材料分析檢測技術(shù)

1、第二篇 電 子 顯 微 分 析 電子顯微分析是基于電子束（波）與材料的相互作用而建立的各種材料現(xiàn)代分析方法。電子顯微分析方法以材料微觀形貌、結(jié)構(gòu)與成分分析為基本目的。從分析原理（技術(shù)基礎(chǔ)）來看，各種電子顯微分析方法中的一些方法也可歸于光譜分析（如電子探針）、能譜分析（如電子激發(fā)俄歇能譜）和衍射分析（如電子衍射）等方法范疇。電子顯微分析主要介紹透射電子顯微分析、掃描電子顯微分析及電子探針分析這些基本的、得到廣泛應用的分析方法。第七章 透射電子顯微分析 電子光學基礎(chǔ)1.電子波有何特征？與可見光有何異同？答：電子波具有粒子性和波動性波粒二象性，電子顯微鏡中常用的加速電壓為100200kv，電子波長為

2、0.003700.00251nm，大約是可見光（390760nm）的十萬分之一。3.電磁透鏡的像差是怎樣產(chǎn)生的，如何來消除和減少像差？答：<1>像差分為兩類：幾何像差和色差。幾何像差是因為透鏡磁場幾何形狀上的缺陷而造成的。幾何主要指球差和像散。色差是由于電子波的波長或能量發(fā)生一定幅度的改變而造成的。<2>第一，采取穩(wěn)定加速電壓的方法可有效地減小色差。第二，單一能量或波長的電子束照射樣品物質(zhì)時，將與樣品原子的核外電子發(fā)生非彈性散射。一般來說，樣品越厚，電子能量損失或波長變化幅度越大，色差散焦斑越大，透鏡像分辯率越差。所以應盡可能減小樣品厚度，以利于提高透鏡像的分辯率。 （

3、球差：球差即球面像差，是由電磁透鏡磁場中，近軸區(qū)域?qū)﹄娮邮恼凵淠芰εc遠軸區(qū)域不同而產(chǎn)生的。球差除了影響分辨本領(lǐng)外，還會引起圖像畸變。像散：是由透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱引起的一種像差。像散散焦斑與焦距差fA成正比，透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱性越明顯，焦距差越大，散焦斑越大，透鏡的分辨率越差。像散可以用機械、靜電或電磁式消像散器適當?shù)丶右匝a償矯正。）4.說明影響光學顯微鏡和電磁透鏡分辨率的關(guān)鍵因素是什么？如何提高電磁透鏡的分辨率？答：1.影響光學顯微鏡分辨本領(lǐng)主要取決于照明波長和光差介質(zhì)，因此式r0= 0.61/nsin故若要提高光學顯微鏡的分辨本領(lǐng)，關(guān)鍵是要有短波長的照明源。2電磁透鏡的分辨本領(lǐng)取決于透鏡的

4、衍射效應和像差所產(chǎn)生埃利斑和散焦斑尺寸的大?。ㄍ干潆娮语@微鏡中用磁場來使電子波聚焦成像的裝置是電磁透鏡。） （限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)的主要因素是球差rs 。因為電磁透鏡總是會聚的透鏡，至今還沒找到一種矯正球差行之有效的方法。而從球差最小散焦斑半徑 r 公式 rs = 1/4Cs³來看，球差最小散焦斑半徑與球差系數(shù)Cs成正比，與孔徑半角³成正比。）<1>當照明電子束波長一定時，透鏡孔徑半角越大，衍射效應埃利斑半徑越小，透鏡分辨本領(lǐng)越高。<2>減小透鏡孔徑半角，可以顯著地減小散焦斑半徑，因此，也就顯著地提高透鏡的分辨本領(lǐng)。衍射效應與球差對分辨本領(lǐng)的影響是相

5、互矛盾的，因此兩者必須兼顧。關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角0<3>盡可能減小樣品厚度，減少像差也有利于提高透鏡像的分辯率。第 9章電子衍射1. 分析電子衍射與x射線衍射有何異同?答：電子衍射原理與X射線衍射相似，是以滿足或基本滿足布拉格方程為產(chǎn)生衍射的必要條件。但因其電子波有其本身的特殊性，與X射線衍射相比具有下列特點：1) 電子波的波長比X射線短得多 2) 電子波長短，用Ewald圖解時，反射球半徑很大，在衍射角很小時的范圍內(nèi)，反射球的球面可近似為平面。從而可認為電子衍射產(chǎn)生斑點大致分布在一個二維倒易截面內(nèi)，結(jié)果晶體產(chǎn)生的衍射花樣能比較直觀地反映晶體內(nèi)各晶面的位向。3) 電子衍

