掃描電子顯微鏡 引言?huà)呙桦婄R結(jié)構(gòu)原理掃描電鏡圖象及襯掃描電鏡結(jié)果分析示例掃描電鏡的主要特點(diǎn)PPT課件

1、 掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱(chēng)為掃描電鏡，英文 縮 寫(xiě) 為 S E M ( S c a n n i n g E l e c t ro n Microscope)。SEM與電子探針（EPMA）的功能和結(jié)構(gòu)基本相同，但SEM一般不帶波譜儀（WDS）。現(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，可以進(jìn)行成分分析。所以，SEM也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。 引言第1頁(yè)/共77頁(yè)掃描電鏡結(jié)構(gòu)原理1. 掃描電鏡的工作原理及特點(diǎn)掃描電鏡的工作原理與閉路電視系統(tǒng)相似。第2頁(yè)/共77頁(yè)掃描電鏡成像示意圖第3頁(yè)/共77頁(yè)掃描電鏡成像示意圖第4頁(yè)/共77頁(yè)第5頁(yè)/共77頁(yè)2. 掃描電鏡的主要結(jié)

2、構(gòu)主要包括有電子光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)、圖象顯示和記錄系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)等。透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)三大部分組成。比較比較第6頁(yè)/共77頁(yè)3.3.電子與固體試樣的交互作用電子與固體試樣的交互作用一束細(xì)聚焦的電子束轟擊試樣表面時(shí)，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X 射線(xiàn)、俄歇過(guò)程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。第7頁(yè)/共77頁(yè)樣品入射電子 AugerAuger電子 陰極發(fā)光 背散射電子二次電子X(jué)射線(xiàn)透射電子 第8頁(yè)/共77頁(yè)

3、各種信息的作用深度 從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。 第9頁(yè)/共77頁(yè)q二次電子像二次電子像q背散射電子像背散射電子像第10頁(yè)/共77頁(yè)入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娙肷潆娮优c樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱(chēng)二次電子子）電離產(chǎn)生的電子，稱(chēng)二次電子。二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱(chēng)為二次電子，僅在樣品表面僅在樣品表面5nm10nm的深度的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。 第11頁(yè)/共77頁(yè)背散射電子與二次電子背散射電子與二次電子的

4、信號(hào)強(qiáng)度與的信號(hào)強(qiáng)度與Z Z的關(guān)系的關(guān)系結(jié)論二次電子信號(hào)在原序二次電子信號(hào)在原序數(shù)數(shù)Z20Z20后，其信號(hào)強(qiáng)后，其信號(hào)強(qiáng)度隨度隨Z Z變化很小。變化很小。 用用背散射電子像可以觀背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，面元素分布或相分布，并可確定元素定性、并可確定元素定性、定量分析點(diǎn)定量分析點(diǎn)。第12頁(yè)/共77頁(yè)1二次電子象二次電子象。因?yàn)槎坞娮有盘?hào)主要來(lái)處樣品表層510nm的深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒(méi)有明確的關(guān)系，便對(duì)微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。第13頁(yè)/共77頁(yè)凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二

5、次電子，用二次電子探測(cè)器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無(wú)陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響。二次電子的產(chǎn)額 K/cosK為常數(shù)，為入射電子與樣品表面法線(xiàn)之間的夾角，角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對(duì)樣品表面狀態(tài)非常敏感角越大，二次電子產(chǎn)額越高，這表明二次電子對(duì)樣品表面狀態(tài)非常敏感。同學(xué)們請(qǐng)看書(shū)上P109頁(yè)解釋的原因第14頁(yè)/共77頁(yè)形貌襯度原理第15頁(yè)/共77頁(yè)第16頁(yè)/共77頁(yè)背散射電子像背散射電子像 背散射電子背散射電子是指入射電子與樣品相互作用是指入射電子與樣品相互作用( (彈性和非彈性散射彈性和非彈性散射) )之后，之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電

6、子能量再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量( ( E E。) )。背背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與度與樣品的化學(xué)組成樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)平均原子序數(shù)有關(guān)。有關(guān)。第17頁(yè)/共77頁(yè)iiizcZ背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為 4332ZI式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。 第18頁(yè)/共77頁(yè)背散射電子像背散射電子像第19頁(yè)/共77頁(yè)ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000ZrO2

