材料顯微分析實(shí)踐報(bào)告

1、實(shí)用文檔2014年 秋 季學(xué)期研究生課程考核（讀書(shū)報(bào)告、研究報(bào)告）考核科目:材料顯微分析實(shí)踐報(bào)告學(xué)生所在院（系）：材料科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生所在學(xué)科:材料工程學(xué)生姓名：郝成麗學(xué)號(hào)：1 4S 10 9)10 3學(xué)生類別：應(yīng)用型碩士考核結(jié)果閱卷人第1頁(yè)（共 19頁(yè)）實(shí)用文檔實(shí)驗(yàn)一透射電鏡的明暗場(chǎng)成像技術(shù)一、工作原理透射電子顯微鏡（transmission electron microscope, TEM ）是利用透射電 子成像，因而要求樣品極?。铀匐妷?00kV時(shí)，樣品厚度不能超過(guò)100nm ）。 其結(jié)構(gòu)包括三大部分：電子學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電子光學(xué)系統(tǒng)。電子光學(xué)系統(tǒng)提 供電子束，在高真空條件下照射到

2、樣品上，經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)中的物鏡成像，再經(jīng)過(guò) 中間鏡和投影鏡的進(jìn)一步放大，獲得的圖像記錄在CCD上。TEM使用油擴(kuò)散泵（Diffuse Pump ）來(lái)實(shí)現(xiàn)高真空。由于油擴(kuò)散泵的啟動(dòng)和關(guān)閉都需要30分鐘，導(dǎo)致TEM開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)都至少需要30分鐘。TEM發(fā)射出的高能電子束轟擊到光 路元器件上以及樣品上，會(huì)產(chǎn)生以X-ray為主的等等其他射線輻射，因此建議孕 婦等過(guò)敏性體質(zhì)者盡量避免接觸 TEM。二、透射電鏡樣品的制備在材料科學(xué)中，透射電子顯微術(shù)是十分重要的研究方法，它可以觀察各種材料，研究它們的顯微組織與性能之間的密切關(guān)系。進(jìn)行材料的電子顯微鏡觀察， 首先要將大塊樣品制成僅幾百毫微米至幾千毫微米厚的極薄小

3、片。樣品的要求：1） 樣品必須對(duì)電子束是透明的，觀察區(qū)厚度一般在100-200nm范圍；2）具代表性，能真實(shí)反映所分析材料的實(shí)際特征。制備方法很多，取決于材料類型和所要獲取的信息， 透射電鏡樣品可分為間接樣 品和直接樣品，制備方法有：復(fù)型樣品、薄膜樣品、粉末樣品。1）復(fù)型（間接）樣品的制備在透射電鏡發(fā)展的早期，將透射電鏡用于觀察材料組織分析， 首先遇到的問(wèn) 題是樣品制備問(wèn)題。因此，在 20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了 “復(fù)型技術(shù)”。復(fù)型是指將樣品表面的浮凸復(fù)制于某種薄膜，可間接反映原樣品的表面形貌特征 的間接樣品。復(fù)型材料的要求：（1）本身是無(wú)定型或非晶態(tài)的；（2）具有足夠的 強(qiáng)度、剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)

4、熱和耐電子束轟擊性能；（3）分子尺寸要盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率。2）薄膜樣品的制備樣品的基本要求：薄膜樣品的組織結(jié)構(gòu)必須和大塊樣品相同，在制備過(guò)程中， 組織結(jié)構(gòu)不變化；樣品相對(duì)于電子束必須有足夠的透明度；膜厚至少應(yīng)包含二至 三顆晶粒；薄膜樣品應(yīng)有一定強(qiáng)度和剛度，在制備、夾持和操作過(guò)程中不會(huì)引起 變形和損壞；在樣品制備過(guò)程中不允許表面產(chǎn)生氧化和腐蝕；薄膜得到的圖像應(yīng)當(dāng)便于分析；制備方法必須便于控制；穿透能力與電子的能量有關(guān)，即與加速電 壓有關(guān)。以 Fe 膜為例，200kV 下，500nm； 1000kV，1500nm。樣品太厚，接近實(shí)際大塊樣品的信息，但圖象亮度不夠，膜內(nèi)不同厚度層上 的結(jié)

5、構(gòu)信息會(huì)重疊，干擾分析；樣品太薄，容易引起樣品內(nèi)固有缺陷釋放，引起 失真，同時(shí)容易造成其中的變形與相變不同于大塊樣品；樣品厚度要適當(dāng)，對(duì)金屬材料而言，樣品厚度500nm。三、透射電鏡的主要性能參數(shù)3.1分辨率分辨率是TEM的最主要性能指標(biāo)，表征電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的 能力。透射電鏡的分辨率分為點(diǎn)分辨率和線分辨率兩種。點(diǎn)分辨率能分辨兩點(diǎn)之 間的最短距離，線分辨率能分辨兩條線之間的最短距離，通過(guò)拍攝已知晶體的晶格象測(cè)定，又稱晶格分辨率。3.2放大倍數(shù)透射電鏡的放大倍數(shù)是指電子圖像對(duì)于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。目前 高性能TEM的放大倍數(shù)范圍為80100萬(wàn)倍。不僅考慮最高和最低放大倍數(shù)， 還

