電子顯微鏡分析基礎課件

1、第四章電子顯微鏡分析基礎2022/8/1第四章電子顯微鏡分析基礎一、光學顯微鏡的分辨率 人眼分辨極限只有0.2mm 光學顯微鏡的分辨極限是0.1m 電子顯微鏡的分辨率普遍達到0.3nm 最好的電子顯微鏡的分辨率已經達到0.07nm 一般原子、離子半徑大約在0.1nm左右 在電子顯微鏡下可以直接觀察到分子 甚至原子的世界 這個分辨能力比人眼高出了近100萬倍 比最好的光學顯微鏡也高出了1000倍 第四章電子顯微鏡分析基礎分辨率由什么決定？ 波長第四章電子顯微鏡分析基礎第四章電子顯微鏡分析基礎分辨率定義: 當兩個Airy斑中心間距等于Airy斑半徑時 物平面上相應的兩個物點的間距(ro)n最大:

2、1.5 最大: 75波長越長 分辨率越差Ro第四章電子顯微鏡分析基礎顯微鏡放大倍數(shù)=人眼分辨本領/分辨率=400000/單位: nm光學顯微鏡放大倍數(shù): 10001500第四章電子顯微鏡分析基礎為什么不用紫外&X射線做照明光源？紫外: 容易被物質強烈吸收X射線:難以改變方向、發(fā)生折射及聚焦成像第四章電子顯微鏡分析基礎二、電子光學基礎電子顯微鏡是利用電子束流作為光源使物體成像的電子束流實際上是一種陰極射線流是一種帶負電的粒子流它具有波動性和粒子性第四章電子顯微鏡分析基礎2.1 電子束流的特點1924年德步羅意(Broglie De)證明粒子在高速運動時候會發(fā)射出一定波長電磁輻射這種波的波長()與

3、粒子運動速率(v)、粒子質量(m)之間存在著以下關系： 式中h為普朗克(Planck)常量第四章電子顯微鏡分析基礎 電子顯微鏡中電子在真空鏡柱里運動的速率與加速電壓密切相關根據(jù)能量守恒定律： 式中e為電子電荷絕對值V為加速電壓(kV)為電子運動速度m為電子的質量從上式可以得到電子運動的速率為： 加速電壓比較低時電子運動速率比光速小的多它的質量近似等于電子靜止質量即 將 代入 整理可以得到：低電壓第四章電子顯微鏡分析基礎把h6.6210-34Js、e1.6010-19C、m09.1110-31kg數(shù)值代入上式可以得到：加速電壓比較高時電子波長計算必須引入相對論校正，其表達式為：把h、 m0值代入

4、得：第四章電子顯微鏡分析基礎電子波長比可見光波長短得多利用電子作為光源可以大大提高顯微鏡的分辨本領和有效放大倍數(shù)只要能夠造出使電子聚焦的透鏡就能獲得高分辨率、高放大倍數(shù)的圖像第四章電子顯微鏡分析基礎2.2 電子在電磁場中的運動 運動的電子束流在受到電場或磁場作用時會改變前進的軌跡和運動方向 并且不同的磁場對電子運動軌跡的影響也不會相同 電子束流在電磁場中發(fā)生彎曲 即可折射性 類似于自然光線通過玻璃透鏡時的情況一樣 第四章電子顯微鏡分析基礎電子束在電場作用下折射 靜電透鏡第四章電子顯微鏡分析基礎磁透鏡的聚焦原理ABCD第四章電子顯微鏡分析基礎 當一個電子在磁場中運動的時候 如果它平行于磁場的磁力