7、-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均原子序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和SiO2 相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來(lái)石混合區(qū)為莫來(lái)石斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來(lái)石。第20頁(yè)/共77頁(yè)玻璃不透明區(qū)域的背散射電子像第21頁(yè)/共77頁(yè)拋光面拋光面第22頁(yè)/共77頁(yè)斷口分析斷口分析第23頁(yè)/共77頁(yè)粉體形貌觀察粉體形貌觀察Al203團(tuán)聚體(a)和 團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)(a) 300 (b) 6000第24頁(yè)/共77頁(yè)鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌 20000第25頁(yè)/共77頁(yè)放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M總）景深大（F d

8、0/）保真度好樣品制備簡(jiǎn)單第26頁(yè)/共77頁(yè)放大倍率高從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M0.2 106nm 5nm=40000（倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無(wú)實(shí)際意義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標(biāo)。第27頁(yè)/共77頁(yè) 分辨率高分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式表示：d=0.61 /nsin ， 為透鏡孔徑半角， 為照明樣品的光波長(zhǎng)，n為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。對(duì)光學(xué)

9、顯微鏡 70 75 ，n=1.4。因?yàn)?nsin1.4，而可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為： 400nm-700nm ，所以光學(xué)顯微鏡分辨率 d 0.5 ，顯然 d 200nm。要提高分辨率可以通過(guò)減小照明波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種De Broglie波，具有波粒二相性， 12.26/V0.5(伏) ，如果V20kV時(shí)，則 0.0085nm。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm, 場(chǎng)發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm 。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近似相等。第28頁(yè)/共77頁(yè)景深景深D大大 景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的

10、景深f可以用如下公式表示：f = aDdM)2 . 0(式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為 放大倍率，d為電子束直徑。可以看出，長(zhǎng)工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。第29頁(yè)/共77頁(yè)第30頁(yè)/共77頁(yè)一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學(xué)顯微鏡（OM）大100倍。如10000倍時(shí),TEM :D1 m，SEM:10 m, 100倍時(shí)，OM:10 m，SEM=1000 m。第31頁(yè)/共77頁(yè)保真度好保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對(duì)斷口的失效分析特別重要。第32頁(yè)/共77頁(yè)樣品制備簡(jiǎn)單樣品制備簡(jiǎn)單 樣品可以是自然面

11、、斷口、塊狀、粉體、反光及透光光片，對(duì)不導(dǎo)電的樣品只需蒸鍍一層20nm的導(dǎo)電膜。 另外，現(xiàn)在許多SEM具有圖像處理和圖像分析功能。有的SEM加入附件后，能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀察。第33頁(yè)/共77頁(yè) 電子探針的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，特別是材料顯微結(jié)構(gòu)工藝性能關(guān)系的研究，電子探針起了重要作用。電子探針顯微分析有以下幾個(gè)特點(diǎn)：第34頁(yè)/共77頁(yè)1. 顯微結(jié)構(gòu)分析顯微結(jié)構(gòu)分析電子探針是利用0.5m1m的高能電子束激發(fā)所分析的試樣，通過(guò)電子與試樣的相互作用產(chǎn)生的特征X 射線(xiàn)、二次電子、吸收電子、 背散射電子及陰極熒光等信息來(lái)分析試樣的微區(qū)內(nèi)(m范圍內(nèi))成份、形貌和化學(xué)結(jié)合狀態(tài)等特征。電子

12、探針成分分析的空間分辨率（微區(qū)成分分析所能分析的最小區(qū)域）是幾個(gè)立方m范圍， 微區(qū)分析是它的一個(gè)重要特點(diǎn)之一, 它能將微區(qū)化學(xué)成份與顯微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)起來(lái)，是一種顯微結(jié)構(gòu)的分析。而一般化學(xué)分析、 X 光熒光分析及光譜分析等，是分析試樣較大范圍內(nèi)的平均化學(xué)組成，也無(wú)法與顯微結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng), 不能對(duì)材料顯微結(jié)構(gòu)與材料性能關(guān)系進(jìn)行研究。返回第35頁(yè)/共77頁(yè)電子探針?biāo)治龅脑胤秶话銖呐?B)鈾()，因?yàn)殡娮犹结槼煞莘治鍪抢迷氐奶卣鱔 射線(xiàn)，而氫和氦原子只有K 層電子，不能產(chǎn)生特征X 射線(xiàn)，所以無(wú)法進(jìn)行電子探針成分分析。鋰(Li)和鈹(Be)雖然能產(chǎn)生X 射線(xiàn)，但產(chǎn)生的特征X 射線(xiàn)波長(zhǎng)太長(zhǎng)，通常無(wú)法進(jìn)行