6、要考慮是否覆蓋低倍到高倍的整個(gè)范圍。將儀器的最小可分辨距離放大到人眼 可分辨距離所需的放大倍數(shù)稱為有效放大倍數(shù)。一般儀器的最大倍數(shù)稍大于有效 放大倍數(shù)。透射電鏡的放大倍數(shù)可用下面的公式來(lái)表示：2M總=M物M中M投=AI中一 B其中M為放大倍數(shù)，A、B為常數(shù)，I中為中間鏡激磁電流，單位為 mA。 以下是對(duì)透射電鏡放大倍率的幾點(diǎn)說(shuō)明：a）人眼分辨本領(lǐng)約0.2mm，光學(xué)顯微鏡約0.2卩m。b）把0.2卩m放大到0.2mm的M是1000倍,是有效放大倍數(shù)。c）光學(xué)顯微鏡分辨率在0.2卩m時(shí)，有效M是1000倍。d）光學(xué)顯微鏡的M可以做的更高，但高出部分對(duì)提高分辨率沒(méi)有貢獻(xiàn)，僅 第 3頁(yè)（共19頁(yè)）實(shí)用

7、文檔是讓人眼觀察舒服。3.3加速電壓加速電壓是指電子槍陽(yáng)極相對(duì)于陰極燈絲的電壓，決定了發(fā)射的電子的波長(zhǎng)入。電壓越高，電子束對(duì)樣品的穿透能力越強(qiáng)（厚試樣）、分辨率越高、對(duì)試樣 的輻射損傷越小。普通 TEM的最高V 般為100kV和200kV，通常所說(shuō)的V 是指可達(dá)到的最高加速電壓。高分辨透射電子顯微鏡。四、透射電鏡的成像原理4.1透射電鏡的成像方式透射電鏡的成像方式主要有兩種，一種明場(chǎng)像，一種暗場(chǎng)像。明場(chǎng)像為直射 電子所成的像，圖像清晰。暗場(chǎng)像為散射電子所成的像，圖像有畸變，且分辨率 低。中心暗場(chǎng)像為入射電子束對(duì)試樣的傾斜照射得到的暗場(chǎng)像，圖像不畸變且分辨率高。4.2襯度理論襯度的定義為顯微圖像

8、中不同區(qū)域的明暗差別。 分為質(zhì)厚襯度和衍射襯度兩 種。1質(zhì)厚襯度質(zhì)厚襯度是非晶體樣品襯度的主要來(lái)源。 樣品不同微區(qū)存在原子序數(shù)和厚度 的差異形成的。來(lái)源于電子的非相干散射，Z越高，產(chǎn)生散射的比例越大；d增加，將發(fā)生更多的散射。不同微區(qū) Z和d的差異，使進(jìn)入物鏡光闌并聚焦于像 平面的散射電子I有差別，形成像的襯度。Z較高、樣品較厚區(qū)域在屏上顯示為 較暗區(qū)域。圖像上的襯度變化反映了樣品相應(yīng)區(qū)域的原子序數(shù)和厚度的變化。質(zhì)厚襯度受物鏡光闌孔徑和加速 V的影響。選擇大孔徑（較多散射電子參與成像）， 圖像亮度增加，散射與非散射區(qū)域間的襯度降低。 選擇低電壓（較多電子散射到 光闌孔徑外），襯度提高，亮度降低

9、。支持膜法和萃取復(fù)型，質(zhì)厚襯度圖像比較 直觀。2衍射襯度衍射襯度是來(lái)源于晶體試樣各部分滿足布拉格反射條件不同和結(jié)構(gòu)振幅的 差異。例如電壓一定時(shí)，入射束強(qiáng)度是一定的，假為L(zhǎng)，衍射束強(qiáng)度為ID。在忽略吸收的情況下，透射束為 L-ID。這樣如果只讓透射束通過(guò)物鏡光闌成像， 那么就會(huì)由于樣品中各晶面或強(qiáng)衍射或弱衍射或不衍射，導(dǎo)致透射束相應(yīng)強(qiáng)度的變化，從而在熒光屏上形成襯度。形成襯度的過(guò)程中，起決定作用的是晶體對(duì)電 子束的衍射。這就是衍射襯度的由來(lái)。五、電子衍射與X射線衍射5.1電子衍射與X射線衍射相比的優(yōu)點(diǎn)電子衍射能在同一試樣上將形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來(lái)。電子波長(zhǎng)短，單晶的電子衍射花樣如晶體的倒易點(diǎn)