5、線方向 就不受外力影響 外力使電子在一個包含電子運動方向和垂直于磁力線方向的平面上運動 如果磁場強度是常數(shù) 電子運動軌跡在垂直于磁力線的平面上描繪出一個圓 這個圓的半徑(r)由向心力和電磁場力所決定 可以由下面的方程式表達： ABC第四章電子顯微鏡分析基礎在電子光學系統(tǒng)中使用的是一種具有旋轉對稱非均勻的磁場 這種磁極裝置叫做磁透鏡一束平行于主軸的入射電子通過電磁透鏡后 將被聚焦在軸線上一點 即焦點 這與光學玻璃 凸透鏡對平行軸線入射的光線的聚焦作用十分相似 這表明 電磁透鏡與光學凸透鏡有相似的光學性質第四章電子顯微鏡分析基礎 電磁透鏡的物距L1、像距L2和焦距f之間的關系也可以用光學顯微鏡成像

6、原理公式表達： 電磁透鏡的像放大倍數(shù)(M)也可以用下式表明： 第四章電子顯微鏡分析基礎強磁透鏡磁透鏡分為幾種：一種是無芯的多層線圈型的螺旋管；另一種用軟鐵包住線圈減少漏磁 將磁場集中在鐵芯的內孔隙里；還有一種用軟鐵包住線圈 使磁場集中在被插入的極靴小孔隙中。如圖19.6(a)、(b)、(c)所示，(c)是一種強磁透鏡。由于透鏡焦距與所采用的磁場相關 磁場越強 焦距越短 放大倍數(shù)也就越大 電子顯微鏡的成像物鏡大多采用短焦距的強磁透鏡 第四章電子顯微鏡分析基礎2.3 電磁透鏡的像差、分辨本領、景深和焦長第四章電子顯微鏡分析基礎理論上 電子顯微鏡的分辨率很高 但事實上 其分辨率遠達不到理論值 WHY

7、?像差！ 第四章電子顯微鏡分析基礎2.3.1 電磁透鏡的像差 電磁透鏡存在各種像差：一類是透鏡磁場幾何上的缺陷產生的幾何像差，包括球面像差（球差）、像散和像畸變；另一類是電子波長或能量單一性引起的色差；還有一種是由衍射效應引起的衍射像差（1）球面像差（球差） 球面像差是指在電磁透鏡的磁場中 近軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力與遠軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力不同而產生的 一個理想的物點所散射的電子經過具有球差的電磁透鏡后 不能匯聚于同一個像點上 而被分別匯聚在一定的軸向距離上 在軸向距離范圍內 存在著一個最小的焦斑 必須盡可能減小球差引起的最小散焦斑的尺寸 以利提高透鏡的分辨本領第四章電子顯微鏡分析

8、基礎球差最小散焦斑半徑（rs）可表示為：第四章電子顯微鏡分析基礎 式中Cs表示電磁透鏡球差系數(shù) 表示電磁透鏡孔徑半角 從上式看 球差最小散焦斑半徑與球差系數(shù)成正比 與孔徑角3成正比增加極靴孔隙中的磁場強度 就會降低球面像差系數(shù) 在電子束的路徑上放置一個適當大小的光欄 就能減小電子束發(fā)射角 因而就減小了球面像差 但光欄孔太小就會使衍射像差變得明顯 需要適當選擇光闌 第四章電子顯微鏡分析基礎（2）像散 像散是電磁透鏡磁場非旋轉對稱引起的像差 主要原因: 極靴材料不均勻 機械加工的精度差 電子束路徑污染 一般采用消像散器來消除像散 像散嚴重時 則需要清洗電鏡 甚至更換極靴 像散焦斑半徑可以表示為：式

9、中fA為由透鏡磁場非旋轉對稱產生的焦差 為透鏡的半孔徑角第四章電子顯微鏡分析基礎消像散器第四章電子顯微鏡分析基礎（3）色差 色差是由于成像電子波長（或能量）變化引起電磁透鏡焦距變化而產生的一種像差 一個物點散射的、具有不同波長（或能量）的電子進入透射磁場后 如果不能聚焦到一個像點上 而分別交在一定的軸向距離范圍內 在軸向距離范圍內存在著一個最小散焦距 即色差散焦斑 其半徑rc由下式確定： 式中Cc表示電子透鏡色差系數(shù)，隨激磁電流增大（使聚光鏡刻度減?。┒鴾p??；表示電磁透鏡孔半徑角；E/E表示電子束能量變化率。第四章電子顯微鏡分析基礎減少色差的辦法：改善加速電壓的穩(wěn)定性增加極靴中的磁場強度降低色

