現(xiàn)代研究方法筆記電子版

掃描電鏡的特點1.成像立體感強2.放大倍數(shù)變化范圍大3.分辨率高4.對樣品的輻射損傷輕、污染小5.對觀察的樣品具有廣泛的適應(yīng)性6.可進(jìn)行多種功能的分析7.可以通過電子學(xué)方法有效地控制和改善圖像的質(zhì)量8.可使用加熱、冷卻和拉伸等樣品臺進(jìn)行動態(tài)試驗，觀察在不同環(huán)境條件下的相變及形態(tài)變化等。掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的工作原理是由電子槍發(fā)射出來的電子束（直徑約50μm）在加速電壓的作用下經(jīng)過磁透鏡系統(tǒng)會聚，形成直徑為5nm的電子束，聚焦在樣品表面上。在第二聚光鏡和物鏡之間的偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，電子束在樣品上做光柵狀掃描，電子和樣品相互作用，產(chǎn)生信號電子。這些信號電子經(jīng)探測器收集并轉(zhuǎn)換為光子，再通過電信號放大器加以放大處理，最終成像在顯示系統(tǒng)上。掃描電鏡能完成：表（界）面形貌分析；配置各種附件，做表面成分分析及表層晶體學(xué)位向分析等。掃描電鏡的成像原理，和透射電鏡大不相同，它不是采用電磁透鏡來進(jìn)行放大成像，而是象閉路電視系統(tǒng)那樣，逐點逐行掃描成像。由三極電子槍發(fā)射出來的電子束，在加速電壓作用下，經(jīng)過2-3個電子透鏡聚焦后，在樣品表面按順序逐行進(jìn)行掃描，激發(fā)樣品產(chǎn)生各種物理信號，如二次電子、背散射電子、吸收電子、透射電子、X射線、俄歇電子等。供給電子光學(xué)系統(tǒng)使電子束偏向的掃描線圈的電源也是供給陰極射線顯像管的掃描線圈的電源，此電源發(fā)出的鋸齒波信號同時控制兩束電子束作同步掃描。因此，樣品上電子束的位置與顯像管熒光屏上電子束的位置是一一對應(yīng)的。背散射電子

它是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子。又分彈性背散射電子和非彈性背散射電子，前者是指只受到原子核單次或很少幾次大角度彈性散射后即被反射回來的入射電子，能量沒有發(fā)生變化；后者主要是指受樣品原子核外電子多次非彈性散射而反射回來的電子。背散射電子來自樣品表層幾百納米的深度范圍。由于它的產(chǎn)額能隨樣品原子序數(shù)增大而增多。所以不僅能用作形貌分析，而且可以用來顯示原子序數(shù)襯度，定性地用作成分分析。二次電子

它是被入射電子轟擊出來的樣品核外電子，又稱為次級電子。

二次電子的能量比較低，一般小于50eV；背散射電子的能量比較高，其約等于入射電子能量E0。

在樣品上方裝一個電子檢測器來檢測不同能量的電子，結(jié)果如下圖所示。二次電子一般都是在表層5一10nm深度范圍內(nèi)發(fā)射出來的，它對樣品的表面形貌十分敏感，因此，能非常有效地顯示樣品的表面形貌。二次電子的產(chǎn)額和原子序數(shù)之間沒有明顯的依賴關(guān)系，所以不能用來進(jìn)行成分分析。透射電子

它是入射束的電子透過樣品而得到的電子。它僅僅取決于樣品微區(qū)的成分、厚度、晶體結(jié)構(gòu)及位向等。樣品質(zhì)量厚度越大，則透射系數(shù)越小，而吸收系數(shù)越大；樣品背散射系數(shù)和二次電子發(fā)射系數(shù)的和也越大，但達(dá)一定值時保持定值。特征X射線特征X射線是原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)之后，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特征能量和波長的一種電磁波輻射。掃描電鏡由六個系統(tǒng)組成

(1)電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒）由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。

(2)掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)是掃描電鏡的特殊部件，它由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。

