檢測方法發(fā)展歷史市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

1、材料當(dāng)代研究方法主講人：祖國胤 教授 博士生導(dǎo)師 課時數(shù)：32課時，包含4節(jié)試驗(yàn)課 課程類型：公共平臺課 考評方式：考試課（開卷）材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料加工系第1頁電子顯微鏡 (electron microscope，EM) 普通是指利用電磁場偏折、聚焦電子及電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生散射原理來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)及微細(xì)結(jié)構(gòu)精密儀器。近年來，因?yàn)殡娮庸鈱W(xué)理論及應(yīng)用發(fā)展快速，這一定義已顯示出其不足，當(dāng)前重新定義電子顯微鏡是利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生訊號來判定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)、微細(xì)組織 、化學(xué)成份、 化學(xué)鍵結(jié)合和電子分布情況電子光學(xué)裝置。緒 論第2頁用電子光學(xué)儀器研究物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成份技術(shù)稱為電子顯微技術(shù)。眾所

2、周知，當(dāng)代科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，要求材料科學(xué)工作者能夠及時提供含有良好力學(xué)性能結(jié)構(gòu)材料及含有各種物理化學(xué)性能功效材料。而材料性能往往取決于它微觀結(jié)構(gòu)及成份分布。所以，為了研究新材料或改進(jìn)傳統(tǒng)材料，必須以盡可能高分辨能力觀察和分析材料在制備、加工及使用條件下（包含相變過程中，外加應(yīng)力及各種環(huán)境原因作用下等）微觀結(jié)構(gòu)和微區(qū)成份改變，進(jìn)而揭示材料成份工藝微觀結(jié)構(gòu)性能之間關(guān)系規(guī)律，建立和發(fā)展材料科學(xué)基本理論。第3頁電子顯微技術(shù)發(fā)展歷史電子顯微鏡發(fā)展歷史可追溯至1897 年，英國科學(xué)家J.J. Thomson發(fā)覺了電子；到了 19，發(fā)覺X光衍射現(xiàn)象，經(jīng)Bragg深入研究，一舉奠定了X光波性和利用電磁波衍射決

3、定晶體結(jié)構(gòu)方法。1924 年， De Broglie 發(fā)表了質(zhì)波說；1926 年 Heisenberg等發(fā)展和豐富了量子力學(xué)，創(chuàng)建了電子波質(zhì)二元論理論基礎(chǔ)。電子既然含有波性，則也應(yīng)該有衍射現(xiàn)象; 1927 年美國 Davisson等以電子衍射試驗(yàn)證實(shí)了電子波性。 在電子顯微鏡結(jié)構(gòu)方面，最主要電磁透鏡源自J.J. Thomson作陰極射線管試驗(yàn)時觀察到電場及磁場可偏折電子束。后人深入發(fā)覺可借助電磁場聚焦電子，產(chǎn)生放大作用。電磁場對電子作用與光學(xué)透鏡對光波作用非常相同，因而發(fā)展出電磁透鏡。 第4頁 1934年，Ruska在試驗(yàn)室制作第一部穿透式電子顯微鏡(transmission electron

4、 microscope，TEM)， 1938 年，第一部商售電子顯微鏡問世。20世紀(jì)40年代，慣用50至100keV TEM分辨率約在l0nm左右，而最正確分辨率在2至3nm之間。當(dāng)初因?yàn)樵嚇又苽淅щy及缺乏應(yīng)用動機(jī)，所以極少被物理科學(xué)研究者使用。直到1949年，Heidenreich制成適于TEM觀察鋁及鋁合金薄膜，觀察到因厚度及晶體面不一樣所引發(fā)像對比效應(yīng)，并成功利用電子衍射理論加以解釋。由此取得一些與材料性質(zhì)相關(guān)主要結(jié)果，才使材料界人士對TEM看法有所改變。但因?yàn)橛^察用試樣制備困難，所以該技術(shù)發(fā)展遲緩。直到20世紀(jì)50年代中期，因?yàn)槌晒Φ夭扇EM觀察到不銹鋼中位錯，再加上制樣方法改進(jìn)，T

5、EM技術(shù)才得以廣泛應(yīng)用，成為一個主要材料分析伎倆。 第5頁(l) 試片研磨。 (2) TEM普通分辨率由2.5nm提升到數(shù)埃。 (3) 雙聚光鏡應(yīng)用可取得漫散射程度小、強(qiáng)度高、直徑在微米左右電子束，增加了TEM微區(qū)域觀察能力。 (4) 晶體中缺點(diǎn)電子衍射成像對比理論發(fā)展。 (5)試樣在TEM中處理，如傾斜、旋轉(zhuǎn)等裝置得到實(shí)際化應(yīng)用，克服了制樣存在困難。 透射電子顯微鏡發(fā)展第6頁 透射電子顯微鏡（TEM）是一個能夠以原子尺度分辨能力，同時提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功效儀器。尤其是選區(qū)電子衍射技術(shù)應(yīng)用，使得微區(qū)形貌與微區(qū)晶體結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進(jìn)行微區(qū)成份分析，能夠得到材料微觀全