13、檢測(cè)，少數(shù)電子探針用大面間距的皂化膜作為衍射晶體已經(jīng)可以檢測(cè)Be元素。能譜儀的元素分析范圍現(xiàn)在也和波譜相同，分析元素范圍從硼(B)鈾()返回第36頁(yè)/共77頁(yè)3. 定量分析準(zhǔn)確度高定量分析準(zhǔn)確度高電子探針是目前微區(qū)元素定量分析最準(zhǔn)確的儀器。電子探針的檢測(cè)極限(能檢測(cè)到的元素最低濃度)一般為（0.010.05）%， 不同測(cè)量條件和不同元素有不同的檢測(cè)極限，但由于所分析的體積小，所以檢測(cè)的絕對(duì)感量極限值約為10-14g，主元素定量分析的相對(duì)誤差為(13)%，對(duì)原子序數(shù)大于11 的元素，含量在10% 以上的時(shí)，其相對(duì)誤差通常小于2%。返回第37頁(yè)/共77頁(yè)4. 不損壞試樣、分析速度快不損壞試樣、分析

14、速度快現(xiàn)在電子探針均與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，可以連續(xù)自動(dòng)進(jìn)行多種方法分析，并自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，對(duì)含10個(gè)元素以下的試樣定性、定量分析，新型電子探針在30min左右可以完成，如果用EDS 進(jìn)行定性、定量分析，幾分種即可完成。對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，還可以自動(dòng)聚焦分析。電子探針?lè)治鲞^(guò)程中一般不損壞試樣，試樣分析后，可以完好保存或繼續(xù)進(jìn)行其它方面的分析測(cè)試，這對(duì)于文物、古陶瓷、古硬幣及犯罪證據(jù)等的稀有試樣分析尤為重要。返回第38頁(yè)/共77頁(yè)5. 微區(qū)離子遷移研究微區(qū)離子遷移研究多年來(lái)，還用電子探針的入射電子束注入試樣來(lái)誘發(fā)離子遷移，研究了固體中微區(qū)離子遷移動(dòng)力學(xué)、離子遷移機(jī)理、離子遷移種

15、類(lèi)、離子遷移的非均勻性及固體電解質(zhì)離子遷移損壞過(guò)程等，已經(jīng)取得了許多新的結(jié)果。返回第39頁(yè)/共77頁(yè)電子探針儀的構(gòu)造和工作原理電子探針儀的構(gòu)造和掃描電鏡相似第40頁(yè)/共77頁(yè)電子探針?lè)治龅幕驹黼娮犹结樂(lè)治龅幕驹淼?1頁(yè)/共77頁(yè)1. 定性分析的基本原理定性分析的基本原理電子探針除了用電子與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進(jìn)行形貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測(cè)量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X 射線(xiàn)波長(zhǎng)與強(qiáng)度，從而對(duì)試樣中元素進(jìn)行定性、定量分析。第42頁(yè)/共77頁(yè)式中為元素的特征X 射線(xiàn)頻率，Z為原子序數(shù)，K與均為常數(shù)，C為光速。當(dāng)1時(shí)，與Z的關(guān)系式可寫(xiě)成:定性分析的基礎(chǔ)是Mo