10、陣的一個(gè)二維截面在底片上放大投影，從 底片上的電子衍射花樣可以直觀地辨認(rèn)出一些晶體的結(jié)構(gòu)和有關(guān)取向關(guān)系，使 晶體結(jié)構(gòu)的研究比X射線簡(jiǎn)單。物質(zhì)對(duì)電子散射主要是核散射，因此散射強(qiáng)， 約為X射線一萬(wàn)倍，曝光時(shí)間短。5.2電子衍射與X射線衍射相比的不足之處電子衍射強(qiáng)度有時(shí)幾乎與透射束相當(dāng)，以致兩者產(chǎn)生交互作用，使電子衍 射花樣，特別是強(qiáng)度分析變得復(fù)雜，不能象X射線那樣從測(cè)量衍射強(qiáng)度來(lái)廣泛的測(cè)定結(jié)構(gòu)。此外，散射強(qiáng)度高導(dǎo)致電子透射能力有限，要求試樣薄，這就使 試樣制備工作較X射線復(fù)雜；在精度方面也遠(yuǎn)比 X射線低。實(shí)驗(yàn)二掃描電鏡成像原理及基本操作一、掃描電子顯微鏡的原理掃描電鏡是對(duì)樣品表面形態(tài)進(jìn)行測(cè)試的一種

11、大型儀器。當(dāng)具有一定能量的入射電子束轟擊樣品表面時(shí)，電子與元素的原子核及外層電子發(fā)生單次或多次彈性 與非彈性碰撞，一些電子被反射出樣品表面，而其余的電子則滲入樣品中，逐漸 失去其動(dòng)能，最后停止運(yùn)動(dòng)，并被樣品吸收。在此過(guò)程中有 99沖上的入射電子 能量轉(zhuǎn)變成樣品熱能，而其余約 1%勺入射電子能量從樣品中激發(fā)出各種信號(hào)。 如圖1所示，這些信號(hào)主要包括二次電子、背散射電子、吸收電子、透射電子、第5頁(yè)（共19頁(yè)）實(shí)用文檔俄歇電子、電子電動(dòng)勢(shì)、陰極發(fā)光、X射線等。掃描電鏡設(shè)備就是通過(guò)這些信號(hào) 得到訊息，從而對(duì)樣品進(jìn)行分析的。二、掃描電鏡的儀器組成 m沖 1、 掃描電鏡的組成掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、

12、信號(hào)檢測(cè)和放大系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、圖像顯 示和記錄系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和真空一冷卻水系統(tǒng)組成。2、 X射線能譜儀的儀器結(jié)構(gòu)X射線能譜儀由半導(dǎo)體探測(cè)器、前置放大器、主放大器、脈沖堆積排除器、 模擬識(shí)數(shù)字轉(zhuǎn)換器、多道分析器、計(jì)算機(jī)以及顯示器和打印機(jī)等組成。三、樣品形態(tài)和制備方法1固體樣品：將樣品用雙面膠帶或?qū)щ娔z固定于樣品臺(tái)上，非導(dǎo)體樣品需要噴鍍 金或鉑導(dǎo)電層。2粉末樣品：將樣品均勻?yàn)⒙湓谫N有雙面膠帶的樣品臺(tái)上，用吸耳球吹去未粘牢 的顆粒，非導(dǎo)體樣品需要噴鍍金或鉑導(dǎo)電層。3生物樣品：干燥含水樣品并進(jìn)行固定，然后進(jìn)行噴鍍處理。4需作能譜分析的非導(dǎo)電樣品應(yīng)噴鍍碳膜。四、掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用4.1、材料的組

13、織形貌觀察材料剖面的特征、零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及損傷的形貌，都可以借助掃描電鏡來(lái)判斷和分析。反射式的光學(xué)顯微鏡直接觀察大塊試樣很方便，但其分辨率、放大倍數(shù)和景深都比較低。而掃描電子顯微鏡的樣品制備簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)試樣從低倍到 高倍的定位分析，在樣品室中的試樣不僅可以沿三維空間移動(dòng)， 還能夠根據(jù)觀察 需要進(jìn)行空間轉(zhuǎn)動(dòng)，以利于使用者對(duì)感興趣的部位進(jìn)行連續(xù)、系統(tǒng)的觀察分析； 掃描電子顯微圖像因真實(shí)、清晰，并富有立體感，在金屬斷口和顯微組織三維形 態(tài)的觀察研究方面獲得了廣泛地應(yīng)用。4.2微區(qū)化學(xué)成分分析在樣品的處理過(guò)程中，有時(shí)需要提供包括形貌、成分、晶體結(jié)構(gòu)或位向在內(nèi) 的豐富資料，以便能夠更全面、客觀地進(jìn)行判

14、斷分析。為此，相繼出現(xiàn)了掃描電 子顯微鏡一電子探針多種分析功能的組合型儀器。 掃描電子顯微鏡如配有X射線 能譜（EDS和 X射線波譜成分分析等電子探針附件，可分析樣品微區(qū)的化學(xué)成分 等信息。材料內(nèi)部的夾雜物等，由于它們的體積細(xì)小，因此，無(wú)法采用常規(guī)的化 學(xué)方法進(jìn)行定位鑒定。掃描電鏡可以提供重要的線索和數(shù)據(jù)。一般而言，常用的X射線能譜儀能檢測(cè)到的成分含量下限為 0. 1 % （質(zhì)量 分?jǐn)?shù)）。可以應(yīng)用在判定合金中析出相或固溶體的組成、測(cè)定金屬及合金中各種元素的偏析、研究電鍍等工藝過(guò)程形成的異種金屬的結(jié)合狀態(tài)、研究摩擦和磨損 過(guò)程中的金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象以及失效件表面的析出物或腐蝕產(chǎn)物的鑒別等方面。 4.3

