《電子顯微分析》ppt課件

1、第七章第七章電子顯微分析電子顯微分析樣品樣品入射電子入射電子 AugerAuger電子電子 陰極發(fā)光 背散射電子背散射電子二次電子二次電子X射線射線透射電子透射電子 1. 透射電鏡的構造透射電鏡的構造2. 透射電鏡的主要性能目的透射電鏡的主要性能目的3. 透射電鏡的襯度構成原理透射電鏡的襯度構成原理4. 透射電鏡研討用高分子樣品制備方法透射電鏡研討用高分子樣品制備方法3. 透射電鏡在高分子研討中的運用透射電鏡在高分子研討中的運用Part 1 透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡 以波長極短的電子束以波長極短的電子束作為照明源，用電子透鏡作為照明源，用電子透鏡聚焦成像的一種具有高分聚焦成像的一種具有高分

2、辨身手、高放大倍數(shù)的電辨身手、高放大倍數(shù)的電子光學儀器。子光學儀器。 主要包括電子光學系主要包括電子光學系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)三部分。三部分。1. 透射電鏡的構造透射電鏡的構造電子光學系統(tǒng)又稱為鏡電子光學系統(tǒng)又稱為鏡筒筒根底部分根底部分照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡照明系統(tǒng)：電子槍、聚光鏡得到具有確定能量的高亮度得到具有確定能量的高亮度的聚焦電子束的聚焦電子束成像系統(tǒng)：樣品室、物鏡、中成像系統(tǒng)：樣品室、物鏡、中間鏡和投影鏡間鏡和投影鏡安頓樣品，安頓樣品，放大成像放大成像圖像察看和記錄系統(tǒng)：熒光屏圖像察看和記錄系統(tǒng)：熒光屏和照相安裝和照相安裝電子槍聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡察看

3、屏照相底板樣品室樣品室 位于照明系統(tǒng)和物鏡之間，其作用是安裝各種位于照明系統(tǒng)和物鏡之間，其作用是安裝各種方式的樣品臺，提供樣品在察看過程中的各種運方式的樣品臺，提供樣品在察看過程中的各種運動，如平移動，如平移(選擇察看區(qū)域選擇察看區(qū)域)、傾斜、傾斜(選擇適宜的樣選擇適宜的樣檔次向檔次向)和旋轉等。和旋轉等。 透射電鏡樣品非常薄，約為透射電鏡樣品非常薄，約為100200nm，必，必需用銅網支撐著。常用的銅網直徑為需用銅網支撐著。常用的銅網直徑為3mm左右，左右，孔徑約有數(shù)十孔徑約有數(shù)十m，如下圖。，如下圖。物鏡：透射電鏡的中心，構成一次放大象和衍物鏡：透射電鏡的中心，構成一次放大象和衍射譜，物鏡

4、的分辨身手決議透射電鏡的分辨身射譜，物鏡的分辨身手決議透射電鏡的分辨身手；要求：物鏡有盡能夠高的分辨身手、足夠手；要求：物鏡有盡能夠高的分辨身手、足夠高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。磁透鏡最大放高的放大倍數(shù)和盡量小的像差。磁透鏡最大放大倍數(shù)為大倍數(shù)為200200倍，最大分辨身手為倍，最大分辨身手為0.1nm0.1nm。中間鏡：把物鏡構成的一次中間像或衍射譜投中間鏡：把物鏡構成的一次中間像或衍射譜投射到投影鏡物面上。射到投影鏡物面上。投影鏡：把中間鏡構成的二次像及衍射譜放大投影鏡：把中間鏡構成的二次像及衍射譜放大到熒光屏上，構成最終放大電子像及衍射譜。到熒光屏上，構成最終放大電子像及衍射譜。三級成像

5、的總放大倍數(shù)為：三級成像的總放大倍數(shù)為： MT = MO MI MP 其中其中MO、MI、MP分別是物鏡、中間鏡和投影的放分別是物鏡、中間鏡和投影的放大倍數(shù)。大倍數(shù)。 磁透鏡可以經過改動電流來調理放大倍數(shù)。普統(tǒng)磁透鏡可以經過改動電流來調理放大倍數(shù)。普統(tǒng)統(tǒng)過將物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)統(tǒng)過將物鏡和投影鏡的放大倍數(shù)MO、MP固定，而改固定，而改動中間鏡放大倍數(shù)動中間鏡放大倍數(shù)MI來改動總放大倍數(shù)來改動總放大倍數(shù)MT。 放大倍數(shù)越大，成像亮度越低。成像亮度與放大倍數(shù)越大，成像亮度越低。成像亮度與MT2成反比。因此，要根據(jù)詳細要求選用成像系統(tǒng)的放大成反比。因此，要根據(jù)詳細要求選用成像系統(tǒng)的放大倍數(shù)。倍數(shù)。

