材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù) 第二章 電子顯微分析

1、第二章 電子顯微分析一、教學(xué)目的理解掌握電子光學(xué)基礎(chǔ)、電子與固體物質(zhì)的相互作用、襯度理論等電子顯微分析的基本理論，掌握透射電鏡分析、掃描電鏡分析、電子探針分析的應(yīng)用和特點(diǎn)，掌握用各種襯度理論解釋電子顯微像，掌握電子顯微分析樣品的制備方法，了解透射電鏡、掃描電鏡、電子探針的結(jié)構(gòu)。二、重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：電子與物質(zhì)的相互作用、襯度理論、電子探針X射線顯微分析。難點(diǎn)：電子與物質(zhì)的相互作用、襯度理論。三、教學(xué)手段多媒體教學(xué)四、學(xué)時(shí)分配14學(xué)時(shí)概述：一、光學(xué)顯微鏡的局限性：1.分辨能力（分辨率）：分辨能力（分辨率、分辨本領(lǐng)）：一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能分開兩個(gè)物點(diǎn)的能力，數(shù)值上是剛能清楚地分開兩個(gè)物點(diǎn)間的最小距離。=(

2、nm)r 分辨率（r小，分辨能力越高）照明光的波長n透鏡所處環(huán)境介質(zhì)的折射率透鏡孔徑半角（）nsina數(shù)值孔徑用N.A表示電子在電、磁場中易改變運(yùn)動方向，且電子波的波長比可見光短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時(shí)所能達(dá)到的分辨率比光學(xué)顯微鏡高得多。二、電子顯微分析：是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、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。透射電子顯微鏡（TEM）掃描電子顯微鏡（SEM）電子探針（EPMA）特點(diǎn)：1.分辨率高：0.20.3nm2.放大倍數(shù)高：2030萬倍3.是一種微區(qū)分析方法：能進(jìn)行nm尺度的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成分析4.多功能、綜合性分析方向發(fā)展：形貌、結(jié)構(gòu)

3、、成份第一節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ)電子光學(xué)是研究帶電粒子（電子、離子）在電場和磁場中運(yùn)動，特別是在電場和磁場中偏轉(zhuǎn)、聚焦和成像規(guī)律的一門科學(xué)。本課程所涉及的電子光學(xué)僅局限于電子顯微鏡這類儀器中電子的運(yùn)動規(guī)律。電子光學(xué)與幾何光學(xué)的相似：1. 聚焦成像：幾何光學(xué)光學(xué)透鏡電子光學(xué)電場、磁場2. 電子光學(xué)：仿照幾何光學(xué)把電子運(yùn)動軌跡看作射線，可用幾何光學(xué)參數(shù)來表征。3. 幾何光學(xué)中用旋轉(zhuǎn)對稱面（如球面）作為折射面。電鏡成像系統(tǒng)中用旋轉(zhuǎn)對稱的電場、磁場的等位面作折射面。一、電子的波性及波長1. 電子波性De Broglie波1924年，德布羅意提出了運(yùn)動著的微觀粒子（如中子、電子、離子等）也具有波粒二象性假說運(yùn)

4、動著的微觀粒子也伴隨著一個(gè)波物質(zhì)波或德布羅意波 E=hv P=h/ 則 =h/p=h/mv2. 電子波長： V0=0 m/s v：0v E=ev=1/2mv2當(dāng)VC時(shí) m=m0 =（A）V 當(dāng)V=100 KV =0.0037nm二、電子在電磁場中的運(yùn)動和電磁透鏡1. 電子在靜電場中的運(yùn)動：v= 電場力的加速作用 折射作用當(dāng)電子運(yùn)動方向與電場力方向不在一條直線上，電場力的作用不僅改變電子運(yùn)動方向的能量，而且也改變電子的運(yùn)動方向。如圖所示：V1xV1yV2yV2圖2-1電子越過等電位面方向改變將一個(gè)由0v的電場看成由一系列等電位面分割的等電位區(qū)構(gòu)成。當(dāng)一個(gè)電子以V1速度與等電位面AB法線成角方向運(yùn)

5、動。因?yàn)殡妶鰧﹄娮幼饔昧Φ姆较蚩偸茄刂廃c(diǎn)的等電位面的法線方向，且從低電位指向高電位，而沿電子所處點(diǎn)的等電位面的切線方向電場力為零。V1x=V2xV1=sin=V2sin或：（2-14）與光的折射定律表達(dá)式一樣，相當(dāng)于折射率n，說明電場中的等電位面是對電子折射率相同的表面。與光學(xué)系統(tǒng)中兩介質(zhì)界面起折射作用相同。由（2-14）式可知：當(dāng)電子由低電位區(qū)進(jìn)入高電位區(qū)時(shí)，折射角小于入射角，即電子軌跡趨向于法線，反之，相反。2. 靜電透鏡： 靜電透鏡與一定形狀的光學(xué)介質(zhì)界面（如玻璃凸透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱彎曲折射界面）可以使光線聚焦成像相似，一定形狀的等電位曲面族也可使電子束聚焦成像，產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對稱等電位曲