15、顯微組織及超微尺寸材料的研究鋼鐵材料中諸如回火托氏體、下貝氏體等顯微組織非常細(xì)密。用光學(xué)顯微鏡 難以觀察組織的細(xì)節(jié)和特征。在進(jìn)行材料、工藝試驗(yàn)時(shí)，如果出現(xiàn)這類組織，可 以將制備好的金相試樣深腐蝕后，在掃描電鏡中鑒別。下貝氏體與高碳馬氏體組 織在光學(xué)顯微鏡下的形態(tài)均呈針狀，且前者的性能優(yōu)于后者。但由于光學(xué)顯微鏡 的分辨率較低，無(wú)法顯示其組織細(xì)節(jié)，故不能區(qū)分。電子顯微鏡卻可以通過(guò)對(duì)針 狀組織細(xì)節(jié)的觀察實(shí)現(xiàn)對(duì)這種相似組織的鑒別。在電子顯微鏡下（SEM），可清楚地觀察到針葉下貝氏體是有鐵素體和其內(nèi)呈方向分布的碳化物組成。納米材料是納米科學(xué)技術(shù)最基本的組成部分，現(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物 學(xué)的方法制備出

16、只有幾個(gè)納米的“顆?！?。由于納米材料表面上的原子只受到來(lái) 自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用，十分活潑，所以使用納米金屬顆粒粉作催化劑， 可加 快化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。納米材料的應(yīng)用非常廣泛，比如通常陶瓷材料具有高硬度、耐 磨、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，但又具有脆性和難以加工等缺點(diǎn)，納米陶瓷在一定的程度上 卻可增加韌性，改善脆性。復(fù)合納米固體材料亦是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如含 有20%S微鉆顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料，金屬鋁中含進(jìn)少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強(qiáng)度高、韌性好、耐熱性強(qiáng)的新型結(jié)構(gòu)材料。納 米材料的一切獨(dú)特性能主要源于它的超微尺寸，因此必須首先切確地知道其尺 寸，否則對(duì)納米材料的研究及應(yīng)用便失去了

17、基礎(chǔ)。目前該領(lǐng)域的檢測(cè)手段和表征方法可以使用透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡（STM ）、原子力顯微鏡（AFM）等技術(shù)，但高分辨率的掃描電鏡（SEM）在納米級(jí)別材料的形貌觀察和尺寸檢測(cè)方面因具有簡(jiǎn)便、可操作性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，也被大量采用。五. 結(jié)論掃描電子顯微鏡在材料的分析和研究方面應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于材料斷 口分析、微區(qū)成分分析、各種鍍膜表面形貌分析、層厚測(cè)量和顯微組織形貌及納 米材料分析等。隨著材料科學(xué)和高科技的迅速發(fā)展，這樣也迫使檢測(cè)技術(shù)水平不 斷提高。目前，高溫樣品臺(tái)、動(dòng)態(tài)拉伸臺(tái)、能譜儀和掃描電鏡的組合，這樣掃描 電鏡在得到較好的試樣形貌像的前提下， 同時(shí)得到成分信息和晶體學(xué)的信息，使 得

18、掃描電鏡必將在材料工藝研究和品種開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮更大的作用。六. 實(shí)例斷口分析a) 1000W b) 1500W 低倍 c) 1500W 高倍 d) 2000W圖1不同激光功率復(fù)合焊室溫拉伸試件斷裂形貌在圖1中的斷口形貌中可以發(fā)現(xiàn)，在1000W和2000W的時(shí)候，斷口為明顯 第7頁(yè)（共19頁(yè)）實(shí)用文檔的準(zhǔn)解理斷裂，有大量的撕裂棱；而 1500W的時(shí)候?yàn)槊黠@的韌性斷裂，斷口主 要為韌窩。實(shí)驗(yàn)三電子探針結(jié)構(gòu)原理及基本操作電子探針，是以聚焦的高速電子來(lái)激發(fā)出試樣表面組成元素的特征X射線,對(duì)微區(qū)成分進(jìn)行定性或定量分析的一種材料物理試驗(yàn)，又稱電子探針X射線顯微分析。電子探針?lè)治龅脑硎牵阂詣?dòng)能為 1030

19、千電子伏的細(xì)聚焦電子束轟擊 試樣表面，擊出表面組成元素的原子內(nèi)層電子， 使原子電離，此時(shí)外層電子迅速 填補(bǔ)空位而釋放能量，從而產(chǎn)生特征 X射線。一. 工作原理由莫塞萊定律可知，各種元素的特征 X射線都具有各自確定的波長(zhǎng)，并滿.1- K足以下關(guān)系：，通過(guò)探測(cè)這些不同波長(zhǎng)的X射線來(lái)確定樣品中所含有的元 素，這就是電子探針定性分析的依據(jù)。而將被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中元素 丫的衍J - G _広射強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，即就能進(jìn)行電子探針的定量分析。當(dāng)然利用電子束激發(fā)的X射線進(jìn)行元素分析，其前提是入射電子束的能量必須大于某元素原子 的內(nèi)層電子臨界電離激發(fā)能。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)電子探針的光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等部分與掃描電鏡基本相

