使是在不工作時(shí)也不能中斷，否則晶體內(nèi)Li的濃度分布的濃度分布 狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化，導(dǎo)致探頭功能下降甚至完全被破壞。狀態(tài)就會(huì)因擴(kuò)散而變化，導(dǎo)致探頭功能下降甚至完全被破壞

56、。 波譜議和能譜儀比較波譜議和能譜儀比較 波譜儀波譜儀 能譜儀能譜儀 在在SEM中用能譜儀作元素分析的優(yōu)點(diǎn)中用能譜儀作元素分析的優(yōu)點(diǎn) 能譜分析的基本工作方式能譜分析的基本工作方式 一、一、定點(diǎn)分析定點(diǎn)分析，即對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn)，即對(duì)樣品表面選定微區(qū)作定點(diǎn)的全譜掃描，進(jìn) 行定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量行定性或半定量分析，并對(duì)其所含元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行定量 分析；分析； 二、二、線掃描分析線掃描分析，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進(jìn)行所，即電子束沿樣品表面選定的直線軌跡進(jìn)行所 含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析；含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的定性或半定量分析； 三、三、面掃描分析面掃描分析，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特，即電子束在樣品表面作光柵式面掃描，以特 定元素的定元素的X射線的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮度，獲射線的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制陰極射線管熒光屏的亮度，獲 得該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的掃描圖像。得該元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的掃描圖像。 u下圖給出了下圖給出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相與基體定點(diǎn)成分分析結(jié)果，陶瓷析出相與基體定點(diǎn)成分分析結(jié)果， 可見(jiàn)析出相（可見(jiàn)析出相（t相）相）Y2O3含量低，而