10、差系數(shù)Cc樣品不要太厚減少電子能量損失的差異第四章電子顯微鏡分析基礎（4）衍射像差 衍射像差是一種波動光學像差 增大電磁透鏡的半孔徑角就可以減小這種像差 但是卻會引起球差增大 只有兼顧兩個方面選擇最佳孔徑角第四章電子顯微鏡分析基礎2.3.2電磁透鏡的分辨本領 分辨本領取決于透鏡的像差和衍射效應所產生的散焦斑（或稱埃利斑）尺寸的大小 光學顯微鏡在最佳情況下 分辨本領可以達到照明光波波長的二分之一 電子束波長比可見光波長小五個數(shù)量級 如果電磁透鏡像差（特別是球差）能得到較好的矯正 那么它的分辨本領理應達到照明波的半波長0.002nm極限值（按加速電壓為80100kV計算）第四章電子顯微鏡分析基礎由

11、于至今還沒有找到一種矯正球差的有效辦法 故采用盡可能小的孔徑角成像 隨透鏡孔角的減小 雖然球差散焦斑半徑顯著的減小了 但衍射效應引起的埃利斑半徑卻增大了 制造具有大孔徑角、低球差、高分辨率的電磁透鏡有一定難度 采用小孔徑角的電磁透鏡成像 只能達到0.14nm左右晶格分辨率 比極限值0.002nm還差100倍左右 第四章電子顯微鏡分析基礎2.3.3 電磁透鏡的景深和焦長 由于電子顯微鏡采用小孔徑角成像 所以電磁透鏡具有一些重要的特點 即景深很大、焦長很長 （1） 景深 像平面不動(像距不變) 在滿足成像清晰的前提下 物平面沿軸線前后可移動的距離第四章電子顯微鏡分析基礎因此 透鏡的景深(Df)可以

12、定義為透鏡的物平面允許的軸向偏差值 它與電磁透鏡分辨本領0 、孔徑半角之間的關系為： 從上式可以看出 電磁透鏡孔徑半角越小、景深越大 若0 1nm 10-210-3弧度 則Df2002000nm 第四章電子顯微鏡分析基礎（2） 焦長物點固定不變(物距不變) 在保持成像清晰的條件下 像平面沿透鏡軸線可移動的距離DL與分辨本領0及像點所張的孔徑半角之間的關系為： 因 所以 M為透鏡放大倍數(shù)第四章電子顯微鏡分析基礎 當電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領一定時 焦長隨孔徑半徑減小而增大 若0 1nm 10-2弧度 M200倍時 Df8106nm8mm 多級電磁透鏡組成的電子顯微鏡的放大倍數(shù)等于各級透鏡放大倍數(shù)

13、之和 因此最終圖像的焦長更長了 約為1020cm 這樣就可以容易的拍攝清晰的電子圖像 第四章電子顯微鏡分析基礎2.4 電子顯微鏡與光學顯微鏡的對比 電子顯微鏡在分辨本領、放大倍數(shù)、景深、焦長等許多方面有著明顯的優(yōu)點 它能把微區(qū)（幾個微米）、甚至超微區(qū)（10nm以下）把形貌、成分、結構三個主要測試方面的內容密切結合起來進行研究 電子顯微鏡的發(fā)明及發(fā)展開拓了許多新的研究領域 但電子顯微鏡也有一些局限性 需要光學顯微鏡和其他一些測試分析方法來補充許多不足之處 第四章電子顯微鏡分析基礎特點內容電子顯微鏡光學顯微鏡照射束電子束（0.0037nm）光束（400nm750nm）媒質真空（1.3310-21.