20、同，通常也配有二 次電子和背散射電子信號(hào)檢測(cè)器，同時(shí)兼有組織形貌和微區(qū)成分分析兩方面的功 能。電子探針的構(gòu)成除了與掃描電鏡結(jié)構(gòu)相似的主機(jī)系統(tǒng)以外，還主要包括分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等部分。電子探針主要由電子光學(xué)系統(tǒng)（鏡筒），X射線譜儀和信息記錄顯示系統(tǒng)組成。電子探針和掃描電鏡在電子光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)造基本相同， 它們常常組合成單一的儀器。三.電子探針的分析方法利用電子探針?lè)治龇椒梢蕴街牧蠘悠返幕瘜W(xué)組成以及各元素的重量百 分?jǐn)?shù)。分析前要根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康闹苽錁悠罚?樣品表面要清潔。用波譜儀分析樣品時(shí) 要求樣品平整，否則會(huì)降低測(cè)得的 X射線強(qiáng)度。3.1定性分析1點(diǎn)分析用于測(cè)定樣品上某個(gè)指定點(diǎn)的化學(xué)成分。下圖是用

21、能譜儀得到的某鋼定點(diǎn)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(hào)同時(shí)檢測(cè)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。圖2 50CrNiMo鋼中夾雜AI2O3的線分析像2線分析用于測(cè)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(cè)量的某元素特征 X射線信號(hào)（波長(zhǎng)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(qiáng)度的變化，從而反映了該元素沿直線的濃度分布情況。改變譜儀的位置，便可得到另一元素的X射線強(qiáng)度分布。下圖為50CrNiMo鋼中夾雜AI2O3的線分析像。 可見(jiàn)，在AI2O3夾雜存

22、在的地方，AI的X射線峰較強(qiáng)。3面分析用于測(cè)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(cè)量的 某元素特征X射線信號(hào)的位置上，電子束在樣品表面做光柵掃描，此時(shí)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(qiáng)度調(diào)制。圖像中的亮區(qū)表示這種元素的含量較高。3.2定量分析定量分析時(shí)，先測(cè)得試樣中丫元素的特征X射線強(qiáng)度IY，再在同一條件下 測(cè)出已知純?cè)匮镜臉?biāo)準(zhǔn)試樣特征X射線強(qiáng)度10。然后兩者分別扣除背底和計(jì) 數(shù)器死時(shí)間對(duì)所測(cè)值的影響，得到相應(yīng)的強(qiáng)度值IY和I0，兩者相除得到X射線 強(qiáng)度之比KY= IY / 10。直接將測(cè)得的強(qiáng)度比KY當(dāng)作試樣中元素丫的重量濃度， 其結(jié)

23、果還有很大誤差，通常還需進(jìn)行三種效應(yīng)的修正。即原子序數(shù)效應(yīng)的修正， 吸收效應(yīng)修正，熒光效應(yīng)修正。經(jīng)過(guò)修正，誤差可控制在吃以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)四原子力顯微鏡的工作原理及基本操作一. 基本原理原子力顯微鏡（atomic force microscope,簡(jiǎn)稱AFM ）利用微懸臂感受和放大懸臂上尖細(xì)探針與受測(cè)樣品原子之間的作用力，從而達(dá)到檢測(cè)的目的，具有原子級(jí)的分辨率。由于原子力顯微鏡既可以觀察導(dǎo)體，也可以觀察非導(dǎo)體，從而彌補(bǔ)了掃描隧道顯微鏡的不足。原子力顯微鏡是由IBM公司蘇黎世研究中心的格爾 德賓寧與斯坦福大學(xué)的Ca Ivin Quate于一九八五年所發(fā)明的，其目的是為了使 非導(dǎo)體也可以采用類似掃描探針顯

24、微鏡（SPM）的觀測(cè)方法。原子力顯微鏡（AFM ）與掃描隧道顯微鏡（STM）最大的差別在于并非利用電子隧穿效應(yīng)， 而是檢測(cè)原子之間的接觸，原子鍵合，范德瓦耳斯力或卡西米爾效應(yīng)等來(lái)呈現(xiàn)樣 品的表面特性。二. 基本結(jié)構(gòu)和工作模式AFM的操作模式：接觸式、非接觸式和敲拍式。2.1接觸模式接觸式就是針尖始終與樣品表面接觸，并在樣品表面做簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生排斥 力，這種力的大小大約為10-10-10-6N,通過(guò)檢測(cè)這種力的變化來(lái)得到樣品表面 的信息。優(yōu)點(diǎn)：可以產(chǎn)生穩(wěn)定高分辨的圖像，對(duì)較硬的材料通常會(huì)得到比較好的分辨率。缺點(diǎn)：由于探針與試樣表面接觸，過(guò)大的作用力會(huì)損壞樣品，因此對(duì)軟性材 質(zhì)的如聚合物、細(xì)胞分子