6、圖像察看和記錄系統(tǒng)圖像察看和記錄系統(tǒng)透射電鏡中電子所帶的信息轉換成人眼能覺得的可見光透射電鏡中電子所帶的信息轉換成人眼能覺得的可見光圖像，是經過熒光屏或照相底板來實現(xiàn)的。人們透過鉛圖像，是經過熒光屏或照相底板來實現(xiàn)的。人們透過鉛玻璃窗可看到熒光屏上的像。玻璃窗可看到熒光屏上的像。兩種任務方式兩種任務方式TEMTEM既能得到衍射譜又能既能得到衍射譜又能察看像的緣由察看像的緣由晶體試樣，電子透過晶體晶體試樣，電子透過晶體時會發(fā)生衍射景象，在時會發(fā)生衍射景象，在物鏡后焦面上構成衍射物鏡后焦面上構成衍射譜。譜。在在TEMTEM中，改動中間鏡的中，改動中間鏡的電流，使中間鏡的物平電流，使中間鏡的物平面從

7、一次像平面移向物面從一次像平面移向物鏡的后焦面，可得到衍鏡的后焦面，可得到衍射譜，反之，讓中間鏡射譜，反之，讓中間鏡的物面從后焦面向下移的物面從后焦面向下移到一次像平面，就可看到一次像平面，就可看到像。到像。 電源系統(tǒng)包括電子槍高壓電源、透鏡電源和電源系統(tǒng)包括電子槍高壓電源、透鏡電源和控制線路電源等?？刂凭€路電源等。 真空系統(tǒng)用來維持鏡筒真空系統(tǒng)用來維持鏡筒( (凡是電子運轉的空間凡是電子運轉的空間) )的真空度在的真空度在10-4 Torr10-4 Torr以上，以確保電子槍電極以上，以確保電子槍電極間絕緣，防止成像電子在鏡筒內受氣體分子碰間絕緣，防止成像電子在鏡筒內受氣體分子碰撞而改動運動

8、軌跡，減小樣品污染等。撞而改動運動軌跡，減小樣品污染等。2. 透射電鏡的主要性能目的透射電鏡的主要性能目的v標志透射電鏡的主要目的是分辨率、放大率、襯度標志透射電鏡的主要目的是分辨率、放大率、襯度等等v2.1 分辨率分辨率v 點分辨率：電子圖像上尚能分辨開的相鄰兩點在點分辨率：電子圖像上尚能分辨開的相鄰兩點在試樣上的間隔試樣上的間隔v 線分辨率：電子圖像上能分辨出的最小晶面間距線分辨率：電子圖像上能分辨出的最小晶面間距v v標志電鏡程度的首要目的，高分辨電鏡的點分辨率標志電鏡程度的首要目的，高分辨電鏡的點分辨率可達可達0.3nm，線分辨率可達，線分辨率可達0.144nm2.2 放大率放大率電子

9、圖像相對于試樣的線性放大倍數(shù)電子圖像相對于試樣的線性放大倍數(shù)放大率可調理放大率可調理2.3 襯度襯度contrastTEM圖像中亮和暗的區(qū)別圖像中亮和暗的區(qū)別兩個相臨部分的電子束強度差。兩個相臨部分的電子束強度差。3. 透射電鏡的襯度構成原理透射電鏡的襯度構成原理v對于光學顯微鏡，襯度來源是資料各部分反對于光學顯微鏡，襯度來源是資料各部分反射光的才干不同。射光的才干不同。v 當電子逸出試樣下外表時，由于試樣對電子當電子逸出試樣下外表時，由于試樣對電子束的作用，使得透射到熒光屏上的強度是不束的作用，使得透射到熒光屏上的強度是不均勻的，這種強度不均勻的電子象稱為襯度均勻的，這種強度不均勻的電子象稱

10、為襯度象。象。3.1 三種襯度定義v散射襯度，又稱質量厚度襯度散射襯度，又稱質量厚度襯度Mass-thickness contrast)：是由于資料的質量厚：是由于資料的質量厚度差別呵斥的透射束強度的差別而產生的襯度差別呵斥的透射束強度的差別而產生的襯度主要用于非晶資料。度主要用于非晶資料。v衍射襯度衍射襯度(Diffraction contrast)：由于試樣：由于試樣各部分滿足布拉格條件的程度不同以及構造各部分滿足布拉格條件的程度不同以及構造振幅不同而產生的主要用于晶體資料。振幅不同而產生的主要用于晶體資料。v相位襯度相位襯度(Phase contrast)：試樣內部各點：試樣內部各點對入