14、3310-6Pa）大氣透鏡電子透鏡（電磁透鏡）光學玻璃透鏡分辨率透射電鏡為0.14nm，掃描電鏡為6nm可見光區(qū)為200nm放大倍數(shù)10105倍，連續(xù)可調102000倍，更換透鏡景深在1000倍時，景深約為30m在1000倍時，景深約為0.1m聚焦原理電子聚焦機械聚焦主要圖像透射電子像，二次電子像，背散射電子像，吸收電子像，X射線面掃描像，X射線掃描像光學透射像，反射像及其他干涉像圖像特點黑白反差的電子圖像，高分辨原子像，格子像以及各種衍射圖像光吸收、反射、透過形成圖像，產生七色光的顏色及干涉顏色主要附件（1）電子衍射裝置，（2）特征X射線波譜儀，（3）特征X射線能譜儀，（4）電子能量損失譜儀

15、，（5）俄歇電子譜儀，（6）陰極發(fā)光裝置，（7）熱臺、冷臺，（10）拉伸、旋鈕、壓縮，等等（1）帶偏光、反光附件，（2）錐光附件，（3）費氏臺及旋轉針，（4）熱臺及冷臺，（5）油浸法應用，等等第四章電子顯微鏡分析基礎3.電子束和物質之間的相互作用 高速運動的電子束轟擊樣品 就會產生許多物理信息 主要有二次電子、背散射電子、俄歇電子、吸收電子、連續(xù)X射線、特征X射線、X熒光、陰極發(fā)光、透射電子、衍射電子、電動勢場等 如圖19.11所示 高速運動的入射電子受樣品物質中原子核的散射 一般只改變運動方向 并不損失能量或者能量損失甚微 這種散射叫做彈性散射；如果入射電子受樣品物質作用不僅改變了電子運動的

16、方向 而且電子有不同程度的能量損失 這種散射叫做非彈性散射第四章電子顯微鏡分析基礎第四章電子顯微鏡分析基礎3.1 幾種物理信息 高速運動的電子與原子核和核外電子發(fā)生彈性和非彈性散射過程 同時激發(fā)固體樣品產生不同性質的物理信息 了解這些物理信息的特點 才能設法檢測和利用它們 3.1.1 幾種電子信息 電子物理信息主要有：二次電子 背散射電子 吸收電子 透射電子 衍射電子等 第四章電子顯微鏡分析基礎（1）背散射電子 背散射電子是被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子 其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子 入射電子只受到原子核單次或很少幾次大角度彈性背散射后被反射回來 能量沒有或幾乎沒有發(fā)生變化

17、 這種電子叫做彈性背散射電子 還有一些電子與核外電子 特別是價電子作用 除電子運動方向改變 入射電子能量也不同程度地損失 這種電子叫做非彈性背散射電子第四章電子顯微鏡分析基礎背散射電子除了與樣品形貌有關外 還與樣品成分有密切關系 平均原子序數(shù)高的物相的背散射能力強 樣品中不同物相對入射電子的背散射能力與不同物相各自的平均原子序數(shù)大小有關 平均原子序數(shù)大的物相背散射能力大背散射系數(shù)就高 圖19.12表示背散射系數(shù)與原子序數(shù)的關系 圖19.12背散射系數(shù)(iB/ip與原子序數(shù)的關系)第四章電子顯微鏡分析基礎（2）二次電子 當以價電子為主的原子核外電子從入射電子那里獲得了大于相應的臨界電離激發(fā)結合能

18、的能量后 可離開原子變成自由電子 其中一種從樣品表面逸出 變?yōu)檎婵罩械淖杂呻娮?即二次電子 由于價電子結合能很小 高能量的入射電子被樣品吸收時可使樣品產生許多自由電子 其中價電子電離約占電離總數(shù)的90 所以 檢測到的二次電子 絕大部分是來自價電子的電離 二次電子能量比較低 一般小于50eV 大部分在23eV之間 二次電子的產生與樣品高低凹凸有密切的關系 所以可以用來觀察樣品形貌特點第四章電子顯微鏡分析基礎（3）吸收電子 隨著入射電子與樣品中原子核或核外電子發(fā)生非彈性散射次數(shù)的增多 電子的能量和活動能力不斷降低 以至最后被樣品吸收 吸收電子像是背散射電子像、二次電子像的負像 常常利用電流表探測這