6、射用薄晶體樣品，其倒易點沿樣品厚度方向擴展為倒易桿，增加了倒易點和Ewald球相交截面機會，結(jié)果使略偏離布拉格條件的電子束也能發(fā)生衍射。4) 電子衍射束的強度較大，拍攝衍射花樣時間短。因為原子對電子的散射能力遠大于對X射線的散射能力。2. 倒易點陣與正點陣之間關(guān)系如何?倒易點陣與晶體的電子衍射斑點之間有何對應關(guān)系?答：長期的實驗發(fā)現(xiàn)，晶體點陣結(jié)構(gòu)與其電子衍射斑點之間可以通過另外一個假想的點陣很好地聯(lián)系起來，這就是倒易點陣。通過倒易點陣可以把晶體的電子衍射斑點直接解釋成晶體相應晶面的衍射結(jié)果。倒易點陣是一種晶體學表示方法，是厄互爾德于1912年創(chuàng)立的，它是在量綱為L-1的倒空間內(nèi)的另外一個點陣，

7、與正空間內(nèi)的某特定的點陣相對應。 3. 用愛瓦爾德圖解法證明布拉格定律。答：4. 畫出fcc和bcc晶體的倒易點陣，并標出基本矢量a*, b*, c*。答：5.何為零層倒易截面和晶帶定理?說明同一晶帶中各晶面及其倒易矢量與晶帶軸之間的關(guān)系。9. 說明多晶、單晶及非晶衍射花樣的特征及形成原理。答：10. 請導出電子衍射的基本公式，解釋其物理意義，并闡述倒易點陣與電子衍射圖的關(guān)系及其原因。比較與X射線衍射的異同點。答：11. 單晶電子衍射花樣的標定有哪幾種方法？第8章透射電子顯微鏡1.透射電鏡主要由哪幾大系統(tǒng)構(gòu)成？各系統(tǒng)之間關(guān)系如何？答：四大系統(tǒng)：電子光學系統(tǒng)（照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、觀察記錄系統(tǒng)）真

8、空系統(tǒng)，供電控制系統(tǒng)，附加儀器系統(tǒng)（EDS、WDS、EELS）2.照明系統(tǒng)的作用是什么？它應滿足什么要求？作用：提供一束亮度高、照明孔徑角小、平行度高、束斑小、束流穩(wěn)定的照明源。為滿足明場和暗場成像需要，照明束可在20-30范圍內(nèi)傾斜。3.成像系統(tǒng)的主要構(gòu)成及其特點是什么？答：由物鏡、物鏡光欄、選區(qū)光欄、中間鏡（1、2）和投影鏡組成1) 物鏡：用來獲得第一幅高分辨率電子顯微圖像或電子衍射花樣的透鏡。電鏡的分辨率主要取決于物鏡，必須盡可能降低像差。物鏡通常為強勵磁、短焦透鏡（f = 1-3mm）,放大倍數(shù)100300倍，目前，高質(zhì)量的物鏡其分辨率可達0.1nm。 2) 物鏡光欄：裝在物鏡背焦面，

9、直徑20120um，無磁金屬制成（Pt、Mo等)作用是提高像襯度減小孔徑角，從而減小像差進行暗場成像3) 選區(qū)光欄：裝在物鏡像平面上，直徑20-400um，對樣品進行微區(qū)衍射分析4) 中間鏡是一個弱勵磁、長焦距、變倍率透鏡，放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)020倍，作用是控制電鏡總放大倍數(shù)，成像/衍射模式選擇5) 投影鏡：短焦、強磁透鏡，進一步放大中間鏡的像。投影鏡內(nèi)孔徑較小，使電子束進入投影鏡孔徑角很小。目前，一般電鏡裝有附加投影鏡，用以自動校正磁轉(zhuǎn)角。4. 分別說明成像操作與衍射操作時各級透鏡(像平面與物平面)之間的相對位置關(guān)系，并畫出光路圖。u 衍射操作模式v 成像操作模式 v5.透射電鏡中有哪些主要光闌