(3)信號收集系統(tǒng)掃描電鏡應(yīng)用的物理信號可分為：1)電子信號，包括二次電子、背散射電子、透射電子和吸收電子。吸收電子可直接用電流表測，其他電子信號用電子收集器；2)特征X射線信號，用X射線譜儀檢測；3)可見光訊號（陰極熒光），用可見光收集器。常見的電子收集器是由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增管組成的部件。收集二次電子時，為了提高收集有效立體角，常在收集器前端柵網(wǎng)上加上+250V偏壓，使離開樣品的二次電子走彎曲軌道，到達(dá)收集器。同時，為了擋住二次電子進(jìn)入收集器，在柵網(wǎng)上加上-250V的偏壓。

(4)圖像顯示和記錄系統(tǒng)

(5)真空系統(tǒng)

(6)電源系統(tǒng)掃描電鏡的真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的作用與透射電鏡的相同4.掃描電鏡的主要性能(1)放大倍數(shù)掃描電鏡的放大倍數(shù)可用表達(dá)式M=AC/AS式中AC是熒光屏上圖像的邊長，AS是電子束在樣品上的掃描振幅。目前，大多數(shù)商品掃描電鏡放大倍數(shù)為20-200000倍，介于光學(xué)顯微鏡和透射電鏡之間。(2)分辨本領(lǐng)SEM的分辨本領(lǐng)與以下因素有關(guān)：1)入射電子束束斑直徑入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。熱陰極電子槍的最小束斑直徑6nm，場發(fā)射電子槍可使束斑直徑小于3nm。2)入射束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)

電子束打到樣品上，會發(fā)生散射，擴(kuò)散范圍如同梨狀或半球狀。入射束能量越大，樣品原子序數(shù)越小，則電子束作用體積越大。粉末樣品的制備對于觀察化學(xué)成分襯度(背散射電子像，吸收電子像和特征X射線掃描像)的樣品，表面必須拋光。景深