6、面族的電極裝置即為靜電透鏡。二極式三極式靜電透鏡的局限性：強(qiáng)電場導(dǎo)致鏡筒內(nèi)擊穿和弧光放電. 特點(diǎn)：1. 折射率與相當(dāng)2. 因此電場強(qiáng)度不能太高，靜電透鏡焦距較長，不能很好的矯正球差。應(yīng)用：靜電透鏡用于電子槍中使電子束會聚成形。3.電子在磁場中的運(yùn)動；電子在磁場中運(yùn)動時(shí)，受到磁場的作用力洛侖茲力電子在磁場中的受力和運(yùn)動有以下三種情況：與同向：電子不受磁場影響與垂直：電子在與磁場垂直的平面做均勻圓周運(yùn)動。與交角：電子是一螺旋線。4. 磁透鏡磁透鏡旋轉(zhuǎn)對稱的磁場對電子束有聚焦成像作用，產(chǎn)生這種旋的線圈裝置磁透鏡。目前電鏡中使用的是極靴磁透鏡。圖2-6幾種透鏡的軸向磁場強(qiáng)度分布（線圈電流相同）如圖2-

7、5 在上下極靴附近有很強(qiáng)的磁場，與靜電透鏡比，焦距短，聚焦能力強(qiáng)。特點(diǎn)：磁透鏡對電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像相對于物來說旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。磁透鏡是可變焦距和可變倍率透鏡F F與（IN）2成反比場深大（2002000nm）焦深長（80cm）四、電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng)旋轉(zhuǎn)對稱的磁場可以使電子束聚焦成像，但要得到清晰而又與物體的幾何形狀相似的圖像，必須有以下幾個(gè)前提：（1） 磁場的分布是嚴(yán)格軸對稱的。（2） 滿足旁軸條件（3） 電子的波長（速度）相同折射率不同實(shí)際的電磁透鏡并不能完全滿足上述條件，于是產(chǎn)生像差：物面上一點(diǎn)散射出電子束不一定會聚在一點(diǎn)。物面上個(gè)點(diǎn)并不按比例成像于同一平面。結(jié)果

8、：圖像模糊不清；原物的幾何形狀不完全相似。磁透鏡的幾何缺陷產(chǎn)生幾何像差主要像差：球差色差軸上像散畸變1. 球差：電磁透鏡：遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力比近軸區(qū)大（正球差）球差最小弧散圓：在某一位置可獲得最小的彌散圓斑，其半徑為：Rsm2. 色差產(chǎn)生原因：成像電子波長不同引起加速電壓不穩(wěn)定電子與物質(zhì)相互作用非彈性散射最小彌散圓斑半徑：r減小方法：減小試樣厚度3. 軸上像散：產(chǎn)生原因：透鏡磁場不是理想的旋轉(zhuǎn)對稱極靴材料不均勻、加工精度、裝配誤差污染使透鏡為近似的雙對稱場最小彌散圓斑半徑：減小方法：消像散器4. 畸變正球差：遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束會聚能力近軸區(qū)枕型畸變負(fù)球差：桶型畸變磁轉(zhuǎn)角：旋轉(zhuǎn)畸變5. 電磁透

9、鏡的分辨本領(lǐng)：分辨本領(lǐng)除受影響外，還受衍射效應(yīng)、球差、色差、軸上像散等因素的影響。其中以衍射效應(yīng)和球差是最主要的，僅考慮衍射效應(yīng)和球差時(shí)，電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為A為常數(shù)，約為0.40.5，決定于推倒時(shí)的不同假設(shè)。電磁透鏡的理論分辨本領(lǐng)為0.2nm。隨高壓電子束做照明源及用低球差透鏡，理論上可達(dá)0.1nm。五、電磁透鏡的場深和焦深電磁透鏡除分辨本領(lǐng)大（r=0.20.3nm）外，還具有場深大（影深），焦深長的特點(diǎn)。1.場深：不影響分辨本領(lǐng)的前提下，物平面可沿透鏡軸移動的距離當(dāng)r=1nm =10-310-2rad時(shí)，Df200200nm.故對加速電壓為100KV的電鏡，樣品厚度一般控制在200nm

10、以下，在透鏡場深范圍內(nèi)，試樣各種位均能調(diào)焦成像。2. 焦深：在不影響透鏡成像分辨本領(lǐng)的前提下，像平面可沿鏡軸移動的距離（Di）Di=當(dāng)r=1nm =10-2rad M=2000倍時(shí) Di=80cm注：這一結(jié)果只有在每級透鏡的Df L1時(shí)才是正確的。第二節(jié) 電子與固體物質(zhì)的相互作用電子與物質(zhì)作用產(chǎn)生各種信號,利用這些信號可以進(jìn)行透射電鍍,掃描電鍍,電子探針,餓歇電子能譜, X射線光電子能譜分析.一.、電子散射聚焦電子束沿一定方向入射試樣時(shí), 在原子庫侖電場作用下, 改變運(yùn)動方向-電子散射彈性散射-只改變方向,不改變能量 (原子核對電子)非彈性散射-既改變方向,也改變能量熱能量減小: 光 X射線二