10、?在什么位置?其作用如何?答：透射電鏡有三種主要光闌：聚光鏡光闌、物鏡光闌和選區(qū)光闌。聚光鏡光闌作用：限制照明孔徑角。在雙聚光鏡系統(tǒng)中，該光闌裝在第二聚光鏡下方。光闌孔直徑：20-400um，一般分析用時光闌孔直徑用200-300um，作微束分析時，采用小孔徑光闌。物鏡光闌：也稱襯度光闌，安裝于物鏡的后焦面。光闌孔直徑20-120um。作用：提高像襯度減小孔徑角，從而減小像差進行暗場成像選區(qū)光闌：為了分析樣品上的微區(qū)，應在樣品上放置光闌來限定微區(qū)，對該微區(qū)進行衍射分析叫做選取衍射。該光闌是選區(qū)光闌，也稱限場光闌或視場光闌。6.樣品臺的結(jié)構(gòu)與功能如何？它應滿足那些要求？答：第 十 章晶體薄膜衍射

11、襯度成像分析1.什么是衍射襯度?它與質(zhì)厚襯度有什么區(qū)別?答：由樣品各處衍射束強度的差異形成的襯度稱為衍射襯度。<1>非晶（復型）樣品電子顯微圖像襯度是由于樣品不同微區(qū)間存在原子序數(shù)或厚度的差異而形成的，即質(zhì)厚襯度。它是建立在非晶樣品中原子對電子的散射和透射電子顯微鏡小孔徑成像的基礎(chǔ)上的。<2>對于晶體薄膜樣品而言，厚度大致均勻，原子序數(shù)也無差別，因此，不可能利用質(zhì)厚襯度來獲得圖象反差，這樣，晶體薄膜樣品成像是利用衍射襯度成像，簡稱“衍射襯度”2.畫圖說明衍襯成像原理，并說明什么是明場像、暗明場像和中心暗場像。衍射成像原理：設(shè)薄膜有A、B兩晶粒，B內(nèi)的某(hkl)晶面嚴格

12、滿足Bragg條件，或B晶粒內(nèi)滿足“雙光束條件”，則通過(hkl)衍射使入射強度I0分解為Ihkl和IO-Ihkl兩部分；A晶粒內(nèi)所有晶面與Bragg角相差較大，不能產(chǎn)生衍射。u 明場成像:只讓中心透射束穿過物鏡光欄形成的衍襯像稱為明場鏡。 v 暗場成像:只讓某一衍射束通過物鏡光欄形成的衍襯像稱為暗場像。 w 中心暗場像:入射電子束相對衍射晶面傾斜角，此時衍射斑將移到透鏡的中心位置，該衍射束通過物鏡光欄形成的衍襯像稱為中心暗場成像。 4.什么是消光距離?影響晶體消光距離的主要物性參數(shù)和外界條件是什么?答：在簡單雙光束條件下，入射波只被激發(fā)成為透射波和衍射波的情況下，由于透射波和衍射波強烈的動力

13、學相互作用結(jié)果，使I0和Ig在晶體深度方向上發(fā)生周期性的振蕩，此振蕩的深度周期叫消光距離，記作xg。（“消光”的意義指的是，盡管滿足衍射條件，但由于動力學相互作用而在晶體一定深度處衍射波和透射波的實際強度為0）物理參數(shù)：晶胞體積，晶胞散射振幅（結(jié)構(gòu)因子），入射角，電子波波長第 十一 章掃描電子顯微鏡1. 電子束入射固體樣品表面會激發(fā)哪些信號?它們有哪些特點和用途?答：樣品在電子束的轟擊下會產(chǎn)生：背散射電子，二次電子，吸收電子，透射電子，特征X射線，俄歇電子。1、背散射電子是指被固體樣品中的原子核或核外電子反彈回來的一部分入射電子。用Ib示背散射電子流。 特點：1) 彈性背散射電子遠比非彈性背散

14、射電子所占的份額多 ；2) 能量高，例如彈性背散射，能量達數(shù)千至數(shù)萬ev ；3) 背散射電子束來自樣品表面幾百nm深度范圍 ；4) 其產(chǎn)額隨原子序數(shù)增大而增多 ；5) 用作形貌分析、成分分析（原子序數(shù)襯度）以及結(jié)構(gòu)分析（通道花樣）2、二次電子在入射電子作用下被轟擊出來并離開樣品表面的樣品原子的核外電子。用IS表示二次電子流。 1) 二次電子能量較低。一般不超過50 ev，大部分幾ev；2) 來自表層510nm深度范圍；3) 對樣品表面化狀態(tài)十分敏感，因此能有效地反映樣品表面的形貌；4) 其產(chǎn)額與原子序數(shù)間沒有明顯的依賴關(guān)系。因此，不能進行成分分析。 3、吸收電子：入射電子進入樣品后，經(jīng)多次非彈