16、seley關(guān)系式:由式可知，組成試樣的元素(對(duì)應(yīng)的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X 射線(xiàn)波長(zhǎng)()有單值關(guān)系，即每一種元素都有一個(gè)特定波長(zhǎng)的特征X射線(xiàn)與之相對(duì)應(yīng)， 它不隨入射電子的能量而變化。如果用X 射線(xiàn)波譜儀測(cè)量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X 射線(xiàn)波長(zhǎng)的種類(lèi)，即可確定試樣中所存在元素的種類(lèi)，這就是定性分析的基本原理。第43頁(yè)/共77頁(yè)能譜定性分析主要是根據(jù)不同元素之間的特征X 射線(xiàn)能量不同，即Eh，h 為普朗克常數(shù)，為特征X 射頻率， 通過(guò)EDS 檢測(cè)試樣中不同能量的特征X 射線(xiàn)，即可進(jìn)行元素的定性分析，EDS 定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X 射線(xiàn)譜峰往往相互重疊，必須正確判斷才能獲

17、得正確的結(jié)果，分析過(guò)程中如果譜峰相互重疊嚴(yán)重，可以用WDS和EDS聯(lián)合分析，這樣往往可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。返回第44頁(yè)/共77頁(yè)2試樣中A元素的相對(duì)含量CA與該元素產(chǎn)生的特征X射線(xiàn)的強(qiáng)度IA (X射線(xiàn)計(jì)數(shù))成正比:CAIA，如果在相同的電子探針?lè)治鰲l件下，同時(shí)測(cè)量試樣和已知成份的標(biāo)樣中A 元素的同名X 射線(xiàn)(如K線(xiàn))強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)修正計(jì)算，就可以得出試樣中A元素的相對(duì)百分含量CA:式中CA為某A元素的百分含量，K 為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法K 可用不同的表達(dá)式表示，IA 和 I(A) 分別為試樣中和標(biāo)樣中A元素的特征X 射線(xiàn)強(qiáng)度，同樣方法可求出試樣中其它元素的百分含量。返回第45頁(yè)/共77頁(yè)電子探針

18、的儀器構(gòu)造電子探針的儀器構(gòu)造電子探針的主要組成部份為:1. 電子光學(xué)系統(tǒng)、2. X射線(xiàn)譜儀系統(tǒng)、3.試樣室、4.電子計(jì)算機(jī)、5.掃描顯示系統(tǒng)、6.真空系統(tǒng)等。第46頁(yè)/共77頁(yè)第47頁(yè)/共77頁(yè)1. 電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃描線(xiàn)圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的X 射線(xiàn)激發(fā)源。（a）電子槍電子槍電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽(yáng)極組成。它的主要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細(xì)聚焦電子束(探針)。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽(yáng)極加速后，形成一個(gè)10m100m交叉點(diǎn)（Crossover)，再經(jīng)過(guò)二

19、級(jí)會(huì)聚透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個(gè)小于1m 的電子探針。電子束直徑和束流隨電子槍的加速電壓而改變， 加速電壓可變范圍一般為1kV30kV。第48頁(yè)/共77頁(yè)電磁透鏡分會(huì)聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡稱(chēng)會(huì)聚透鏡，會(huì)聚透鏡一般分兩級(jí)，是把電子槍形成的10m100m 的交叉點(diǎn)縮小1100 倍后，進(jìn)入試樣上方的物鏡，物鏡可將電子束再縮小并聚焦到試樣上。為了擋掉大散射角的雜散電子，使入射到試樣的電子束直徑盡可能小，會(huì)聚透鏡和物鏡下方都有光闌。第49頁(yè)/共77頁(yè)（a）波長(zhǎng)色散譜儀波長(zhǎng)色散譜儀X射線(xiàn)譜儀的性能，直接影響到元素分析的靈敏度和分辨本領(lǐng)，它的作用是測(cè)量電子與試樣相互作用產(chǎn)生的X 射線(xiàn)波

20、長(zhǎng)和強(qiáng)度。譜儀分為二類(lèi):一類(lèi)是波長(zhǎng)色散譜儀(WDS)，一類(lèi)是能量色散譜儀(EDS)。第50頁(yè)/共77頁(yè)眾所周知，X 射線(xiàn)是一種電磁輻射，具有波粒二象性， 因此可以用二種方式對(duì)它進(jìn)行描述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么特征X 射線(xiàn)就能看成具有固定波長(zhǎng)的電磁波，不同元素就對(duì)應(yīng)不同的特征X 射線(xiàn)波長(zhǎng)，如果不同X 射線(xiàn)入射到晶體上，就會(huì)產(chǎn)生衍射，根據(jù)Bragg公式：可以選用已知面間距d的合適晶體分光，只要測(cè)出不同特征射線(xiàn)所產(chǎn)生的衍射角2，就可以求出其波長(zhǎng)，再根據(jù)公式就可以知道所分析的元素種類(lèi)，特征X 射線(xiàn)的強(qiáng)度是從波譜儀的探測(cè)器(正比計(jì)數(shù)管)測(cè)得。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱(chēng)為波長(zhǎng)色散譜儀(WDS)。第5

