材料現(xiàn)代研究方法掃描電鏡

（優(yōu)選）材料現(xiàn)代研究方法掃描電鏡當前第1頁\共有76頁\編于星期六\7點引言掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡，英文縮寫為SEM(ScanningElectronMicroscope)。自從1965年劍橋科學儀器公司制造了世界上第一臺商用掃描電子顯微鏡以來，得到了迅速的發(fā)展。與光學顯微鏡相比，掃描電鏡大大提高了分辨率和景深（大約是光學顯微鏡景深的300倍）。掃描電鏡是用細聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對樣品表面或斷口形貌進行觀察和分析。現(xiàn)在SEM都與能譜儀（EDS）組合，可以進行成分分析。所以，SEM也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學等領(lǐng)域。當前第2頁\共有76頁\編于星期六\7點5.1掃描電鏡的工作原理掃描電鏡的工作原理如下圖，由電子槍發(fā)射出來的電子束（直徑為50微米），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)換成光子，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。掃描電鏡的工作原理與光學顯微鏡不同：在光學顯微鏡下，全部圖象一次顯示，是“靜態(tài)的”；而掃描電鏡是把來自二次電子的圖像信號作為時像信號，將一點一點的畫面“動態(tài)”地形成三維的圖像。當前第3頁\共有76頁\編于星期六\7點掃描電鏡的工作原理圖當前第4頁\共有76頁\編于星期六\7點掃描電鏡的工作原理圖當前第5頁\共有76頁\編于星期六\7點東北大學SSX-550型掃描電子顯微鏡當前第6頁\共有76頁\編于星期六\7點5.2掃描電鏡成像的物理信號掃描電鏡成像所用的物理信號是電子束轟擊固體試樣而激發(fā)產(chǎn)生的。一束細聚焦的電子束轟擊試樣表面時，入射電子與試樣的原子核和核外電子將產(chǎn)生彈性或非彈性散射作用，并激發(fā)出反映試樣形貌、結(jié)構(gòu)和組成的各種信息，有：二次電子、背散射電子、陰極發(fā)光、特征X射線、俄歇過程和俄歇電子、吸收電子、透射電子等。當前第7頁\共有76頁\編于星期六\7點樣品入射電子

俄歇電子

陰極發(fā)光背散射電子二次電子特征X射線透射電子

當前第8頁\共有76頁\編于星期六\7點1.背散射電子背散射電子是被固體樣品中原子反射回來的一部分入射電子，又叫反射電子或初級背散射電子。它的能量損失較小，能量值接近入射電子的能量。這種電子是入射電子深入到樣品內(nèi)部后被反射回來的，所以它在樣品中產(chǎn)生區(qū)域較大（約為1μm）。背散射電子像與樣品的原子序數(shù)有關(guān)，與樣品的表面形貌也有一定關(guān)系，所以可以用雙探測器獲得背散射電子的組成像和形貌像。2.二次電子二次電子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。從樣品得到的二次電子產(chǎn)率既與樣品成分有關(guān)，又與樣品的表面形貌有更密切的關(guān)系，所以它是研究樣品表面形貌最佳的根據(jù)，通常所說的掃描電子像就是指二次電子像。當前第9頁\共有76頁\編于星期六\7點3.特征X射線入射電子打在核外電子上，把原子的內(nèi)層電子（如K層）打到原子之外，使原子電離，鄰近殼層的電子（如L層）填充電離出的電子穴位，同時釋放出X射線，該X射線的能量為兩個殼層的能量差。ΔE=EK-EL由于各元素的各個電子能級能量為確定值，所以此時釋放出的X射線叫特征X射線。分析特征X射線的波譜和能譜就可以研究樣品的元素和組成成分。當前第10頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第11頁\共有76頁\編于星期六\7點4.俄歇電子樣品原子中的內(nèi)層（如K層）電子被入射電子激發(fā)時樣品發(fā)生了弛豫過程，多余的能量除發(fā)射特征X射線外，還可以使較外層（如L層）的兩個電子相互作用后，一個跳到內(nèi)層填充空穴，另一個獲得能量離開原子成為俄歇電子。不同的元素的俄歇電子能量有不同的特定數(shù)值，分析俄歇電子能譜就可以確定樣品組成元素。5.陰極發(fā)光有些固體受電子束照射后，價電子被激發(fā)到高能級或能帶中，被激發(fā)的材料同時產(chǎn)生弛豫發(fā)光，這種光稱為陰極熒光，其波長是紅外光、可見光或紫外光，也可用來作為信號電子。用它可以研究礦物中的發(fā)光微粒、發(fā)光半導體材料中的晶格缺陷和熒光物質(zhì)的均勻性等。當前第12頁\共有76頁\編于星期六\7點各種物理信號的作用深度

可以產(chǎn)生信號的區(qū)域稱為有效作用區(qū)，有效作用區(qū)的最深處為電子有效作用深度。但在有效作用區(qū)內(nèi)的信號并不一定都能逸出材料表面、成為有效的可供采集的信號。這是因為各種信號的能量不同，樣品對不同信號的吸收和散射也不同。隨著信號的有效作用深度增加，作用區(qū)的范圍增加，信號產(chǎn)生的空間范圍也增加，這對于信號的空間分辨率是不利的。

當前第13頁\共有76頁\編于星期六\7點從圖中可以看出，俄歇電子的穿透深度最小，一般穿透深度小于1nm，二次電子小于10nm。這就是說不同的物理信號來自不同的深度和廣度，這樣，入射束有效束斑直徑隨物理信號不同而異，分別等于或大于入射斑的尺寸。因此，用不同的物理信號調(diào)制的掃描像有不同的分辨本領(lǐng)。二次電子掃描像分辨本領(lǐng)最高，約等于入射電子束直徑，一般為6~10nm，背散射電子為50~200nm，吸收電子和X射線為100~1000nm。當前第14頁\共有76頁\編于星期六\7點掃描電鏡由五個系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)的主要作用簡介如下。1.電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)即鏡筒，由電子槍、聚光鏡、物鏡和樣品室等部件組成。它的作用是將來自電子槍的電子束聚焦成亮度高、直徑小的入射束(直徑一般為10nm或更小)來轟擊樣品，使樣品產(chǎn)生各種物理信號。2.掃描系統(tǒng)掃描系統(tǒng)由掃描發(fā)生器和掃描線圈組成。它的作用是使入射電子束在樣品表面掃描，并使陰極射線顯像管電子束在熒光屏上作同步掃描，同時改變?nèi)肷涫跇悠繁砻娴膾呙枵穹?，可改變掃描像的放大倍?shù)。5.3掃描電鏡的結(jié)構(gòu)當前第15頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第16頁\共有76頁\編于星期六\7點3.信號收集及顯示系統(tǒng)檢測樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號。普遍使用的是電子收集器，它由閃爍體，光導管和光電倍增器所組成。其作用是將電子信號收集起來，然后成比例地轉(zhuǎn)換成光信號，經(jīng)放大后再轉(zhuǎn)換成電信號輸出，這種信號就用來作為掃描像的調(diào)制信號。另外X射線信號用X射線譜儀檢測。當前第17頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第18頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第19頁\共有76頁\編于星期六\7點4.圖像顯示和記錄系統(tǒng)這系統(tǒng)的作用是將信號收集器輸出的信號成比例地轉(zhuǎn)換成陰極射線顯像管電子束強度的變化，這樣就在熒光屏上得到一幅與樣品掃描點產(chǎn)生的某一種物理訊號成正比例的亮度變化的掃描像。5.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是為保證電子光學系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度，一般情況下要求保持10-4-10-5Torr的真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)的安全保護電路所組成，其作用是提供掃描電鏡各部分所需的電源。當前第20頁\共有76頁\編于星期六\7點5.4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)可用表達式：M=Ac/As來計算，其中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。一般地，Ac是固定的(通常為100mm)，這樣就可簡單地通過改變As來改變放大倍數(shù)，通常大多數(shù)商用掃描電鏡放大倍數(shù)為20~20000倍。且連續(xù)可調(diào)。不過，放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效放大倍率和分析樣品的需要進行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.1mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M＝0.1106nm5nm=20000（倍）。如果選擇高于20000倍的放大倍率，不會增加圖像細節(jié)，只是虛放，一般無實際意義。放大倍率是由分辨率制約，不能盲目看儀器放大倍率指標。當前第21頁\共有76頁\編于星期六\7點2.分辨率分辨率是指能分辨兩點之間的最小距離。對掃描電鏡來說，入射電子束束斑直徑是掃描電鏡分辨本領(lǐng)的極限。如束斑為10nm，那么分辨率最高也是10nm，一般配備的熱陰極電子槍的掃描電鏡的最小束斑直徑可縮小到6nm，相應(yīng)的儀器最高分辨本領(lǐng)也就是6nm左右。如前所述，用不同的物理信號調(diào)制的掃描像有不同的分辨本領(lǐng)。二次電子掃描像分辨本領(lǐng)最高，約等于入射電子束直徑，一般為6~10nm，背散射電子為50~200nm，吸收電子和X射線100~1000nm。當前第22頁\共有76頁\編于星期六\7點3.景深掃描電鏡以景深大而著名。景深是指一個透鏡對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的一個能力范圍。掃描電鏡的景深F(單位為μm)為：其中d0為分辨本領(lǐng)，αc為電子束入射半角。一般情況下，SEM景深比TEM大10倍，比光學顯微鏡（OM）大100倍。如10000倍時,TEM:1m，SEM:10m,100倍時，OM:10m，SEM=1000m。當前第23頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第24頁\共有76頁\編于星期六\7點多孔SiC陶瓷的二次電子像當前第25頁\共有76頁\編于星期六\7點5.5掃描電鏡的像襯度所謂襯度，即是像面上相鄰部份間的黑白對比度或顏色差。掃描電鏡襯度的形成主要是基于樣品微區(qū)諸如表面形貌、原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等方面存在差異。入射電子與之相互作用，產(chǎn)生各種特征信號，其相度就存在著差異，最后反映到顯像管熒光屏上的圖像就有一定的襯度。二次電子像背散射電子像當前第26頁\共有76頁\編于星期六\7點1.二次電子像如前所述，入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱二次電子。二次電子能量比較低，習慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱為二次電子，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。

當前第27頁\共有76頁\編于星期六\7點二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對樣品表面形貌變化敏感的物理信號作為調(diào)節(jié)信號得到的一種象襯度。因為二次電子信號主要來處樣品表層5－10nm的深度范圍，它的強度與原子序數(shù)沒有明確的關(guān)系，便對微區(qū)表面相對于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。在掃描電鏡中，二次電子檢測器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上。當前第28頁\共有76頁\編于星期六\7點凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子，用二次電子探測器很容易全部被收集，所以二次電子圖像無陰影效應(yīng)，二次電子易受樣品電場和磁場影響。二次電子的產(chǎn)額：δ∝K/cosθK為常數(shù)，θ為入射電子與樣品表面法線之間的夾角。θ角越大，二次電子產(chǎn)額越高，反映到顯像管熒光屏上就越亮，這表明二次電子對樣品表面狀態(tài)非常敏感。當前第29頁\共有76頁\編于星期六\7點形貌襯度原理當前第30頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第31頁\共有76頁\編于星期六\7點2.背散射電子像

背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E0)。背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號的強度與樣品的化學組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。當前第32頁\共有76頁\編于星期六\7點背散射電子的信號強度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為

式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。

當前第33頁\共有76頁\編于星期六\7點背散射電子像的形成，就是因為樣品表面上平均原子序數(shù)Z大的部位而形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強的背散射電子信號；而平均原子序數(shù)較小的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。當前第34頁\共有76頁\編于星期六\7點MoSi2-Si3N4復合材料背散射掃描電鏡圖42當前第35頁\共有76頁\編于星期六\7點兩種圖像的對比錫鉛鍍層的表面圖像（左）二次電子圖像（右）背散射電子圖像5082當前第36頁\共有76頁\編于星期六\7點5.6掃描電鏡試樣的制備掃描電鏡的最大優(yōu)點是樣品制備方法簡單，對導電的金屬和陶瓷等塊狀樣品，只需將它們切割成大小合適的尺寸，用導電膠將其粘接在電鏡的樣品座上即可直接進行觀察。對于非導電樣品如塑料、礦物等，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷堆積，影響入射電子束斑和樣品發(fā)射的二次電子運動軌跡，使圖像質(zhì)量下降。因此這類試樣在觀察前要噴鍍導電層進行處理，通常采用二次電子發(fā)射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導電層，膜厚控制在20nm左右。當前第37頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第38頁\共有76頁\編于星期六\7點對于不容易分散的粉狀試樣，一般采用超聲波振蕩分散。對于固體陶瓷試樣，一般采用熱侵蝕方法，使其晶粒和晶界清晰。對于金屬試樣，也可采用化學侵蝕方法，便于觀察晶界。當前第39頁\共有76頁\編于星期六\7點5.7掃描電鏡結(jié)果分析示例β—Al2O3試樣高體積密度與低體積密度的形貌像2200×拋光面當前第40頁\共有76頁\編于星期六\7點斷口分析典型的功能陶瓷沿晶斷口的二次電子像，斷裂均沿晶界發(fā)生，有晶粒拔出現(xiàn)象，晶粒表面光滑，還可以看到明顯的晶界相。當前第41頁\共有76頁\編于星期六\7點粉體形貌觀察α—Al203團聚體(a)和團聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài)(b)(a)300×(b)6000×當前第42頁\共有76頁\編于星期六\7點鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×當前第43頁\共有76頁\編于星期六\7點第六章電子探針顯微分析電子探針顯微分析（electronprobemicroanalysis），縮寫為EPMA。電子探針儀是一種微區(qū)成分分析儀器，它利用被聚焦成小于1μm的高速電子束轟擊樣品表面，由X射線波譜儀或能譜儀檢測從試樣表面有限深度和側(cè)向擴展的微區(qū)體積內(nèi)產(chǎn)生的特征X射線的波長和強度，從而得到體積約為1μm3微區(qū)的定性和定量的化學成分。當前第44頁\共有76頁\編于星期六\7點6.1EPMA的工作原理電子探針儀的構(gòu)造和掃描電鏡相似當前第45頁\共有76頁\編于星期六\7點EPMA與SEM的結(jié)構(gòu)和原理大體相同，只是增加了接收記錄X射線的譜儀。EPMA使用的X射線譜儀有波譜儀和能譜儀兩類。但近年來人們也在掃描電鏡上安裝了波譜儀或能譜儀，使其能進行微區(qū)成分檢測。因此目前商用的掃描電鏡一般都屬于掃描電鏡-電子探針組合型儀器。當前第46頁\共有76頁\編于星期六\7點EPMA與SEM的不同點入射電子束束流強度不同對于電子探針來說電子束相對樣品表面的入射角要固定，入射電子束流強度要高，一般為10-8~10-6A；對于掃描電鏡，則完全相反，入射電子束束流強度一般為10-12~10-9A，這樣才能使入射電子束斑直徑小于100nm以下，以保證形貌圖象有較高的分辨本領(lǐng)。組合型電子束束流強度通常為10-13~10-5A。當前第47頁\共有76頁\編于星期六\7點6.2EPMA微區(qū)分析的基本原理電子探針除了用電子與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子進行形貌觀察外，主要是利用波譜或能譜，測量入射電子與試樣相互作用產(chǎn)生的特征X射線波長與強度，從而對試樣中元素進行定性、定量分析。當前第48頁\共有76頁\編于星期六\7點1.微區(qū)定性分析基本原理定性分析的基礎(chǔ)是莫塞萊(Moseley)關(guān)系式:

式中ν為元素的特征X射線頻率，Z為原子序數(shù)，σ為屏蔽系數(shù)，K為常數(shù)，C為光速。當σ≈1時，λ與Z的關(guān)系式可寫成:當前第49頁\共有76頁\編于星期六\7點由式可知，組成試樣的元素(對應(yīng)的原子序數(shù)Z)與它產(chǎn)生的特征X射線波長(λ)有單值關(guān)系，即每一種元素都有一個特定波長的特征X射線與之相對應(yīng)，它不隨入射電子的能量而變化。如果用X射線波譜儀(WDS)測量電子激發(fā)試樣所產(chǎn)生的特征X射線波長的種類，即可確定試樣中所存在元素的種類，這就是定性分析的基本原理。當前第50頁\共有76頁\編于星期六\7點如果是采用能譜儀(EDS)進行定性分析，則其原理為根據(jù)不同元素之間的特征X射線能量不同，即:E＝hν其中h為普朗克常數(shù)，ν為特征X射線頻率，通過EDS檢測試樣中不同能量的特征X射線，即可進行元素的定性分析。EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射線譜峰往往相互重疊，必須正確判斷才能獲得正確的結(jié)果，分析過程中如果譜峰相互重疊嚴重，可以用WDS和EDS聯(lián)合分析，這樣往往可以得到滿意的結(jié)果。當前第51頁\共有76頁\編于星期六\7點2.微區(qū)定量分析基本原理試樣中A元素的相對含量CA與該元素產(chǎn)生的特征X射線的強度IA(X射線計數(shù))成正比:CA∝IA如果在相同的電子探針分析條件下，同時測量試樣和已知成份的標樣中A元素的同名X射線(如Kα線)強度，經(jīng)過修正計算，就可以得出試樣中A元素的相對百分含量CA:

式中CA為某A元素的百分含量，K為常數(shù)，根據(jù)不同的修正方法，K可用不同的表達式表示，IA和I(A)分別為試樣中和標樣中A元素的特征X射線強度，同樣方法可求出試樣中其它元素的百分含量。當前第52頁\共有76頁\編于星期六\7點6.3電子探針的儀器構(gòu)造電子探針的主要組成部份為:1.電子光學系統(tǒng)2.X射線譜儀系統(tǒng)3.試樣室4.掃描顯示系統(tǒng)5.真空系統(tǒng)等。當前第53頁\共有76頁\編于星期六\7點1.電子光學系統(tǒng)電子光學系統(tǒng)包括電子槍、電磁透鏡、消像散器和掃描線圈等。其功能是產(chǎn)生一定能量的電子束、足夠大的電子束流、盡可能小的電子束直徑，產(chǎn)生一個穩(wěn)定的X射線激發(fā)源。（1）電子槍電子槍是由陰極（燈絲）、柵極和陽極組成。它的主要作用是產(chǎn)生具有一定能量的細聚焦電子束(探針)。從加熱的鎢燈絲發(fā)射電子，由柵極聚焦和陽極加速后，形成一個10μm～100μm交叉點（Crossover)，再經(jīng)過二級會聚透鏡和物鏡的聚焦作用，在試樣表面形成一個小于1μm的電子探針。電子束直徑和束流隨電子槍的加速電壓而改變，加速電壓可變范圍一般為1kV～30kV。當前第54頁\共有76頁\編于星期六\7點（2）電磁透鏡電磁透鏡分會聚透鏡和物鏡，靠近電子槍的透鏡稱會聚透鏡，會聚透鏡一般分兩級，是把電子槍形成的10μm－100μm的交叉點縮小1－100倍后，進入試樣上方的物鏡，物鏡可將電子束再縮小并聚焦到試樣上。為了擋掉大散射角的雜散電子，使入射到試樣的電子束直徑盡可能小，會聚透鏡和物鏡下方都有光闌。當前第55頁\共有76頁\編于星期六\7點2.X射線譜儀X射線譜儀的性能，直接影響到元素分析的靈敏度和分辨本領(lǐng)，它的作用是測量電子與試樣相互作用產(chǎn)生的X射線波長和強度。譜儀分為二類:一類是波長色散譜儀(WDS)，一類是能量色散譜儀(EDS)。當前第56頁\共有76頁\編于星期六\7點(1)波長色散譜儀(波譜儀)眾所周知，X射線是一種電磁輻射，具有波粒二象性，因此可以用二種方式對它進行描述。如果把它視為連續(xù)的電磁波，那么特征X射線就能看成具有固定波長的電磁波，不同元素就對應(yīng)不同的特征X射線波長，如果不同X射線入射到晶體上，就會產(chǎn)生衍射，根據(jù)Bragg公式：當前第57頁\共有76頁\編于星期六\7點可以選用已知面間距d的合適晶體分光，只要測出不同特征射線所產(chǎn)生的衍射角2θ，就可以求出其波長λ，再根據(jù)公式就可以知道所分析的元素種類，特征X射線的強度是從波譜儀的探測器(正比計數(shù)管)測得。根據(jù)以上原理制成的譜儀稱為波長色散譜儀(WDS)。若將發(fā)生某一元素特征X射線的入射角θ固定，對樣品進行微區(qū)掃描，即可得到某一元素的線分布或面分布圖像。當前第58頁\共有76頁\編于星期六\7點波譜儀的特點：波譜儀的突出優(yōu)點是波長分辨率很高。如它可將波長十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)三根譜線清晰地分開。但由于結(jié)構(gòu)的特點，譜儀要想有足夠的色散率，聚焦圓的半徑就要足夠大，這時彎晶離X射線光源的距離就會變大，它對X射線光源所張的立體角就會很小，因此對X射線光源發(fā)射的X射線光量子的收集率也就會很低，致使X射線信號的利用率極低。此外，由于經(jīng)過晶體衍射后，強度損失很大，所以，波譜儀難以在低束流和低激發(fā)強度下使用，這是波譜儀的兩個缺點。當前第59頁\共有76頁\編于星期六\7點(2)能量色散譜儀(能譜儀)

如果把X射線看成由一些不連續(xù)的光子組成，光子的能量為E＝ｈν，ｈ為普朗克常數(shù)，ν為光子振動頻率。不同元素發(fā)出的特征X射線具有不同頻率，即具有不同能量，當不同能量的X射線光子進入鋰漂移硅[Si(Li)]探測器后，在Si(Li)晶體內(nèi)將產(chǎn)生電子-空穴對，在低溫（如液氮冷卻探測器）條件下，產(chǎn)生一個電子-空穴對平均消耗能量ε為3.8eV。能量為E的X射線光子進入Si(Li)晶體激發(fā)的電子-空穴對N＝E/ε,入射光子的能量不同，所激發(fā)出的電子-空穴對數(shù)目也不同，例如，MnKα能量為5.895keV,形成的電子-空穴對為1550個。當前第60頁\共有76頁\編于星期六\7點探測器輸出的電壓脈沖高度，由電子-空穴對的數(shù)目N決定，由于電壓脈沖信號非常小，為了降低噪音，探測器用液氮冷卻，然后用前置放大器對信號放大，放大后的信號進入多道脈沖高度分析器，把不同能量的X射線光子分開來，并在輸出設(shè)備（如顯像管）上顯示出脈沖數(shù)-脈沖高度曲線，縱坐標是脈沖數(shù)，即入射X射線光子數(shù)，與所分析元素含量有關(guān)，橫坐標為脈沖高度，與元素種類有關(guān)，這樣就可以測出X射線光子的能量和強度，從而得出所分析元素的種類和含量，這種譜儀稱能量色散譜儀(EDS)，簡稱能譜儀。當前第61頁\共有76頁\編于星期六\7點當前第62頁\共有76頁\編于星期六\7點能譜儀的優(yōu)點(1)分析速度快能譜儀可以同時接受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，帶鈹窗口的探測器可探測的元素范圍為11Na~92U，20世紀80年代推向市場的新型窗口材料可使能譜儀能夠分析Be以上的輕元素，探測元素的范圍為4Be~92U。(2)靈敏度高X射線收集立體角大。由于能譜儀中Si(Li)探頭可以放在離發(fā)射源很近的地方(10㎝左右)，無需經(jīng)過晶體衍射，信號強度幾乎沒有損失，所以靈敏度高(可達104cps/nA，入射電子束單位強度所產(chǎn)生的X射線計數(shù)率)。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性好且不存在失焦問題，適合于比較粗糙表面的分析工作。當前第63頁\共有76頁\編于星期六\7點比較內(nèi)容WDSEDS元素分析范圍4Be－92U4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130eV）檢測極限10-2(%)10-1(%)定量分析準確度高低X射線收集效率低高波譜和能譜主要性能的比較當前第64頁\共有76頁\編于星期六\7點3.試樣室

用于安裝、交換和移動試樣。試樣可以沿X、Y、Z軸方向移動，有的試樣臺可以傾斜、旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在試樣臺已用光編碼定位，準確度優(yōu)于1μm，對表面不平的大試樣進行元素面分析時，Z軸方向可以自動聚焦。試樣室可以安裝各種探測器，例如二次電子探測器、背散射電子探測器、波譜、能譜、及光學顯微鏡等。光學顯微鏡用于觀察試樣(包括熒光觀察)，以確定分析部位，利用電子束照射后能發(fā)出熒光的試樣（如ZrO2），能觀察入射到試樣上的電子束直徑大小。當前第65頁\共有76頁\編于星期六\7點4.掃描顯示系統(tǒng)掃描顯示系統(tǒng)是將電子束在試樣表面和觀察圖像的熒光屏（CRT）進行同步光柵掃描，把電子束與試樣相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子及X射線等信號，經(jīng)過探測器及信號處理系統(tǒng)后，送到CRT顯示圖像或照相紀錄圖像。以前采集圖像一般為模擬圖像，現(xiàn)在都是數(shù)字圖像，數(shù)字圖像可以進行圖像處理和圖像分析。當前第66頁\共有76頁\編于星期六\7點5.真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)是保證電子槍和試樣室有較高的真空度，高真空度能減少電子的能量損失和提高燈絲壽命，并減少了電子光路的污染。真空度一般為0.01Pa－0.001Pa，通常用機械泵－油擴散泵抽真空。油擴散泵的殘余油蒸汽在電子束的轟擊下，會分解成碳的沉積物，影響超輕元素的定量分析結(jié)果，特別是對碳的分析影響嚴重。用液氮冷阱冷卻試樣附近的冷指，或采用無油的渦輪分子泵抽真空，可以減少試樣碳污染。當前第67頁\共有76頁\編于星期六\7點6.4電子探針試樣的制備1.粉體試樣粉體可以直接撒在試樣座的雙面碳導電膠上，用表面平的物體，例如玻璃板壓緊，然后用洗耳球吹去粘結(jié)不牢固的顆粒。當顆粒比較大時，例如大于5μm，可以尋找表面盡量平的大顆粒分析。也可以將粗顆粒粉體用環(huán)氧樹脂等鑲嵌材料混合后，進行粗磨、細磨及拋光方法制備。當前第68頁\共有76頁\編于星期六\7點

對于小于5μm小顆粒，嚴格講不符合定量分析條件，但實際工作中有時可以采取一些措施得到較好的分析結(jié)果。對粉體量少只能用電子探針分析時，要選擇粉料堆積較厚的區(qū)域，以免激發(fā)出試樣座成分。為了獲得較大區(qū)域的平均結(jié)果，往往用掃描的方法對一個較大區(qū)域進行分析。要得到較好的定量分析結(jié)果，最好將粉體用壓片機壓制成塊狀