15、性散射，能量損失殆盡，最后被樣品吸收。用IA示吸收電子流。若樣品足夠厚，透射電子流IT=0，則有IA=I0 -（I b+IS） (I0入射電子流)1) 吸收電子信號調(diào)制成圖像，其襯度恰好和S、E或B、E信號調(diào)制圖像襯度相反 2) 與背散射電子的襯度互補。入射電子束射入一個多元素樣品中時，因Se產(chǎn)額與原子序數(shù)無關(guān)，則背散射電子較多的部位（Z較大）其吸收電子的數(shù)量就減少，反之亦然；3) 吸收電子能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，即可用來進行定性的微區(qū)成分分析 。4、透射電子：如樣品足夠薄，則會有一部分入射電子穿過樣品而成透射電子。用IT示透射電子流。 1) 透射電子信號由微區(qū)的厚度，成分和晶體結(jié)構(gòu)決定 2) 透

16、射電子包括：彈性散射電子和非彈性散射電子（各種不同能量損失，特征能量損失E,與區(qū)域成分有關(guān)）可利用特征能量損失E電子配合電子能量分析器進行微區(qū)成分分析。即電子能量損失譜EELS。 5、特征X射線：指原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和特征波長的一種電磁波輻射。 特征X射線的波長和原子序數(shù)間的關(guān)系服從莫塞萊定律。（Z原子序數(shù)，K、常數(shù)）特點：1) 用特征值進行成分分析2) 來自樣品較深的區(qū)域 6、俄歇電子：如果原子內(nèi)層電子在能級躍過程中釋放出來的能量E并不以X射線的形式發(fā)射出去，而是用這部分能量把空位層的另一個電子發(fā)射出去（或空位層的外層電子發(fā)射出去），這一個被電離

17、的電子稱為俄歇電子。每種原子都有自己的特定殼層能量，所以它們的俄歇電子能量也各有特征值。1) 各元素的俄歇電子能量值很低，501500ev ； 2) 來自樣品表面12nm范圍。其平均自由程很?。?lt;1 nm ）， 較深區(qū)域產(chǎn)生的俄歇電子向表面運動時必然會因碰撞損失能量而失去特征值的特點。因此，只有在距表面1nm左右范圍內(nèi)逸出的俄歇電子才具有特征能量。因此它適合做表面分析。 2. 掃描電鏡的分辨率受哪些因素影響?用不同的信號成像時，其分辨率有何不同?所謂掃描電鏡的分辨率是指用何種信號成像時的分辨率?答：影響分辨率的三大因素：1) 電子束束斑大小2) 檢測信號類型3) 檢測部位原子序數(shù)SEM的

18、分辨率高低與檢測信號種類有關(guān)。因為SE或AE信號的分辨率最高，因此，SEM的分辨率是指二次電子像的分辨率。 3. 掃描電鏡的成像原理與透射電鏡有何不同?答：SEM是由電子光學系統(tǒng)，信號收集處理、圖像顯示和紀錄系統(tǒng)，真空系統(tǒng)三部組成。 透射電鏡成像是平行光照射到一個光柵時，通過聚光鏡中間鏡投影鏡，放大倍數(shù)是三鏡的乘積。掃描電鏡成像是通過聚光鏡會聚電子槍發(fā)射出來的電子束，掃描線圈對試樣表面進行逐點掃描，并與試樣相互作用激發(fā)出各種信號（如二次電子），這些信號通過后續(xù)的同步檢測、放大后，最終在設(shè)于鏡體外的顯像管（CRT）熒光屏上形成一幅反映試樣表面形貌、組成及其他信息的掃描圖像。區(qū)別：TEM的放大倍數(shù)

19、M=物鏡*中間鏡*投影鏡；SEM是通過掃描電圈，逐點掃描逐點成像，熒光屏與物鏡上是對應的，時間與空間是一致的。一次性透射，同時成像M=Ac/As（Ac為在熒光屏上的幅度，As為在掃描鏡上的幅度）第 十二 章電子探針顯微分析1電子探針儀與掃描電鏡有何異同？電子探針儀如何與掃描電鏡和透射電鏡配合進行組織結(jié)構(gòu)與微區(qū)化學成分的同位分析?2.波譜儀和能譜儀各有什么優(yōu)缺點?答：能譜儀與波譜儀相比具有以下優(yōu)點（與波譜儀相比） 1) 能譜儀探測X射線的效率高。其靈敏度比波譜儀高約一個數(shù)量級。2) 在同一時間對分析點內(nèi)所有元素X射線光子的能量進行測定和計數(shù)，在幾分鐘內(nèi)可得到定性分析結(jié)果，而波譜儀只能逐個測量每種元素特征波長。 3) 結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)