21、1頁(yè)/共77頁(yè)不同波長(zhǎng)的X 射線(xiàn)要用不同面間距的晶體進(jìn)行分光， 日本電子公司的電子探針通常使用的四種晶體面間距及波長(zhǎng)檢測(cè)范圍見(jiàn)表分光晶體及波長(zhǎng)范圍分光晶體及波長(zhǎng)范圍表中STEPb(C18H35O2)2為硬脂酸鉛，TAP(C8H5O4TI)為鄰苯二甲酸氫鉈，PET(C5H12O4)為異戊四醇，LiF為氟化鋰晶體。第52頁(yè)/共77頁(yè)（b）能量色散譜儀能量色散譜儀如果把X射線(xiàn)看成由一些不連續(xù)的光子組成， 光子的能量為 E，為普朗克常數(shù)，為光子振動(dòng)頻率。不同元素發(fā)出的特征X射線(xiàn)具有不同頻率， 即具有不同能量，當(dāng)不同能量的X射線(xiàn)光子進(jìn)入鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器后，在Si(Li)晶體內(nèi)將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，

22、在低溫（如液氮冷卻探測(cè)器）條件下，產(chǎn)生一個(gè)電子空穴對(duì)平均消耗能量為3.8eV。能量為E 的X 射線(xiàn)光子進(jìn)入Si(Li)晶體激發(fā)的電子空穴對(duì)NE/,入射光子的能量不同，所激發(fā)出的電子空穴對(duì)數(shù)目也不同，例如，Mn K能量為5.895keV,形成的電子空穴對(duì)為1550 個(gè)。第53頁(yè)/共77頁(yè)探測(cè)器輸出的電壓脈沖高度，由電子空穴對(duì)的數(shù)目N 決定，由于電壓脈沖信號(hào)非常小，為了降低噪音，探測(cè)器用液氮冷卻，然后用前置放大器對(duì)信號(hào)放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入多道脈沖高度分析器， 把不同能量的X射線(xiàn)光子分開(kāi)來(lái)，并在輸出設(shè)備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)脈沖高度曲線(xiàn)，縱坐標(biāo)是脈沖數(shù)，即入射X 射線(xiàn)光子數(shù)，與所分析元素含量有

23、關(guān)，橫坐標(biāo)為脈沖高度，與元素種類(lèi)有關(guān)，這樣就可以測(cè)出X 射線(xiàn)光子的能量和強(qiáng)度，從而得出所分析元素的種類(lèi)和含量，這種譜儀稱(chēng)能量色散譜儀(EDS)，簡(jiǎn)稱(chēng)能譜儀。第54頁(yè)/共77頁(yè)能譜儀70 年代問(wèn)世以來(lái)，發(fā)展速度很快，現(xiàn)在分辨率已達(dá)到130eV左右 ，以前Be窗口能譜儀分析元素范圍從11Na92U，現(xiàn)在用新型有機(jī)膜超薄窗口，分析元素可從4Be92U。元素定性、定量分析軟件也有很大改善，中等原子序數(shù)的元素定量分析準(zhǔn)確度已接近波譜。近年來(lái)能譜儀的圖象處理和圖象分析功能發(fā)展很快。探測(cè)器的性能也有提高，能譜使用時(shí)加液氮，不使用時(shí)不加液氮。有的能譜探測(cè)器用電制冷方法冷卻，使探頭維護(hù)更方便。第55頁(yè)/共77頁(yè)