11、射電子作用不同，導致它們在試樣出口對入射電子作用不同，導致它們在試樣出口外表上相位不一，經放大讓它們重新組合，外表上相位不一，經放大讓它們重新組合，使相位差轉換成強度差而構成的。使相位差轉換成強度差而構成的。3.2 質厚襯度v質厚襯度的構成：由于試樣各部質厚襯度的構成：由于試樣各部分對電子散射才干不同，使得透分對電子散射才干不同，使得透射電子數(shù)目不同，而引起強度差射電子數(shù)目不同，而引起強度差別，構成襯度。別，構成襯度。v對于非晶樣品，入射電子透過樣對于非晶樣品，入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)目越多或樣品時碰到的原子數(shù)目越多或樣品越厚，樣品原子核庫侖電場品越厚，樣品原子核庫侖電場越強原子序數(shù)或密

12、度越大，越強原子序數(shù)或密度越大，被散射到物鏡光闌外的電子就越被散射到物鏡光闌外的電子就越多，而經過物鏡光闌參與成像的多，而經過物鏡光闌參與成像的電子強度就越低，即襯度與質量、電子強度就越低，即襯度與質量、厚度有關，故叫質厚襯度。厚度有關，故叫質厚襯度。 3.3 衍射襯度晶粒晶粒A與入射束不成布拉格角，不產生衍射，透射束強度與入射束不成布拉格角，不產生衍射，透射束強度IA=I0晶粒晶粒B與入射束滿足布拉格衍射，衍射束強度為與入射束滿足布拉格衍射，衍射束強度為Ihkl，透射束強度，透射束強度IB=I0-Ihkl假設讓透射束經過物鏡光闌，擋住衍射束，假設讓透射束經過物鏡光闌，擋住衍射束，A晶粒比晶粒

13、比B晶粒亮晶粒亮(明場象明場象)。假設讓假設讓hkl衍射束經過物鏡光闌，擋住透射束，衍射束經過物鏡光闌，擋住透射束，B晶粒比晶粒比A晶粒亮暗場像晶粒亮暗場像4. 透射電鏡研討用高分子樣品制備方法透射電鏡研討用高分子樣品制備方法v電子束照射下樣品溫度會升高，對于流體，電子束照射下樣品溫度會升高，對于流體，或易升華、低熔點或易分解的物質如高分或易升華、低熔點或易分解的物質如高分子中的雜質會污染電鏡，得到假象。子中的雜質會污染電鏡，得到假象。v電子束的穿透才干較弱，不能察看厚樣品。電子束的穿透才干較弱，不能察看厚樣品。 假設用加速電壓為假設用加速電壓為100kV的電鏡，樣品的厚的電鏡，樣品的厚度在度

14、在20200 nm之間。之間。4.1 4.1 支持膜法支持膜法 粉末試樣和膠凝物質水化漿體多采用此法。粉末試樣和膠凝物質水化漿體多采用此法。普通做法是將試樣載在一層支持膜上或包在薄普通做法是將試樣載在一層支持膜上或包在薄膜中，該薄膜再用銅網承載。膜中，該薄膜再用銅網承載。 支持膜資料必需具備以下條件：本身沒有構造，支持膜資料必需具備以下條件：本身沒有構造，對電子束的吸收不大；本身有一定的力學強度和剛對電子束的吸收不大；本身有一定的力學強度和剛度，能忍受電子束的照射而不致畸變或破裂；易確度，能忍受電子束的照射而不致畸變或破裂；易確定厚度，易進展真空鍍膜。定厚度，易進展真空鍍膜。 常用的支持膜資料

15、有：火棉膠、聚醋酸甲基乙烯酯、常用的支持膜資料有：火棉膠、聚醋酸甲基乙烯酯、碳、氧化鋁等。碳、氧化鋁等。 上述資料除了單獨能做支持膜資料外，還可以在火上述資料除了單獨能做支持膜資料外，還可以在火棉膠等塑料支持膜上再鍍上一層碳膜，以提高其強度棉膠等塑料支持膜上再鍍上一層碳膜，以提高其強度和耐熱性。鍍碳后的支持膜稱為加強膜。和耐熱性。鍍碳后的支持膜稱為加強膜。4.2 4.2 復型法復型法 研討塊狀聚合物和纖維外表構造，對于在電研討塊狀聚合物和纖維外表構造，對于在電鏡中易起變化的樣品和難以制成電子束可以透鏡中易起變化的樣品和難以制成電子束可以透過的薄膜的試樣多采用復型法。過的薄膜的試樣多采用復型法。