25、等不適用，而且在空氣中，因?yàn)闃悠繁砻嫖揭簩拥拿?細(xì)作用，是針尖與樣品間的粘著力很大，粘著力會(huì)使圖像的分辨率降低。2.2非接觸模式非接觸式就是探針與樣品表面不接觸，探針在距離樣品表面 5-10nm附近震 蕩，通過(guò)檢測(cè)樣品與探針之間的吸引力達(dá)到檢測(cè)樣品表面形貌的目的， 這種吸引 力很小，遠(yuǎn)小于排斥力，大約為10-12N。優(yōu)點(diǎn)：可以很好地保護(hù)樣品。缺點(diǎn)：（1）分辨率比較低；（2）掃描速度比較低；（3）氣體的表面壓吸附到樣品表面，造成圖像數(shù)據(jù)不穩(wěn)定和對(duì)樣品的破 壞。2.3敲拍式輕敲模式即探針與樣品表面間歇性的輕微跳動(dòng)接觸，維持探針的振幅不變， 振幅大于非接觸模式，當(dāng)樣品表面發(fā)生起伏時(shí)，振幅發(fā)生變化，

26、為維持振幅不變， 壓電陶瓷就會(huì)控制掃描管隨著樣品表面起伏向上或向下移動(dòng)，通過(guò)記錄掃描管的位置變化，達(dá)到測(cè)試樣品表面信息的目的。優(yōu)點(diǎn)：（1）分辨率比較高；（2）適用于較軟易碎及粘性樣品，不損傷樣品表面。缺點(diǎn)：（1）掃描速度低于接觸式；（2）當(dāng)探針敲擊較硬的樣品時(shí)，可能會(huì)損壞針尖。三. 特點(diǎn)及應(yīng)用3.1特點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)（1）制樣相對(duì)簡(jiǎn)單，分辨率高，樣品表面的三維數(shù)據(jù)滿足了研究、生產(chǎn)、質(zhì)量 檢驗(yàn)越來(lái)越微觀化的要求。（2） 非破壞性，遠(yuǎn)比以往觸針式粗糙度儀壓力小， 不會(huì)損傷樣品，不存在掃描 電子顯微鏡的電子束損傷問(wèn)題。（3）應(yīng)用范圍廣，可用于表面觀察、尺寸測(cè)定、表面粗糙測(cè)定、顆粒度解析、 突起與凹坑的統(tǒng)計(jì)處

27、理、層間絕緣膜的平整度評(píng)價(jià)、定向薄膜的摩擦處理 過(guò)程的評(píng)價(jià)、缺陷分析等。（4）軟件處理功能強(qiáng)，三維圖象顯示其大小、視角、顯示色、光澤可以自由設(shè)（5）并可選用網(wǎng)絡(luò)、等高線、線條顯示。圖象處理的宏管理，斷面的形狀與粗 糙度解析，形貌解析等多種功能。2缺點(diǎn)（1）對(duì)試樣的平整度有較高的要求 。（2）對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)針尖有較高的依賴性。（3）對(duì)于仍然屬于表面表征技術(shù)，需要和其它測(cè)試手段共同使用。3.2應(yīng)用1. 在材料領(lǐng)域的應(yīng)用：觀察表面二維三維形貌圖、以及薄膜的孔徑、粒度、粗 糙度等的分析。2. 在生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用:圖3用AFM觀察細(xì)胞生長(zhǎng)3. 在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在電化學(xué)領(lǐng)域的研究主要有 3個(gè)方向：界面

28、結(jié)構(gòu)的表征、界面動(dòng)態(tài)學(xué)和化 學(xué)材料及結(jié)構(gòu)的表征，如觀察和研究單晶、多晶局部表面結(jié)構(gòu)、表面缺陷和表面 重構(gòu)、表面吸附物種的形態(tài)和結(jié)構(gòu)、 金屬電極的氧化還原過(guò)程、金屬或半導(dǎo)體的 表面電腐蝕過(guò)程、有機(jī)分子的電聚合及電極表面上的沉積等。哄(b)圖4鋁合金在NaCI溶液中腐蝕AFM圖4. 在物理學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在物理學(xué)中，AFM可以用于研究金屬和半導(dǎo)體的表面形貌、表面重構(gòu)表面電子態(tài)及動(dòng)態(tài)過(guò)程，超導(dǎo)體表面結(jié)構(gòu)和電子態(tài)層狀材料中的電荷密度等。近年來(lái),應(yīng)用原子力顯微鏡研究納米摩擦、納米磨損、納米潤(rùn)滑、納米摩擦化學(xué)反應(yīng)和微型機(jī)電系統(tǒng)的納米表面工程等方面都取得了一些重要進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)五離子/電子雙束系統(tǒng)的工作原理與實(shí)踐一