19、種信號 可以監(jiān)視電子探針的電流穩(wěn)定度 第四章電子顯微鏡分析基礎（4）透射電子 如果樣品厚度比入射電子的有效穿透深度小的多 那么將會有相當數(shù)量的入射電子能穿透樣品 這些電子稱為透射電子 電子的穿透能力與加速電壓有關 加速電壓高 入射電子能量也高 穿透能力就強 透射電子是透射電子顯微鏡主要接收檢測的信息 透射電子應用于高倍形貌像觀察 高分辨的原子、分子和點陣格子像的觀察分析 以及電子衍射晶體結構分析 第四章電子顯微鏡分析基礎（5） 背散射電子、二次電子、吸收電子和透射電子的相互關系 如果樣品接地保持中性，那么入射電子激發(fā)固體樣品產生的四種電子信號強度與入射電子強度之間必然滿足以下關系： 式中ib為

20、背散射電子信號強度， is為二次電子信號強度， ia為吸收電子（或樣品電流）信號強度， it為透射電子強度。將上式可以改寫為： 式中 ，即背散射系數(shù)； ，即二次電子產額或稱發(fā)射系數(shù)； ，即吸收系數(shù)； ，即透 射系數(shù)。所以 。 當樣品足夠厚時，透射系數(shù)為0，因此 所以說，吸收系數(shù)、背散射系數(shù)和電子發(fā)射系數(shù)三者之間存在互補關系。第四章電子顯微鏡分析基礎3.1.2幾種X射線信息（1）特征X射線 電子束流轟擊固體樣品時 除了引起大量的價電子電離外 還會引起一定數(shù)量的內層電子激發(fā)或電離 使原子處于一種能量較高的激發(fā)狀態(tài) 這是一種不穩(wěn)定的狀態(tài) 較外層的電子會迅速地填補內層電子空位 使原子的能量降低而重新恢

21、復到穩(wěn)定的狀態(tài) 這種能級躍遷過程中發(fā)射出的這種具有特征能量和特征波長的電磁波 即特征X射線 第四章電子顯微鏡分析基礎電子探針分析中 主要利用K系的K、M系的M等 如圖所示 第四章電子顯微鏡分析基礎（2）連續(xù)X射線 連續(xù)X射線是由電子槍發(fā)射的高速電子束轟擊樣品時突然改變速率而產生的 電子束轟擊樣品 其中有些電子在一次碰撞中即被制止 從而立刻釋放出其所有能量 而大多數(shù)電子則會和樣品的原子碰撞多次 逐次喪失部分動能 直到完全耗盡為止 所以 當大量具有高速運動的電子束撞擊到樣品上時產生電磁脈沖 可以設想為是具有一系列連續(xù)波長的電磁波總和 將這種電磁脈沖分解為X射線波長 這些波長就具有連續(xù)分布的形式 連

22、續(xù)X射線有時也稱為軔致輻射 另外 能量高的背散射電子也會碰撞樣品室內壁產生一些連續(xù)X射線 第四章電子顯微鏡分析基礎連續(xù)X射線與特征X射線產生的原理是不同的 在電子探針定量分析中 連續(xù)X射線造成的背景是應該扣除的 第四章電子顯微鏡分析基礎（3）X熒光射線 如果以X射線作為激發(fā)源來照射樣品 樣品會發(fā)射次級X射線 這種射線叫做熒光X射線 熒光X射線的產生機理與特征X射線相同 只是前者采用了X射線作為激發(fā)源 而后者采用了高能量的電子作為激發(fā)源 因此從本質上看都是特征X射線 如圖19.14所示 第四章電子顯微鏡分析基礎 高能量的電子束轟擊樣品會產生特征X射線和連續(xù)X射線 在特征X射線從樣品中發(fā)射出來的過