透鏡物平面允許的軸向厚度偏差稱為透鏡的景深。SEM景深很大。它的景深取決于分辨本領(lǐng)和電子束入射半角ac。由圖可知，掃描電鏡的景深F為

因為ac很小，所以上式可寫作用背散射電子進(jìn)行成分分析時，為了避免形貌襯度對原子序數(shù)襯度的干擾，被分析的樣品只進(jìn)行拋光，而不必腐蝕。如果應(yīng)用從物質(zhì)中所激發(fā)出的特征X射線來進(jìn)行材料的元素分析，則這種分析稱為X射線分析技術(shù)。該技術(shù)可分為X射線波譜分析法(WDS>,X射線能譜分析(EDS)和X射線熒光分析法(XFS)三種，其中WDS和EDS適宜進(jìn)行微區(qū)的元素分析，因此這兩種分析方法又稱為X射線顯微分析技術(shù)。莫塞萊（Mosely）定律高能電子束入射樣品表面激發(fā)產(chǎn)生的特征X射線具有特征波長和特征能量，其波長的大小、能量的高低遵循莫塞萊定律，即：v1/2=R(Z-σ)（1）λ=C/v（2）ε=hv（3）式中，v為X射線的頻率；Z為原子序數(shù)；R、σ為常數(shù)，且σ約等于1；C為X射線的速度；h為普朗克常數(shù)；λ為特征X射線的波長；ε為特征X射線的能量。\布拉格衍射定律假如有一塊晶體，已知其平行于晶體表面的晶面間距為d，對于不同波長λ的X射線只有在滿足一定的入射條件（入射角θ）下，才能發(fā)生強烈衍射，即：2dsinθ=nλ(n=1,2,3…)若忽略n>1的高級衍射的干擾，對于任意一個特定的入射角θ，只有一個確定的波長λ滿足衍射條件。若連續(xù)地改變θ角，則可以在與入射方向成2θ角的相應(yīng)方向上接收到各種單一波長的X射線信號，從而展示適當(dāng)波長范圍內(nèi)的全部X射線譜，這就是波譜儀波長分散的基本原理。X射線波普分析特點X射線波譜分析法的特點是適于做成分的定量分析和元素分布濃度掃描，但要求被分析試樣表面光滑。分析元素范圍從Be到U，分析區(qū)域尺寸可以少到1μm的塊狀試樣，重量濃度分析靈敏度大約是0.01%-0.001%，定量分析的精度為士（2-5）%，在某種情況下可優(yōu)于1%。但是，采用X射線波譜分析法分析時電子束流大，會對樣品造成較大的污染和損傷；分析速度慢，占據(jù)空間大；不能同時進(jìn)行全元素分析。間接樣品(復(fù)型)的制備對復(fù)型材料的主要要求：①復(fù)型材料本身必須是“無結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；②有足夠的強度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。③復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是非晶碳膜和各種塑料薄膜直接樣品的制備粉末樣品制備粉末樣品制備的關(guān)鍵是如何將超細(xì)粉的顆粒分散開來，各自獨立而不團(tuán)聚。膠粉混合法：支持膜分散粉末法：為了提高分光效率，要求分光晶體不僅能分光，而且還能使衍射的X射線聚焦，為此，常采用彎曲分光系統(tǒng)，即把分光晶體作適當(dāng)?shù)膹椥詮澢?，并使射線源、彎曲晶體表面和檢測管口位于同一個圓周上（稱羅蘭圓或聚焦圓），就可以使分光晶體處處滿足同樣的衍射條件，整個晶體只收集一種波長的X射線，達(dá)到衍射束聚焦的目的，提高單一波長的X射線的收集效率。制樣方法如下:為了把試樣表面磨平，可以用細(xì)金剛砂代替氧化鋁粉作拋光劑，這樣可以得到更平的表面。試樣表面經(jīng)拋光后應(yīng)充分清洗，不使拋光劑留在表面，最好用超聲波清洗。如果試樣表面要經(jīng)過金相腐蝕后才能確定被分析部位，則可以采用淺腐蝕以確定分析位置，再在其周圍打上顯微硬度作為標(biāo)記，然后拋掉腐蝕層，再進(jìn)行分析。對易氧化樣品，制備好后應(yīng)及時分析，不宜在空氣中放置過久。對于導(dǎo)電試樣，如果樣品的尺寸過小，則可把它用鑲嵌材料壓成金相試塊，再對被分析表面磨光。所采用的鑲嵌材料應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性和一定的硬度。對于非導(dǎo)體的樣品，需要在其表面噴上一層碳、鋁、鉻、金等導(dǎo)電膜。X射線能譜分析原理利用多道脈沖高度分析器把試樣所產(chǎn)生的X射線譜按能量的大小順序排列成特征峰譜，根據(jù)每一種特峰所對應(yīng)的能量鑒定化學(xué)元素。能譜儀一般都是作為SEM或TEM的附件使用的，除與主機共用部分(電子光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng))外，X射線探測器、多道脈沖高度分析器是它的主要部件。能譜儀的主要優(yōu)點(1)分析速度快:能譜儀可以瞬時接收和檢測所有不同能量的X射線光子信號，故可在幾分鐘內(nèi)分析和確定樣品中含有的所有元素(Be窗:11Na-92U，超薄窗:4Be-92U)。(2)靈敏度高:X射線收集立體角大，由于能譜儀中Si(Li)探頭不采用聚焦方式，不受聚焦圓的限制，探頭可以靠近試樣放置，信號無需經(jīng)過晶體衍射，其強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高。