29、. 聚焦離子束的工作原理1.1離子源離子源是聚焦離子束系統(tǒng)的心臟，真正的聚焦離子束始于液態(tài)金屬離子源的 出現(xiàn)，液態(tài)金屬離子源產(chǎn)生的離子具有高亮度、極小的源尺寸等一系列優(yōu)點(diǎn)，使 之成為目前所有聚焦離子束系統(tǒng)的離子源。液態(tài)金屬離子源是利用液態(tài)金屬在強(qiáng) 電場(chǎng)作用下產(chǎn)生場(chǎng)致離子發(fā)射所形成的離子源。在源制造過(guò)程中，將直徑0.5mm左右的鎢絲經(jīng)過(guò)電化學(xué)腐蝕成尖端直徑只有 5-10m的鎢針，然后將熔融的液態(tài)金屬粘附在鎢針尖上，在外加強(qiáng)電場(chǎng)后，液態(tài)金屬在電場(chǎng)力作用下形成一個(gè)極小的尖端（泰勒錐），液態(tài)尖端的電場(chǎng)強(qiáng)度可 高達(dá)1010V/m。在如此高的電場(chǎng)下，液態(tài)表面的金屬離子以場(chǎng)蒸發(fā)的形式逸出表 面，產(chǎn)生離子束流

30、。由于液態(tài)金屬離子源的發(fā)射面積極小，盡管只有幾微安的離 子電流，但電流密度約可達(dá)106A/cm2，亮度約為20卩A/s。1.2聚焦離子束系統(tǒng)聚焦式離子束技術(shù)是利用靜電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割 技術(shù)，目前商用FIB系統(tǒng)的粒子束是從液態(tài)金屬離子源中引出。由于鎵元素具有低熔點(diǎn)、低蒸汽壓以及良好的抗氧化力，因而液態(tài)金屬離子源中的金屬材料多為 傢（Gallium，Ga）。在離子柱頂端外加電場(chǎng)（Suppress。）于液態(tài)金屬離子源， 可使液態(tài)金屬或合金形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)（Extractor ）牽引尖端的金屬 或合金，從而導(dǎo)出離子束，然后通過(guò)靜電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)一連串可變化孔徑（Auto

31、matic Variable Aperture, AVA）可決定離子束的大小，而后用 EXB質(zhì)量分 析器篩選出所需要的離子種類，最后通過(guò)八極偏轉(zhuǎn)裝置及物鏡將離子束聚焦在樣 品上并掃描，離子束轟擊樣品，產(chǎn)生的二次電子和離子被收集并成像或利用物理 碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn)切割或研磨。二. 微納加工圖形設(shè)計(jì)2.1微納加工技術(shù)1.概況作為與微納加工技術(shù)相關(guān)的通用參數(shù)，是機(jī)械材料和材料加工領(lǐng)域的重要指 標(biāo)，顯示了加工技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。該路線圖把微納加工分為二維和三維兩種，旨 在闡明加工分辨率發(fā)展的長(zhǎng)期變化，并預(yù)測(cè)其進(jìn)展。該路線圖還討論加工技術(shù)的 極限一原子級(jí)加工分辨率的可能性、 實(shí)現(xiàn)的時(shí)間、必要的突破，以及新興加工技

32、術(shù)對(duì)產(chǎn)業(yè)和社會(huì)產(chǎn)生的影響。這些討論將為工程人員提供社會(huì)和學(xué)術(shù)內(nèi)涵及其量 化目標(biāo)，有助于機(jī)械工程的進(jìn)一步發(fā)展。2. 關(guān)鍵參數(shù)該路線圖把加工分辨率視為微納加工的關(guān)鍵參數(shù)，并顯示了二維和三維微納 加工加工分辨率的長(zhǎng)期變化，同時(shí)顯示了業(yè)界聞名的耐在超精細(xì)加工領(lǐng)域能夠?qū)?現(xiàn)的極限。加工分辨率不能超過(guò)這個(gè)加工極限。二維微納加工的分辨率高于三維。 從直覺(jué)上可知，當(dāng)我們?cè)黾泳S數(shù)時(shí)，加工軸的數(shù)目也隨之增加。如果僅從當(dāng)前的 趨勢(shì)考慮，二維微納加工的分辨率將在 2025年或以后達(dá)到原子級(jí)，三維微納米 加工的分辨率則在2035年或以后達(dá)到原子級(jí)。實(shí)驗(yàn)六電鏡樣品制備實(shí)踐一. 離子減薄儀的工作原理和實(shí)踐1.1離子減薄儀的

33、工作原理在電場(chǎng)作用下，氬氣被電離成氬離子，帶著一定能量的氬離子從陽(yáng)極飛向陰 極，通過(guò)陰極孔，打在接地的陰極表面，使樣品表面飛濺，這就是氬離子轟擊的 基本原理。1.2影響樣品制備的幾個(gè)因素1 與儀器有關(guān)的離子束電壓離子束電流離子束的入射角真空度2 與樣品有關(guān)的樣品的種類樣品的微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)樣品的初始表面情況樣品的初始厚度樣品的安裝1.3離子減薄儀器寬束離子減薄儀 低角度離子減薄儀 聚焦離子束減薄儀 低能離子減薄儀二. 雙噴減薄儀的工作原理和實(shí)踐2.1雙噴減薄儀的操作流程1、配置樣品雙噴液，一般鋼鐵樣品為 9%高氯酸+酒精。2、連接設(shè)備電源，并打開(kāi)開(kāi)關(guān)。將雙噴液倒入溶池內(nèi)，并加入液氮將雙噴液溫 度降低

