第二章電子顯微分析前言

第二章電子顯微分析前言第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三前言材料的固有性質(zhì)、材料的結(jié)構(gòu)與成分、材料的使用性能和材料的合成與加工構(gòu)成材料研究的四大要素。任何一種材料的宏觀性能或行為，都是由其微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴(lài)于對(duì)材料性能和成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解；對(duì)材料在微觀層次上的表征技術(shù)，構(gòu)成了材料科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。用電子光學(xué)儀器對(duì)物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成份進(jìn)行研究的技術(shù)構(gòu)成電子顯微術(shù)。第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電子顯微分析：利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)，分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：可以在極高的分辨率下直接觀察試樣；位錯(cuò)水泥斷口第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：是一種微區(qū)分析方法，成像分辨率可達(dá)0.2~0.3nm，可以直接分辨原子，能夠在納米尺度上對(duì)晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分組成進(jìn)行分析。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三特點(diǎn)：日益向多功能化、綜合化方向發(fā)展，即可以進(jìn)行形貌，物相、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的綜合分析。第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電子顯微分析主要儀器：透射電子顯微鏡（TEM）是一種具有原子尺度分辨能力，能同時(shí)提供物理分析和化學(xué)分析所需全部功能的儀器。選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(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(lái)，再配以能譜或波譜進(jìn)行微區(qū)成份分析，得到全面的信息。第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三掃描電子顯微鏡（SEM）

SEM解釋試樣成像及制作試樣較容易；以較高的分辨率（3.5nm）和很大的景深，清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌，輻以多種方式給出微區(qū)成份等信息，用來(lái)觀察斷口表面微觀形態(tài)，分析研究斷裂的原因和機(jī)理，以及其它方面的應(yīng)用，為研究物體表面結(jié)構(gòu)及成份的利器。第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三電子探針（EPMA）是在掃描電鏡的基礎(chǔ)上配上波譜儀或能譜儀的顯微分析儀器，它可以對(duì)微米數(shù)量級(jí)側(cè)向和深度范圍內(nèi)的材料微區(qū)進(jìn)行相當(dāng)靈敏和精確的化學(xué)成份分析，基本上解決了鑒定元素分布不均勻的困難。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)電子顯微分析的發(fā)展電子顯微鏡本身結(jié)構(gòu)方面：1934年Ruska在實(shí)驗(yàn)室制作第一部穿透式電子顯微鏡transmissionelectronmicroscope，TEM)；1938年，第一部商售電子顯微鏡問(wèn)世。在1940年時(shí)，常用的50至100keV之TEM其分辨率(resolvingpower)約在l0nm左右，而最佳分辨率則在2至3nm之間。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

掃描電子顯微鏡

(scanningelectronmicroscope，SEM)

原理的提出與發(fā)展，約與TEM同時(shí);但直到1964年，第一部商售SEM才問(wèn)世。第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三TEM主要發(fā)展方向?yàn)椋?/p>

(一)高電壓：增加電子穿透試樣的能力，可觀察較厚、較具代表性的試樣；減少波長(zhǎng)像差，增加分辨率等，目前已有數(shù)部2～3MeV的TEM在使用中。(二)高分辨率：已增進(jìn)到廠家保證最佳解像能力為點(diǎn)與點(diǎn)間0.18nm、線與線間0.14nm。美國(guó)于1983年成立國(guó)家電子顯微鏡中心，其中l(wèi)000keV之原子分辨電子顯微鏡，其點(diǎn)與點(diǎn)間之分辨率達(dá)0.17nm，可直接觀察晶體中的原子。(三)分析裝置：如附加電子能量分析儀(electronanalyzer，EA)可鑒定微區(qū)域的化學(xué)組成。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(四)場(chǎng)發(fā)射電子光源:具高亮度及契合性，電子束可小至1nm。除適用于微區(qū)成份分析外，更有潛力發(fā)展三度空間全像術(shù)(holography、micro-analyzer，XPMA)等分析儀器，以辨別物質(zhì)表面的結(jié)構(gòu)及化學(xué)成分等。近年來(lái)將TEM與SEM結(jié)合為一，取二者之長(zhǎng)所制成的掃描穿透式電子顯微鏡(scanningtransmissionelectronmicroscope，STEM)亦漸普及。STEM附加各種分析儀器，如XPMA、EA等，亦稱(chēng)為分析電子顯微鏡(analyticalelectronMicroscope)。

第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析型透射電子顯微鏡第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析型透射電子顯微鏡第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三超高壓電鏡第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三緒論常用光電觀測(cè)儀器比較

近代材料學(xué)者利用電磁輻射或粒子與材料作用產(chǎn)生訊號(hào)來(lái)分析材料之構(gòu)造與缺陷。 常用分析儀器包括光學(xué)顯微鏡、X光衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長(zhǎng)，亦有短缺不足之處。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三緒論常用光電觀測(cè)儀器比較表1各種主要分析儀器之比較表儀器特性光學(xué)顯微鏡X光衍射儀電子顯微鏡質(zhì)波可見(jiàn)光X光電子波長(zhǎng)~5000

~1

0.037

(100kV)介質(zhì)空氣空氣真空(<

torr至

torr)鑒別率~2000

X衍射:

直接成像:~μm衍射:

直接成像：(a)點(diǎn)與點(diǎn)間1.8

(b)線與線間1.4

偏折聚焦鏡光學(xué)鏡片無(wú)電磁透鏡試片不限厚度反射：不限厚度穿透：~mm掃瞄式：僅受試樣基座大小影響穿透式：~1000

訊號(hào)類(lèi)表明區(qū)域統(tǒng)計(jì)平均局部微區(qū)域可獲資料表面微細(xì)結(jié)構(gòu)主要為晶體結(jié)構(gòu),化學(xué)組成晶體結(jié)構(gòu),微細(xì)組織,化學(xué)組成電子分布情況等第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SEM

第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SEM第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SEM第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三SEM第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)：研究帶電粒子（電子、離子）在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，特別是在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)、聚焦和成像規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三光學(xué)顯微鏡的分辨率

由于光波的波動(dòng)性，使得由透鏡各部分折射到像平面上的像點(diǎn)及其周?chē)鷧^(qū)域的光波發(fā)生相互干涉作用，產(chǎn)生衍射效應(yīng)。一個(gè)理想的物點(diǎn)，經(jīng)過(guò)透鏡成像時(shí)，由于衍射效應(yīng)，在像平面上形成的不再是一個(gè)像點(diǎn)，而是一個(gè)具有一定尺寸的中央亮斑和周?chē)靼迪嚅g的圓環(huán)所構(gòu)成的Airy斑。如圖5-1所示。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三透鏡分辨率測(cè)量結(jié)果表明Airy斑的強(qiáng)度大約84%集中在中心亮斑上，其余分布在周?chē)牧镰h(huán)上。由于周?chē)镰h(huán)的強(qiáng)度比較低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗環(huán)的半徑來(lái)衡量其大小。根據(jù)衍射理論推導(dǎo)，點(diǎn)光源通過(guò)透鏡產(chǎn)生的Airy斑半徑R0的表達(dá)式為：（5-1）通常把兩個(gè)Airy斑中心間距等于Airy斑半徑時(shí)，物平面上相應(yīng)的兩個(gè)物點(diǎn)間距（Δr0）定義為透鏡能分辨的最小間距，即透鏡分辨率（也稱(chēng)分辨本領(lǐng)）。由式5-1得：即（5-2）對(duì)于光學(xué)透鏡，當(dāng)n?sinα做到最大時(shí)（n≈1.5，α≈70-75°），式（5-2）簡(jiǎn)化為：

第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三有效放大倍數(shù)上式說(shuō)明，光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)主要取決于照明源的波長(zhǎng)。半波長(zhǎng)是光學(xué)顯微鏡分辨率的理論極限?？梢?jiàn)光的最短波長(zhǎng)是390nm，也就是說(shuō)光學(xué)顯微鏡的最高分辨率是≈200nm。一般地人眼的分辨本領(lǐng)是大約0.2mm，光學(xué)顯微鏡的最大分辨率大約是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm讓人眼能分辨的放大倍數(shù)是1000倍。這個(gè)放大倍數(shù)稱(chēng)之為有效放大倍數(shù)。光學(xué)顯微鏡的分辨率在0.2μm時(shí)，其有效放大倍數(shù)是1000倍。光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)可以做的更高，但是，高出的部分對(duì)提高分辨率沒(méi)有貢獻(xiàn)，僅僅是讓人眼觀察更舒服而已。所以光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)一般最高在1000-1500之間。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如何提高顯微鏡的分辨率根據(jù)式（5-3），要想提高顯微鏡的分辨率，關(guān)鍵是降低照明光源的波長(zhǎng)。順著電磁波譜朝短波長(zhǎng)方向?qū)ふ?，紫外光的波長(zhǎng)在13-390nm之間，比可見(jiàn)光短多了。但是大多數(shù)物質(zhì)都強(qiáng)烈地吸收紫外光，因此紫外光難以作為照明光源。更短的波長(zhǎng)是X射線。但是，迄今為止還沒(méi)有找到能使X射線改變方向、發(fā)生折射和聚焦成象的物質(zhì)，也就是說(shuō)還沒(méi)有X射線的透鏡存在。因此X射線也不能作為顯微鏡的照明光源。除了電磁波譜外，在物質(zhì)波中，電子波不僅具有短波長(zhǎng)，而且存在使之發(fā)生折射聚焦的物質(zhì)。所以電子波可以作為照明光源，由此形成電子顯微鏡。第30頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

電子波長(zhǎng)

根據(jù)德布羅意（deBroglie）的觀點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)的電子除了具有粒子性外，還具有波動(dòng)性。這一點(diǎn)上和可見(jiàn)光相似。電子波的波長(zhǎng)取決于電子運(yùn)動(dòng)的速度和質(zhì)量，即（5-4）式中，h為普郎克常數(shù)：h=6.626×10-34J.s；m為電子質(zhì)量；v為電子運(yùn)動(dòng)速度，它和加速電壓U之間存在如下關(guān)系：即（5-5）式中e為電子所帶電荷，e=1.6×10-19C。將（5-5）式和（5-4）式整理得：

（5-6