11、次電子1. 原子核對電子的彈性散射入射電子與原子核發(fā)生彈性碰撞時(shí): m(原子核)m(電子)所以電子只改變方向,不改變能量,相等于彈性碰撞-彈性散射散射角: =其中 Z - 原子序數(shù) E - 電子電荷 E0 - 入射電子能量 rn - 電子距原子核距離(2-31)表明: Z大, E0小, r0小, X大應(yīng)用: 由于彈性散射的電子能量等于或者接近于入射電子能量E0, 因此是透射電鏡中成像和衍射的基礎(chǔ).2. 原子核對電子的非彈性散射入射電子被庫侖電勢制動而減-非彈性散射損失的能量E X射線由于能量損失不固定,X射線波長無特征值.波長是連續(xù)的,不能用來分析,反而在X射線譜上產(chǎn)生連續(xù)背底.3. 核外電子

12、對入射電子的非彈性散射入射電子與核外電子的碰撞為非彈性散射單電子激發(fā)入射電子與核外電子的碰撞,將核外電子激發(fā)脫離原子核二次電子二次電子: 能量低: 50ev應(yīng)用 對試樣表面狀態(tài)非常敏感,顯示表面微區(qū)形貌結(jié)構(gòu)非常有效.-掃描電鍍成像(主要成像手段).等離子激發(fā):入射電子家電子集體振蕩電子能量損失Ep Ep有固定值-特征能量損失該電子-特征能量損失電子應(yīng)用: 電子能量損失譜-能量分析電子顯微術(shù)有特征能量的電子成像-能量選擇電子顯微術(shù)聲子激發(fā)入射電子和晶格的作用可以看作是電子激發(fā)聲子（或吸收聲子）的碰撞過程。碰撞后，電子發(fā)生大角度散射，能量變化甚微，動量改變可以相當(dāng)大。二. 內(nèi)層電子激發(fā)后的馳豫過程

13、內(nèi)層電子被運(yùn)動電子轟擊,脫離原子后,原子處于高度激發(fā)狀態(tài),它將躍遷到能量較低狀態(tài)-馳豫(1)輻射躍遷-標(biāo)識X射線發(fā)射(2)非輻射躍遷-俄歇電子三、自由載流子當(dāng)高能量的入射電子照射到半導(dǎo)體,絕緣體和磷光體上時(shí),不僅可在內(nèi)層電子激發(fā)產(chǎn)生電離,還可在滿帶中的價(jià)電子激發(fā)到導(dǎo)帶中去,在滿帶和導(dǎo)帶內(nèi)產(chǎn)生大量空穴和電子等自由載流子,這些自由載流子進(jìn)一步產(chǎn)生陰極熒光,電子束電導(dǎo)和電子束伏特效應(yīng).1.陰極熒光半導(dǎo)體、絕緣體和熒光體，在高能量電子束的照射下射出的可見光。應(yīng)用：陰極熒光譜線波長(顏色)和強(qiáng)度來鑒別生體物質(zhì)和分析雜質(zhì)含量。2.電子束電導(dǎo)和電子生伏特電子束電導(dǎo)-在試樣兩端建立電位差，自有載流子向?qū)噪姌O

14、移動，產(chǎn)生附加電導(dǎo)。電子生伏特-自由載流子在半導(dǎo)體的局部電場作用下，各自運(yùn)動到一定的區(qū)域積累起來,形成凈空間電荷而產(chǎn)生電位差。四、各種電信號高速電子與物質(zhì)作用-以上的各種作用會產(chǎn)生各種電信號1.背射電子:散射角大于90(1)彈性背散射電子.(2)非彈性背散射電子:單次;多次.注：表面出射電子：(1)背散射電子，(2)二次電子，(3)俄歇電子，(4)特征能量損失電子。2.透射電子：試樣厚度10,Z10）為155對表面要求平整，光滑較粗糙表面也適用典型數(shù)據(jù)收集時(shí)間10min23min譜失真少主要包括：逃逸峰、峰重疊脈沖堆積電子束散射鈹窗吸收效應(yīng)等最小束斑直徑200nm5nm探測極限（）0.010.10.10.5波譜儀和能譜儀的特點(diǎn)：波譜儀分析的元素范圍廣、探測極小、分辨率高，適應(yīng)于精確的定量分析。其缺點(diǎn)是要求試樣表面平整光滑，分析速度較慢，需要用較大的束流，從而同意引起樣品和鏡筒的污染。能譜儀雖然在分析元素范圍、探測極限、分辨率等方面不如波譜儀，但其分析速度快，可用較小的束流和微細(xì)的電子束，對試樣表面要求不如波譜儀那樣嚴(yán)格，因此特別適合于與掃描電鏡配合使用。目前掃描電鏡或電子探針儀可用時(shí)配用能譜儀和波譜儀，構(gòu)成掃描電鏡-波譜儀-能譜儀系統(tǒng)，使兩種譜儀互相補(bǔ)充，發(fā)揮長處，是非常有效的材料研究工具。四分析方法及應(yīng)用