34、至-20C -30C。3、將樣品裝入樣品夾中，并放入卡槽內(nèi)。選擇與雙噴模式，測(cè)定樣品雙噴電壓。4、點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，開(kāi)始雙噴，鋼鐵樣品一般在 2分鐘內(nèi)完成。5、聽(tīng)到實(shí)驗(yàn)結(jié)束的提示音后，迅速取出樣品夾內(nèi)的樣品，放入純酒精內(nèi)清洗， 取出后放在濾紙上晾干。6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用清水清洗設(shè)備，并切斷電源。注意，當(dāng)雙噴液的溫度穩(wěn)定后再開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。 雙噴后的樣品要在酒精中輕輕晃動(dòng)清 洗，避免將薄區(qū)清洗掉。三. 截面離子拋光的工作原理和實(shí)踐3.1氬離子拋光原理氬離子拋光技術(shù)是一種利用寬離子束 （1mm）來(lái)切割樣品，以獲得寬闊而精 確的電子顯微分析區(qū)域的樣品表面制備技術(shù)。 一個(gè)堅(jiān)固的擋板遮擋住樣品的非目 標(biāo)區(qū)域，有效的遮蔽

35、了下半部分的離子束， 創(chuàng)造出一個(gè)側(cè)切割平面，去除樣品表 面的一層薄膜。3.2性能樣品粘貼在樣品載臺(tái)上的一個(gè)獨(dú)特的Ilion+樣品擋板上，便于使樣品準(zhǔn)確的 定位。系統(tǒng)筒化操作，使樣品可以重復(fù)插入樣品臺(tái)。樣品擋板可以重復(fù)使用，并 可以重新粘貼若干個(gè)新樣品。3.3優(yōu)點(diǎn)（1）對(duì)由硬材料和軟材料組成的復(fù)合材料樣品，能夠很精細(xì)地制作軟硬接合部 的截面,而使用傳統(tǒng)方法制樣是很困難的。（2） 比FIB方法的拋光面積更大（1000卩m以上）。實(shí)驗(yàn)七X射線熒光光譜儀成分分析原理及數(shù)據(jù)處理一. X射線熒光光譜儀的分析原理X熒光光譜儀由激發(fā)源（X射線管）和探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。X射線管產(chǎn)生入射X 射線（一次X射線），激發(fā)被測(cè)

36、樣品。受激發(fā)的樣品中的每一種元素會(huì)放射出二 次X射線，并且不同的元素所放射出的二次 X射線具有特定的能量特性或波長(zhǎng) 特性。探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量這些放射出來(lái)的二次 X射線的能量及數(shù)量。然后，儀器軟 件將探測(cè)系統(tǒng)所收集到的信息轉(zhuǎn)換成樣品中各種元素的種類及含量。二. 應(yīng)用近年來(lái)，X熒光光譜分析在各行業(yè)應(yīng)用范圍不斷拓展，已成為一種廣泛應(yīng)用于冶金、地質(zhì)、有色、建材、商檢、環(huán)保、衛(wèi)生等各個(gè)領(lǐng)域，特別是在RoHS檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用得最多也最廣泛。大多數(shù)分析元素均可用其進(jìn)行分析，可分析固體、 粉末、熔珠、液體等樣品，分析范圍為 Be到U。并且具有分析速度快、測(cè)量范 圍寬、干擾小的特點(diǎn)。三. 特點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)a）分析速度高。測(cè)定用

37、時(shí)與測(cè)定精密度有關(guān)，但一般都很短，25分鐘就可以測(cè)完樣品中的全部待測(cè)元素。b）X射線熒光光譜跟樣品的化學(xué)結(jié)合狀態(tài)無(wú)關(guān)， 而且跟固體、粉末、液體及晶質(zhì)、 非晶質(zhì)等物質(zhì)的狀態(tài)也基本上沒(méi)有關(guān)系。但是在高分辨率的精密測(cè)定中卻可看到 有波長(zhǎng)變化等現(xiàn)象。特別是在超軟 X射線范圍內(nèi)，這種效應(yīng)更為顯著。波長(zhǎng)變 化用于化學(xué)位的測(cè)定。c）非破壞分析。在測(cè)定中不會(huì)引起化學(xué)狀態(tài)的改變，也不會(huì)出現(xiàn)試樣飛散現(xiàn)象。 同一試樣可反復(fù)多次測(cè)量，結(jié)果重現(xiàn)性好。d）X射線熒光分析是一種物理分析方法，所以對(duì)在化學(xué)性質(zhì)上屬同一族的元素也 能進(jìn)行分析。e）分析精密度高。f）制樣簡(jiǎn)單，固體、粉末、液體樣品等都可以進(jìn)行分析。2.缺點(diǎn)a）難于作絕對(duì)分析，故定量分析需要標(biāo)樣。b）對(duì)輕元素的靈敏度要低一些。c）容易受相互元素干擾和疊加峰影響四. 指標(biāo)信息1發(fā)射源是Rh靶X光管，最大電流125mA，電壓60kV，X射線熒光光譜 儀，最大功率3kW2.儀器在真空條件下工作，真空度 13pascals3.5塊分析晶體，可以分析元素周期表FU之間所有元素，含量范圍是ppm 100%4. 分析軟件是Philips公司（現(xiàn)為PANalytical）最新版軟件