24、 能譜有許多優(yōu)點(diǎn)，例如，元素分析時(shí)能譜是同時(shí)測(cè)量所有元素，而波譜要一個(gè)一個(gè)元素測(cè)量，所以分析速度遠(yuǎn)比波譜快。能譜探頭緊靠試樣，使X 射線(xiàn)收集效率提高，這有利于試樣表面光潔度不好及粉體試樣的元素定性、定量分析。另外，能譜分析時(shí)所需探針電流小，對(duì)電子束照射后易損傷的試樣，例如生物試樣、快離子導(dǎo)體試樣等損傷小。但能譜也有缺點(diǎn)，如分辨率差，譜峰重疊嚴(yán)重，定量分析結(jié)果一般不如波譜等。表為能譜和波譜主要性能的比較?，F(xiàn)在大部分掃描電鏡、電子探針及透射電鏡都配能譜儀，使成分分析更方便。第56頁(yè)/共77頁(yè)比較內(nèi)容比較內(nèi)容WDSEDS元素分析范圍元素分析范圍4Be92U4Be92U定量分析速度定量分析速度慢慢快快

25、分辨率分辨率高（高（5eV）低（低（130 eV）檢測(cè)極限檢測(cè)極限10-2 (%)10-1 (%)定量分析準(zhǔn)確度定量分析準(zhǔn)確度高高低低X射線(xiàn)收集效率射線(xiàn)收集效率低低高高峰背比（峰背比（WDS/EDS）101能譜和波譜主要性能的比較能譜和波譜主要性能的比較第57頁(yè)/共77頁(yè) 用于安裝、交換和移動(dòng)試樣。試樣可以沿X、Y、Z軸方向移動(dòng)，有的試樣臺(tái)可以?xún)A斜、旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在試樣臺(tái)已用光編碼定位，準(zhǔn)確度優(yōu)于1m，對(duì)表面不平的大試樣進(jìn)行元素面分析時(shí)，Z軸方向可以自動(dòng)聚焦。 試樣室可以安裝各種探測(cè)器，例如二次電子探測(cè)器、背散射電子探測(cè)器、波譜、能譜、及光學(xué)顯微鏡等。光學(xué)顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分

26、析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如Zr02），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。第58頁(yè)/共77頁(yè) 掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察圖像的熒光屏（CRT）進(jìn)行同步光柵掃描，把電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子及X 射線(xiàn)等信號(hào)，經(jīng)過(guò)探測(cè)器及信號(hào)處理系統(tǒng)后，送到CRT 顯示圖像或照相紀(jì)錄圖像。以前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，數(shù)字圖像可以進(jìn)行圖像處理和圖像分析。第59頁(yè)/共77頁(yè) 真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa0.001Pa，通常用機(jī)械泵油擴(kuò)散泵抽真空

27、。油擴(kuò)散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊下，會(huì)分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量分析結(jié)果，特別是對(duì)碳的分析影響嚴(yán)重。用液氮冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無(wú)油的渦輪分子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。第60頁(yè)/共77頁(yè)電子探針的試樣要求電子探針的試樣要求（a）試樣尺寸試樣尺寸所分析的試樣應(yīng)為塊狀或顆粒狀，其最大尺寸要根據(jù)不同儀器的試樣架大小而定。定量分析的試樣要均質(zhì)，厚度通常應(yīng)大于5m。例如對(duì)JCXA-733 電子探針儀，最大試樣尺寸為32mm25mm。EPMA-8705 電子探儀所允許的最大試樣尺寸為102mm20mm。由于電子探針是微區(qū)分析，定點(diǎn)分析區(qū)域是幾個(gè)立方微米，電子束掃描分析和圖像觀察區(qū)

28、域與放大倍數(shù)有關(guān)，但最大也不會(huì)超過(guò)5mm。所以均勻試樣沒(méi)有必要做得很大，有代表性即可。如果試樣均勻，在可能的條件下，試樣應(yīng)盡量小，特別對(duì)分析不導(dǎo)電試樣時(shí)，小試樣能改善導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能。第61頁(yè)/共77頁(yè)（b）具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能具有較好的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能 金屬材料一般都有較好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，而硅酸鹽材料和其它非金屬材料一般電導(dǎo)和熱導(dǎo)都較差。后者在入射電子的轟擊下將產(chǎn)生電荷積累，造成電子束不穩(wěn)定，圖像模糊，并經(jīng)常放電使分析和圖像觀察無(wú)法進(jìn)行。試樣導(dǎo)熱性差還會(huì)造成電子束轟擊點(diǎn)的溫度顯著升高，往往使試樣中某些低熔點(diǎn)組份揮發(fā)而影響定量分析準(zhǔn)確度度。第62頁(yè)/共77頁(yè) 電子束轟擊試樣時(shí)，只有0.5%