23、程中 有一部分特征X射線會激發(fā)另一些元素的內層電子而產生次級特征X射線 這種由特征X射線激發(fā)出來的二次特征X射線 叫做特征X熒光射線 從樣品中發(fā)射出來的連續(xù)X射線也會激發(fā)一些二級X射線 叫做連續(xù)X熒光射線 電子探針定量分析的過程中 必須考慮X熒光射線效應的影響 進行X熒光校正 第四章電子顯微鏡分析基礎3.1.3 俄歇電子 當原子的內層電子在高能量的入射電子作用下電離后 處于激發(fā)態(tài)的原子恢復到穩(wěn)定態(tài) 可以經由兩種相競爭的過程： 1.較高能級上的電子充填內層空穴 多余的能量以特征X射線輻射釋放 第四章電子顯微鏡分析基礎2.內層空穴被釋放外層的電子充填 多余的能量以無輻射過程轟擊第二個電子 并使之發(fā)

24、射出來 這種電子稱為俄歇電子 這一過程即俄歇躍遷 圖19.15表示高能量的電子使原子的K電離激發(fā)后的俄歇躍遷過程 第四章電子顯微鏡分析基礎3.1.4 陰極熒光-(陰極發(fā)光) 一些不導電的樣品在高能電子作用下發(fā)射的可見光信號 叫做陰極熒光 它是由這些物質的價電子在受激態(tài)與基態(tài)之間進行能級躍遷直接釋放波長比較長、能量比較低的波 其能量在幾個至幾十個電子伏，波長在可見光波長范圍內 陰極熒光譜取決于發(fā)光物質 包括主體物質和雜質的價電子能級分布 因此 它可以用來測定一些物相的陰極熒光特點 是一種重要的鑒定方法第四章電子顯微鏡分析基礎3.1.5 電子束感生電效應 一個高能量的電子被固體樣品吸收時 將在樣品

25、中激發(fā)產生許多自由電子和相同數(shù)量的正離子 即所謂的電子空穴對 其中一部分自由電子離開樣品表面變成二次電子 但絕大部分自由電子將與離子化的原子復合 第四章電子顯微鏡分析基礎 對于金屬來說，復合的時間僅需10-12s左右；對于半導體來說，復合的時間有的長達幾秒鐘。這段時間內，樣品中形成多余的電荷載流子（自由電子和空穴），將對半導體有限的導電性產生很大的影響。 如樣品兩端加上由外接直流電源建立的電位差，這些多余的電荷載流子將向異性電極運動。在外接的電回路中，即可檢測到電流信號，即電子束感生電導信號，反映了在電子束作用下半導體電性發(fā)生了變化。 如果電荷載流子遇到某種障礙，例如位錯附近雜質原子聚集的區(qū)域

26、，將形成不同的電位。在不同部位之間出現(xiàn)的電位差，叫做電子束感生電壓信號。 對半導體材料和固體電路的研究，電子束感生電效應是非常有用的物理信號。第四章電子顯微鏡分析基礎2.2 不同物理信息產生的空間位置 在高能量的電子束作用下，固體樣品將在一定的空間區(qū)域產生各種物理信息。雖然各種物理信息的分布空間區(qū)域沒有嚴格界限，但是大體可以分出空間區(qū)域的不同。認識了解這些空間分布的特點，對利用各種物理信息有著重要的實際意義。在研究樣品表面特征、樣品形貌特征、樣品元素成分特點以及晶體結構特點時，都應充分考慮這種空間位置造成的影響。第四章電子顯微鏡分析基礎2.2.1 幾種物理信息產生的空間位置 圖19.16表示了各種物理信息空間分布特征，清楚了解不同物理信息產生的不同空間位置對電子顯微鏡分析學習是非常重要的。（1）俄歇電子的空間位置