此外，能譜儀可在低入射電子束流(10-11A)條件下工作，這有利于提高分析的空間分辨率。(3)譜線重復(fù)性好:由于能譜儀沒有運動部件，穩(wěn)定性好，且沒有聚焦要求，所以譜線峰值位置的重復(fù)性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析。能譜儀的主要缺點1)能量分辨率低、峰背比低。EDS的能量分辨率在130eV左右，這比WDS的能量分辨率(5eV)低得多，譜線的重疊現(xiàn)象嚴(yán)重，因此，EDS分辨具有相近能量的特征x射線的能力差。由于能譜儀的探頭直接對著樣品，所以由背散射電子或X射線所激發(fā)產(chǎn)生的熒光X射線信號也同時檢測到，從而使得Si(Li)檢測器檢測到的特征譜線在強度提高的同時，背底也相應(yīng)提高，因而峰背比低，使EDS所能檢測的元素的最低濃度是WDS的10倍。(2)工作條件要求嚴(yán)格:Si(Li)探頭必須保持在液氦冷卻的低溫狀態(tài)，即使是在不工作時也不能中斷，否則晶體內(nèi)的鋰原子會擴(kuò)散、遷移，導(dǎo)致探頭功能下降甚至失效。透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡是利用電子的波動性來觀察固體材料內(nèi)部的各種缺陷和直接觀察原子結(jié)構(gòu)的儀器。透射電鏡主要結(jié)構(gòu)電鏡的基本組成包括電子槍（光源）與加速級管、聚光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、放大系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。光路上主要由各種磁透鏡和光闌組成.電子光學(xué)系統(tǒng)近代大型電子顯微鏡從結(jié)構(gòu)上看，和光學(xué)透鏡非常類似。1）照明部分（1）陰極：又稱燈絲，一般是由0.03~0.1毫米的鎢絲作成V或Y形狀。（2）陽極：加速從陰極發(fā)射出的電子。為了安全，一般都是陽極接地，陰極帶有負(fù)高壓。（3）控制極：會聚電子束；控制電子束電流大小，調(diào)節(jié)象的亮度。聚光鏡：有增強電子束密度和再一次將發(fā)散的電子會聚起來的作用電子槍的類型有熱發(fā)射和場發(fā)射兩種，大多用鎢和六硼化鑭材料發(fā)射槍的電子發(fā)射是通過外加電場將電子從槍尖拉出來實現(xiàn)的。在很大程度上縮小了發(fā)射表面。通過調(diào)節(jié)外加電壓可控制發(fā)射電流和發(fā)射表面。成象放大部分這部分由試樣室、物鏡、中間鏡、投影鏡等組成。物鏡：電鏡的最關(guān)鍵的部分，其作用是將來自試樣不同點同方向同相位的彈性散射束會聚于其后焦面上，構(gòu)成含有試樣結(jié)構(gòu)信息的散射花樣或衍射花樣；將來自試樣同一點的不同方向的彈性散射束會聚于其象平面上，構(gòu)成與試樣組織相對應(yīng)的顯微象。透射電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。中間鏡的物平面與物鏡的像平面重合，在此平面裝有一可變的光闌，稱為選區(qū)光闌。由于電子帶電，會與磁力線相互作用，而使電子束在線圈的下方聚焦。只要改變線圈的勵磁電流，就可以使電鏡的放大倍數(shù)連續(xù)變化。分辨率提高加速電壓可以提高分辨率。已有300kV以上的商品高壓(或超高壓)電鏡，高壓不僅提高了分辨率，而且允許樣品有較大的厚度，推遲了樣品受電子束損傷的時間。但高加速電壓意味著大的物鏡，放大倍數(shù)透射電鏡最大的放大倍數(shù)等于肉眼分辨率(約0.2mm)除以電鏡的分辨率0.2nm，因而在106數(shù)量級以上。成像的影響因素a．樣品越厚，圖像越暗；b．原于序數(shù)越大，圖像越暗；c．密度越大，圖像越暗透射電鏡需要兩部分電源：一是供給電子槍的高壓部分，二是供給電磁透鏡的低壓穩(wěn)流部分。電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個極為重要的標(biāo)志。所以，對供電系統(tǒng)的主要要求是產(chǎn)生高穩(wěn)定的加速電壓和各透鏡的激磁電流。散射可分為彈性和非彈性兩類，其中彈性散射是電子衍射的基礎(chǔ)。非彈性散射與彈性散射的比值由原子序數(shù)Z決定，即電子在物質(zhì)中的非彈性散射部分僅為彈性部分的1/Z，這是因為原子核內(nèi)電荷集中，具有較大的散射能力。原子序數(shù)愈大的原子，非彈性散射的比例愈小，彈性散射的比例愈大。透射電鏡樣品制備(1)取樣：用砂輪片、金屬絲鋸或電火花切割等方法從大塊試樣上切取厚度為0.5mm左右的“薄塊“。(2)預(yù)先減?。河脵C械研磨、化學(xué)拋光或電解拋光等方法將“薄塊”試樣預(yù)先減薄至0.1mm左右的“薄片”(3)最終減?。阂话銇碚f，機械研磨的損傷層較大，因此最終減薄時不用機械方法，而用某些特殊的電解拋光或離子轟擊等技術(shù)將“薄片”最終減薄到<2000埃的“薄膜”入射離子束與試樣表面的夾角（入射角）是一個重要的控制參量，在其他參量不變的條件下，它決定了等離子體穿透的深度和試樣薄