6、方面信息。透射電子顯微鏡功效第7頁掃描式電子顯微鏡 (scanning electron microscope，SEM)原理提出與發(fā)展，約與TEM 同時；但直到1964年，第一部商售SEM才問世。因?yàn)镾EM是研究物體表面結(jié)構(gòu)及成份有效伎倆，試樣制作較輕易，當(dāng)前已被廣泛使用。掃描電子顯微鏡（SEM）含有較高分辯率和很大景深，可清楚地顯示粗糙樣品表面形貌，并以各種方式給出微區(qū)成份等信息，用來觀察斷口表面微觀形態(tài)，分析研究斷裂原因和機(jī)理，以及其它方面應(yīng)用。 第8頁 電子探針（EPMA）是在掃描電鏡基礎(chǔ)上配上波譜儀或能譜儀顯微分析儀器，它能夠?qū)ξ⒚讛?shù)量級側(cè)向和深度范圍內(nèi)材料微區(qū)進(jìn)行相當(dāng)靈敏和準(zhǔn)確化學(xué)成

7、份分析，基本上處理了判定元素分布不均勻困難。電子探針功效第9頁 電子束與物質(zhì)作用 圖1.1顯示電子與材料試樣作用所產(chǎn)生訊號。電子顯微鏡主要原理為在搜集、分辨各種訊號基礎(chǔ)上，經(jīng)過對應(yīng)處理，得到能夠反應(yīng)所分析試樣晶體結(jié)構(gòu)、微細(xì)組織、化學(xué)成份、化學(xué)鍵類型和電子分布情況有效信息。該類訊號可分為三類： (一) 電子訊號，又可細(xì)分為： 1.未散射電子（透射電子） 2.散射電子(包含彈性、非彈性反射和穿透電子及被吸收電子) 3.激發(fā)電子(包含二次電子及俄歇電子(Auger electron) 第10頁 X射線衍射儀 電子探針儀 掃描電鏡X 射 線 二次電子熒光輻射 入射電子 背散射電子陰極熒光 吸收電子 俄

8、歇電子 試 樣 透射電子 衍射電子 俄歇電鏡 透射電子顯微鏡 電子衍射儀圖13 電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生信息及對應(yīng)儀器第11頁電子顯微技術(shù)近年進(jìn)展 近年來TEM及SEM功效日新月異，TEM主要發(fā)展方向?yàn)椋?1.高電壓：增加電子穿透試樣能力，可觀察較厚、較具代表性試樣，現(xiàn)場觀察輻射損傷; 降低波長散布像差; 增加分辨率等。 2.高分辨率：已發(fā)展到廠家確保最正確解像能力為點(diǎn)與點(diǎn)間0.18nm、線與線間0.14nm。美國于1983年成立國家電子顯微鏡中心，其中，1000keV原子分辨電子顯微鏡其點(diǎn)與點(diǎn)間分辨率達(dá)0.17nm，可直接觀察晶體中原子。 3.分析裝置：如附加電子能量分析儀，可判定微區(qū)域化學(xué)組

9、成。 4.場發(fā)射電子光源: 含有高亮度及契合性，電子束可小至1 nm。第12頁 SEM方面，首先提升分辨率，同時在SEM上附加諸如X射線探測微分析儀等分析儀器，以區(qū)分物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)及化學(xué)成份等。 近年來，電子顯微鏡發(fā)展趨勢表現(xiàn)為將TEM與SEM結(jié)合為一，取二者之長制成掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electron microscope，STEM) ，其分析功效愈加強(qiáng)大，可全方面得到各種有效信息，這種儀器也被稱為分析電子顯微鏡 (analytical electron Microscope) 。第13頁第14頁電子顯微鏡與光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀特征 及功效比較 近代，從事材料科學(xué)研究人員利用許多波性粒子與材料作用產(chǎn)生訊號來分析材料結(jié)構(gòu)與缺點(diǎn)。慣用分析儀器包含光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長，同時也各有不足之處。以下將以上三種分析儀器特征、功效及適用范圍進(jìn)行歸納對比，最有效分析方法在于適宜地配合使用各種儀器，從而到達(dá)研究目標(biāo)。第15頁主要分析儀器比較儀器類別光學(xué)顯微鏡X射線衍射儀電子顯微鏡質(zhì)波可見光X 光電子波 長390760nm 0.001100nm 0.0007nm(加速電壓1000kV)介質(zhì)空氣空氣真 空分辨率最高到達(dá)200nm，有效放大倍率1000倍X射線衍射: 直接成像: