4+電子顯微鏡（4）.ppt

1、武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,1,第三部分 電子顯微分析,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,2,第五章 電子顯微鏡的結(jié)構(gòu),電子顯微鏡一般由電子光學系統(tǒng)，信號收集及顯示系統(tǒng)，真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,3,1 電子光學系統(tǒng) （1）,電子光學系統(tǒng)由電子槍，電磁透鏡，掃描線圈和樣品室等部件組成。 其作用是用來獲得掃描電子束，作為產(chǎn)生物理信號的激發(fā)源。 為了獲得較高的信號強度和圖像分辨率，掃描電子束應具有較高的亮度和盡可能小的束斑直徑。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,4,1 電子光學系統(tǒng) （2）,電子槍： 其作用是利用陰極與陽極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。 目前大多數(shù)電鏡采

2、用熱陰極電子槍（鎢絲）。其優(yōu)點是價格便宜，對真空度要求不高，缺點是電子發(fā)射效率低，發(fā)射源直徑較大，在樣品表面上的電子束斑直徑最小為5-7nm。現(xiàn)在，高等級電鏡采用六硼化鑭（LaB6）或場發(fā)射電子槍，使二次電子像的分辨率達到2nm。但這種電子槍要求很高的真空度，并且價格昂貴。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,5,1 電子光學系統(tǒng) （3）,電磁透鏡 其作用主要是把電子槍的束斑逐漸縮小，是原來直徑約為50mm的束斑聚焦成一個只有數(shù)nm的細小束斑。 其工作原理是電磁聚焦。一般有三組透鏡，前兩個為強透鏡，用來縮小電子束光斑直徑。第三個是弱透鏡，具有較長的焦距，在該透鏡下方放置樣品可避免磁場對二次電子軌跡的

3、干擾。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,6,1 電子光學系統(tǒng) （4）,掃描線圈 其作用是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上的同步掃描信號。 掃描線圈是電子顯微鏡的一個重要組件，它一般放在最后二透鏡之間，也有的放在末級透鏡的空間內(nèi)。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,7,1 電子光學系統(tǒng) （5）,樣品室 樣品室中主要部件是樣品臺?？蛇M行三維空間的移動，及傾斜和轉(zhuǎn)動，樣品臺移動范圍一般可達40毫米，傾斜范圍：050度左右，轉(zhuǎn)動角度：360度。 樣品室中還要安置各種信號檢測器。信號的收集效率和相應檢測器的安放位置有很大關(guān)系。樣品臺還可以帶有多種附件，例如樣品在樣品臺上加熱，冷卻或拉

4、伸，可進行動態(tài)觀察。 樣品臺可放置的最大樣品：直徑2cm、高度1cm。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,8,2 信號檢測放大系統(tǒng)（1）,其作用是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。不同的物理信號需要不同類型的檢測系統(tǒng)，大致可分為三類：二次電子檢測器，背散射電子檢測器和X射線檢測器。 電子檢測器最常用到，它由閃爍體、光導管和光電倍增器組成。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,9,2 信號檢測放大系統(tǒng)（2）,當信號電子進入閃爍體時將引起電離； 離子與自由電子復合時產(chǎn)生可見光。光子沿著光導管傳送到光電倍增器進行放大，并轉(zhuǎn)變成電流信號輸出； 電流信號經(jīng)視頻放大器放大

5、后就成為調(diào)制信號。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,10,3 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10-4-10-5mmHg的真空度。 電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應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。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,11,4 電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率, 放大倍數(shù) （1） 若入射電子束在樣品表面掃描的幅度為As，在熒光屏陰極射線同步掃描的幅度為Ac，則掃描電鏡的放大倍數(shù)為: M=Ac/As,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,12,4 電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率, 放大倍數(shù) (2) 由

6、于熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過改變電子束在試樣表面的掃描幅度來實現(xiàn)的。 如果熒光屏的寬度Ac=100mm，當As=5mm時，放大倍數(shù)為20倍。如果減少掃描線圈的電流，電子束在試樣上的掃描幅度為Ac=0.05mm，放大倍數(shù)可達2000倍。目前商品化的電鏡放大倍數(shù)可以從2040倍調(diào)節(jié)到數(shù)十萬倍。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,13,4 電子顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率, 分辨率 分辨率是電鏡的主要性能指標。對微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；對成像而言，它是指能分辨兩點之間的最小距離。 分辨率大小由入射電子束直徑和檢測信號類型共同決定。電子束直徑越小，分辨率越高。但由于用

7、于成像的物理信號不同，在樣品表面的發(fā)射范圍也不相同，從而影響其分辨率。 例如SE和BE，一般SE像的分辨率約為5-10nm，BE像的分辨率約為50-200nm。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,14,5 樣品制備,對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樣品座上即可直接進行觀察。為防治假象的存在，在放試樣前應先將試樣用丙酮或酒精等進行清洗，必要時用超聲波振蕩清洗，或進行表面拋光。 對于非導電樣品，如塑料、礦物等，在電子束作用下會產(chǎn)生電荷聚集，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)

8、射系數(shù)較高的金銀或碳膜做導電層，膜厚控制在20nm左右。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,15,第六章 X射線譜儀及微區(qū)成分分析,電子束轟擊樣品表面將產(chǎn)生特征X射線，不同的元素有不同的X射線特征波長和能量。 通過鑒別其特征波長或特征能量就可以確定所分析的元素種類及含量。 利用特征波長來確定元素的儀器叫做波長色散譜儀（波譜儀），利用特征能量的就稱為能量色散譜儀（能譜儀）。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,16,1 波譜儀（1）,波譜儀的關(guān)鍵在于怎樣實現(xiàn)將未知的特征譜線與已知元素Z聯(lián)系起來？ 與XRF中一樣，用一種已知面網(wǎng)間距的晶體分光晶體，當不同特征波長的X射線照射其上時，如滿足2dsin=，則將產(chǎn)

9、生衍射。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,17,1 波譜儀（2）,對于任意一個給定的入射角，僅有一個確定的波長滿足衍射條件。 這樣可以首先建立一系列角與相應元素的對應關(guān)系，當某個由電子束激發(fā)的特征X射線照射到分光晶體上時，可在對應的2角度接收到該波長的X射線信號，同時也就測出了對應的化學元素。只要令探測器連續(xù)進行2角的掃描，即可在整個元素范圍內(nèi)實現(xiàn)連續(xù)測量。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,18,1 波譜儀（3）,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,19,1 波譜儀（4）,波譜儀常用的分光晶體的基本參數(shù)和可測范圍。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,20,1 波譜儀（5）,由分光晶體所分散的單一波長X射線被

10、X射線檢測器接受，常用的檢測器一般是正比計數(shù)器。當某一X射線光子進入計數(shù)管后，管內(nèi)氣體電離，并在電場作用下產(chǎn)生電脈沖信號。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,21,1 波譜儀（6）,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,22,2 能譜儀（1）,來自樣品的X光子通過鈹窗口進入鋰漂移硅固態(tài)檢測器。 每個X光子能量被硅晶體吸收，并將在晶體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對。 不同能量的X光子將產(chǎn)生不同的電子空穴對數(shù)。例如，F(xiàn)e的K輻射可產(chǎn)生1685個電子空穴對，而Cu為2110。 知道了電子空穴對數(shù)就可以求出相應的電荷量以及在固定電容（1F）上的電壓脈沖。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,23,2 能譜儀（2）,例如對Fe的K來說

11、，V=0.27mV，對Cu的K，V=0.34mV。 可見，鋰漂移硅固態(tài)檢測器的作用是將X射線轉(zhuǎn)換成電信號，產(chǎn)生電脈沖。 這個很小的電壓脈沖通過高信噪比的場效應管前置放大器和主放大器的兩次放大后，產(chǎn)生足夠強度的電壓脈沖。 放大后的信號被送入多道脈沖高度分析器。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,24,2 能譜儀（3）,多道脈沖高度分析器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器首先把脈沖信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，建立起電壓脈沖幅值與道址的對應關(guān)系（道址號與X光子能量間存在對應關(guān)系）。 常用的X光子能量范圍在0.2-20.48keV，如果總道址數(shù)為1024，那么每個道址對應的能量范圍是20eV。X光子能量低的對應道址號小，高的對應道址

12、號大。根據(jù)不同道址上記錄的X光子的數(shù)目，就可以確定各種元素的X射線強度。 然后，在X-Y記錄儀或陰極射線管上把脈沖數(shù)與脈沖高度曲線顯示出來，這就是X光子的能譜曲線。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,25,2 能譜儀（5）,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,26,3 波譜儀與能譜儀的性能比較（1）,如上所述，波譜儀與能譜儀都可以對樣品中元素進行分析，但它們的性能有所不同. 檢測效率 能譜儀中鋰漂移硅探測器對X射線發(fā)射源所張的立體角顯著大于波譜儀，所以前者可以接受到更多的X射線信號；其次波譜儀因分光晶體衍射而造成部分X射線強度損失，因此能譜儀的檢測效率較高。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,27,3 波譜

13、儀與能譜儀的性能比較（2）,B 空間分析能力 能譜儀因檢測效率高，可在較小的電子束流下工作，使束斑直徑減小，空間分析能力提高。目前，在分析電鏡中的微束操作方式下能譜儀分析的最小微區(qū)已經(jīng)達到納米數(shù)量級，而波譜儀的空間分辨率僅處于微米數(shù)量級。 C 分辨本領(lǐng) 能譜儀的最佳能量分辨本領(lǐng)為149eV，波譜儀的波長分辨本領(lǐng)表述為能量的形式后相當于5-10eV，可見波譜儀的分辨本領(lǐng)比能譜儀高一個數(shù)量級。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,28,3 波譜儀與能譜儀的性能比較（3）,D 分析速度 能譜儀可在同一時間內(nèi)對分析點內(nèi)的所有X射線光子的能量進行檢測和計數(shù)，僅需幾分鐘時間可得到全譜定性分析結(jié)果；而波譜儀只能逐

14、個測定每一元素的特征波長，一次全分析往往需要幾個小時。 E 分析元素的范圍 波譜儀可以測量鈹(Be)-鈾(U)之間的所有元素，而能譜儀中Si(Li)檢測器的鈹窗口吸收超輕元素的X射線，只能分析納（Na）以上的元素。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,29,3 波譜儀與能譜儀的性能比較（4）,F 可靠性 能譜儀結(jié)構(gòu)簡單，沒有機械傳動部分，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性較好。但波譜儀的定量分析誤差（1-5%）遠小于能譜儀的定量分析誤差（2-10%）。 G 樣品要求 波譜儀在檢測時要求樣品表面平整。能譜儀對樣品表面沒有特殊要求，適合于粗糙表面的分析。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,30,4 成分分析 （1）,1

15、定性分析 A 點分析 用于測定樣品上某個指定點的化學成分。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,31,4 成分分析 （2）,如圖是用能譜儀得到的某鋼定點分析結(jié)果。能譜儀中的多道分析器可使樣品中所有元素的特征X射線信號同時檢測和顯示。不像波譜儀那樣要做全部譜掃描，甚至還要更換分光晶體。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,32,4 成分分析 （3）,B 線分析 用于測定某種元素沿給定直線分布的情況。方法是將X射線譜儀（波譜儀或能譜儀）固定在所要測量的某元素特征X射線信號（波長或能量）的位置上，把電子束沿著指定的方向做直線軌跡掃描，便可得到該元素沿直線特征X射線強度的變化，從而反映了該元素沿直線的濃度分布情況

16、。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線強度分布。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,33,4 成分分析 （4）,下圖為50CrNiMo鋼中夾雜Al2O3的線分析像?？梢姡贏l2O3夾雜存在的地方，Al的X射線峰較強。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,34,4 成分分析 （5）,C 面分析 用于測定某種元素的面分布情況。方法是將X射線譜儀固定在所要測量的某元素特征X射線信號的位置上，電子束在樣品表面做光柵掃描，此時在熒光屏上便可看到該元素的面分布圖像。顯像管的亮度由試樣給出的X射線強度調(diào)制。圖像中的亮區(qū)表示這種元素的含量較高。,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,35,4 成分分析 （6）,下圖為34CrNi3Mo鋼中MnS夾雜物的能譜面分析圖像。 （a）S的面分析像 (b) Mn的面分析像,武漢理工大學資環(huán)學院 管俊芳,36,4 成分分析 （7）,2 定量分析 定量分析時，先測得試樣中Y元素的特征X射線強度I