29、左右的能量轉(zhuǎn)變成X 射線(xiàn)， 其余能量大部份轉(zhuǎn)換成熱能，熱能使試樣轟擊點(diǎn)溫度升高，Castaing用如下公式表示溫升T(K): 式中V。(kV)為加速電壓，i(A)為探針電流，d(m)為電子束直徑，k 為材料熱導(dǎo)率(Wcm-1k-1)。例如，對(duì)于典型金屬(k=1 時(shí))，當(dāng)V。20kV，d1m，i1A 時(shí)，T96K。 對(duì)于熱導(dǎo)差的典型晶體，k=0.1，典型的有機(jī)化合物k=0.002。對(duì)于熱導(dǎo)差的材料，如K=0.01, V0=30kV， i=0.1A， d=1m時(shí), 由公式得T=1440K。如果試樣表面鍍上10nm的鋁膜，則T減少到760K。因此, 對(duì)于硅酸鹽等非金屬材料必須在表面均勻噴鍍一層20n

30、m左右的碳膜、鋁膜或金膜等來(lái)增加試樣表面的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。第63頁(yè)/共77頁(yè) 試樣表面必須拋光，在100 倍反光顯微鏡下觀察時(shí)，能比較容易地找到50m50m無(wú)凹坑或擦痕的分析區(qū)域。因?yàn)閄 射線(xiàn)是以一定的角度從試樣表面射出，如果試樣表面凸凹不平，就可能使出射X 射線(xiàn)受到不規(guī)則的吸收，降低X 射線(xiàn)測(cè)量強(qiáng)度，圖8.15表明試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收。第64頁(yè)/共77頁(yè)試樣表面臺(tái)階引起的附加吸收第65頁(yè)/共77頁(yè)（a）粉體試樣粉體試樣 粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導(dǎo)電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。當(dāng)顆粒比較大時(shí)，例如大于5m，可以尋找表面盡量平的大顆粒分析。

31、也可以將粗顆粒粉體用環(huán)氧樹(shù)脂等鑲嵌材料混合后，進(jìn)行粗磨、細(xì)磨及拋光方法制備。第66頁(yè)/共77頁(yè) 對(duì)于小于5m小顆粒，嚴(yán)格講不符合定量分析條件，但實(shí)際工作中有時(shí)可以采取一些措施得到較好的分析結(jié)果。對(duì)粉體量少只能用電子探針?lè)治鰰r(shí)，要選擇粉料堆積較厚的區(qū)域，以免激發(fā)出試樣座成分。為了獲得較大區(qū)域的平均結(jié)果，往往用掃描的方法對(duì)一個(gè)較大區(qū)域進(jìn)行分析。要得到較好的定量分析結(jié)果，最好將粉體用壓片機(jī)壓制成塊狀，此時(shí)標(biāo)樣也應(yīng)用粉體壓制。對(duì)細(xì)顆粒的粉體分析時(shí)，特別是對(duì)團(tuán)聚體粉體形貌觀察時(shí)，需將粉體用酒精或水在超聲波機(jī)內(nèi)分散，再用滴管把均勻混合的粉體滴在試樣座上，待液體烘干或自然干燥后，粉體靠表面吸附力即可粘附在試樣座上。第67頁(yè)/共77頁(yè)（b）塊狀試樣塊狀試樣 塊狀試樣，特別是測(cè)定薄膜厚度、離子遷移深度、背散射電子觀察相分布等試樣，可以用環(huán)氧樹(shù)脂等鑲嵌后，進(jìn)行研磨和拋光。較大的塊狀試樣也可以直接研磨和拋光，但容易產(chǎn)生倒角，會(huì)影響薄膜厚度及離子遷移深度的測(cè)定，對(duì)尺寸小的試樣只能鑲嵌后加工。對(duì)多孔或較疏松的試樣，例如有些燒結(jié)材料、腐蝕產(chǎn)物等，需采用真空鑲嵌