16、 利用一種薄膜利用一種薄膜( (如碳、塑料、氧化物薄膜如碳、塑料、氧化物薄膜) )將將固體試樣外表的浮雕復制下來的一種間接樣品。固體試樣外表的浮雕復制下來的一種間接樣品。 只能作為試樣形貌的察看和研討，而不能用只能作為試樣形貌的察看和研討，而不能用來察看試樣的內部構造。來察看試樣的內部構造。 4.4 染色和蝕刻染色和蝕刻 大多數(shù)聚合物在用質厚襯度成象時圖象的反差很大多數(shù)聚合物在用質厚襯度成象時圖象的反差很弱，因此，由超薄切片得到的試樣還不能直接用來進弱，因此，由超薄切片得到的試樣還不能直接用來進展透射電鏡的察看，還需求經過染色或蝕刻來改善襯展透射電鏡的察看，還需求經過染色或蝕刻來改善襯度。度。

17、染色染色 用一種含重金屬的試劑對試樣中的某一相或某一組用一種含重金屬的試劑對試樣中的某一相或某一組分進展選擇性的化學處置，使其結合或吸附上重金屬，分進展選擇性的化學處置，使其結合或吸附上重金屬，從而導致其對電子的散射才干有明顯的變化，從而使從而導致其對電子的散射才干有明顯的變化，從而使聚合物的不同微區(qū)之間的質量差別加大。聚合物的不同微區(qū)之間的質量差別加大。5. 透射電鏡在高分子研討中的運用透射電鏡在高分子研討中的運用v研討高分子的結晶形狀研討高分子的結晶形狀v v研討多組分多相高分子體系的微觀織態(tài)構造研討多組分多相高分子體系的微觀織態(tài)構造v 1嵌段共聚物嵌段共聚物v 2高分子乳液顆粒形狀高分子

18、乳液顆粒形狀5.1 高分子的結晶形狀0.01%聚乙烯的二甲苯溶液，厚度聚乙烯的二甲苯溶液，厚度10 nm，聚乙烯球晶的外表復型像聚乙烯球晶的外表復型像熔體高壓厚度微米級5.2 多組分多相高分子體系嵌段共聚物高分子乳液顆粒形狀碳納米管接枝改性Part 2 掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡1. 掃描電鏡構造原理2. 掃描電鏡圖象及襯度3. 掃描電鏡的主要特點4. 掃描電鏡結果分析例如 掃描電子顯微鏡的簡稱為掃描電鏡，英文縮寫為SEM (Scanning Electron Microscope)。用細聚焦的電子束轟擊樣品外表，經過電子與樣品相互作用產生的二次電子、背散射電子等對樣品外表或斷口形貌進展察看

19、和分析。 可與能譜EDS組合進展成分分析，SEM也是顯微構造分析的主要儀器，已廣泛用于資料、冶金、礦物、生物學等領域。 1. 掃描電鏡的任務原理掃描電鏡的任務原理主要包括電子光學主要包括電子光學系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、信號檢測放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。統(tǒng)等。樣品樣品入射電子入射電子 AugerAuger電子電子 陰極發(fā)光 背散射電子背散射電子二次電子二次電子X射線射線透射電子透射電子 q二次電子像二次電子像q背散射電子像背散射電子像2.1 二次電子象二次電子象入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子入射電子與

20、樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子電離產生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習電離產生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習慣上把能量小于慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣品外電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣品外表表5nm10nm的深度內才干逸出外表。的深度內才干逸出外表。 二次電子象是外表形貌襯度，它是利用對樣品外表形二次電子象是外表形貌襯度，它是利用對樣品外表形貌變化敏感的物理信號作為調理信號得到的一種象襯度。貌變化敏感的物理信號作為調理信號得到的一種象襯度。 二次電子信號強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，便對二次電子信號強度與原子序數(shù)沒有明確的關系，便對微區(qū)外表相對于入射

21、電子束的方向卻非常敏感，二次電子微區(qū)外表相對于入射電子束的方向卻非常敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。凸凹不平的樣品外表所產生的二次電子，用凸凹不平的樣品外表所產生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被搜集，所以二次電二次電子探測器很容易全部被搜集，所以二次電子圖像無陰影效應，二次電子易受樣品電場和磁子圖像無陰影效應，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產額場影響。二次電子的產額 K/cosK為常數(shù)，為常數(shù)，為入射電子與樣品外表法線之為入射電子與樣品外表法線之間的夾角，間的夾角，角越大，二次電子產額越高，這闡明二次角越大，二次電子產額越高，這闡明二次電子對樣品外表形狀非常敏感。電子對樣品外表形狀非常敏感。形貌襯度原理形貌襯度原理2.2 背散射電子像背散射電子像 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，再次逸出樣品外表的高能電子，其能量