微觀結(jié)構(gòu)分析基本原理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)(jigu)分析基本原理分析基本原理第一頁，共46頁。第2頁/共46頁第二頁，共46頁?，F(xiàn)象：水波繞不到擋板后面現(xiàn)象：水波繞不到擋板后面(hu mian)而而繼續(xù)傳播繼續(xù)傳播說明說明: : 發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件與障礙物的大小有發(fā)生衍射現(xiàn)象的條件與障礙物的大小有關(guān)。關(guān)。 猜想猜想: : 那么那么障礙物的大小障礙物的大小與與波的那個(gè)參量有波的那個(gè)參量有關(guān)？關(guān)？第3頁/共46頁第三頁，共46頁。發(fā)生發(fā)生(fshng)(fshng)明顯的波的衍射的條件明顯的波的衍射的條件實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)： (1) (1)使波長相同的水波通過寬度不同使波長相同的水波通過寬度不同(b tn)(b tn)的

2、窄縫。的窄縫。 (2) (2)使波長不同使波長不同(b tn)(b tn)的水波通過寬度相同的窄縫。的水波通過寬度相同的窄縫。 (3) (3)波長不斷變小的水波通過寬度不斷增大的窄縫波長不斷變小的水波通過寬度不斷增大的窄縫 (4) (4)水波繞障礙物的情形。水波繞障礙物的情形。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(shyn)表明：表明： 只有縫、孔的寬度或阻礙物的尺寸跟波長只有縫、孔的寬度或阻礙物的尺寸跟波長相差不多，或者比波長更小時(shí)，才能觀察到明相差不多，或者比波長更小時(shí)，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象顯的衍射現(xiàn)象第4頁/共46頁第四頁，共46頁。第5頁/共46頁第五頁，共46頁。第6頁/共46頁第六頁，共46頁。 甲中波長

3、是窄縫寬度甲中波長是窄縫寬度(kund)(kund)的的3/103/10，照片乙中波長是窄，照片乙中波長是窄縫寬度縫寬度(kund)(kund)的的5/105/10，照片丙中波長是窄縫寬度，照片丙中波長是窄縫寬度(kund)(kund)的的7/107/10 保持窄縫的寬度不變，改變水波的波長，波的保持窄縫的寬度不變，改變水波的波長，波的傳播情況有什么傳播情況有什么(shn me)(shn me)變化呢變化呢? ? 第7頁/共46頁第七頁，共46頁。結(jié)論結(jié)論(jiln)(jiln)： 障礙物寬度跟波長相差不多時(shí)，有明顯的衍障礙物寬度跟波長相差不多時(shí)，有明顯的衍射現(xiàn)象；射現(xiàn)象； 障礙物寬度比波長大

4、得越多，衍射現(xiàn)象越不障礙物寬度比波長大得越多，衍射現(xiàn)象越不明顯；明顯；障礙物寬度跟波長相比非常大時(shí)，水波將直線障礙物寬度跟波長相比非常大時(shí)，水波將直線傳播，觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象傳播，觀察不到明顯的衍射現(xiàn)象第8頁/共46頁第八頁，共46頁。第9頁/共46頁第九頁，共46頁。拓寬：用惠更斯原理解釋衍射(ynsh)現(xiàn)象1、惠更斯原理、惠更斯原理 媒質(zhì)中波動(dòng)傳到的各點(diǎn)，都可以媒質(zhì)中波動(dòng)傳到的各點(diǎn)，都可以(ky)看作是新的次波源，這看作是新的次波源，這些新波源發(fā)射的波稱為子波，其后任一時(shí)刻這些子波的包絡(luò)面就些新波源發(fā)射的波稱為子波，其后任一時(shí)刻這些子波的包絡(luò)面就是該時(shí)刻的新波陣面。是該時(shí)刻的新波陣面。

5、 第10頁/共46頁第十頁，共46頁。拓寬：用惠更斯原理解釋(jish)衍射現(xiàn)象.障礙物障礙物障礙物后的障礙物后的陰影部分陰影部分障礙后障礙后的波面的波面障礙后障礙后的波線的波線2 2、波傳到小孔狹縫時(shí)，縫上各點(diǎn)都可看作子波源，小孔仿佛一個(gè)、波傳到小孔狹縫時(shí)，縫上各點(diǎn)都可看作子波源，小孔仿佛一個(gè)(y )(y )新的新的波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波波源，由它發(fā)出與原來同頻率的波( (稱為子波稱為子波) )在孔后的邊緣處，波的傳播方向在孔后的邊緣處，波的傳播方向發(fā)生改變傳播，于是，就出現(xiàn)了偏離直線傳播方向的衍射現(xiàn)象當(dāng)狹縫縮小，發(fā)生改變傳播，于是，就出現(xiàn)了偏離直線傳播方向的衍射現(xiàn)象當(dāng)狹縫縮小，與波

6、長相近時(shí)，衍射效果顯著。與波長相近時(shí)，衍射效果顯著。第11頁/共46頁第十一頁，共46頁?；?更 斯C.Huygens荷蘭荷蘭(h ln)物理學(xué)家物理學(xué)家(1629-1695)1656年造出了人類年造出了人類(rnli)歷史上第歷史上第一架擺鐘一架擺鐘 1666年當(dāng)選為荷蘭年當(dāng)選為荷蘭(h ln)科學(xué)院院士科學(xué)院院士。 1690年出版年出版光論光論，提出了著名的惠更斯，提出了著名的惠更斯原理。原理。第12頁/共46頁第十二頁，共46頁。微觀粒子的波粒二象性微觀粒子的波粒二象性. . 德布羅意假設(shè)德布羅意假設(shè)(jish)(jish)那么實(shí)物粒子那么實(shí)物粒子(lz)(lz)也應(yīng)具有波動(dòng)性。也應(yīng)具有

7、波動(dòng)性。L.V. de Broglie （法，（法，1892-1986）從自然界的對稱性出發(fā)從自然界的對稱性出發(fā)(chf),(chf),認(rèn)為認(rèn)為: :既然光既然光( (波波) )具有粒子性，具有粒子性，德布洛意把德布洛意把題為題為“量子理論的研究量子理論的研究”的博士論文提交巴黎大學(xué)。的博士論文提交巴黎大學(xué)。第13頁/共46頁第十三頁，共46頁。與粒子相聯(lián)系與粒子相聯(lián)系(linx)(linx)的波稱為物質(zhì)波，或德布羅意的波稱為物質(zhì)波，或德布羅意波。波。一個(gè)能量為一個(gè)能量為E,動(dòng)量為動(dòng)量為 P 的實(shí)物的實(shí)物(shw)粒子同時(shí)具有粒子同時(shí)具有波動(dòng)性波動(dòng)性, 且且:mvhph 德布羅意波長德布羅意波

8、長(bchng)。他在論文中指出他在論文中指出:hmvp第14頁/共46頁第十四頁，共46頁。mEhph2 meUhph2 若若 U=100伏伏 =1.225U25.12 ()經(jīng)愛因斯坦的推薦經(jīng)愛因斯坦的推薦(tujin)，物質(zhì)波理論受到了關(guān)注。，物質(zhì)波理論受到了關(guān)注。答辯會(huì)上有人問答辯會(huì)上有人問:“這種波怎樣這種波怎樣(znyng)用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)呢？用實(shí)驗(yàn)來證實(shí)呢？”估算估算( sun)電子電子的波長的波長:設(shè)電子動(dòng)能由設(shè)電子動(dòng)能由U伏電壓加速產(chǎn)生伏電壓加速產(chǎn)生 X射線波段射線波段德布洛意答：德布洛意答：“用電子在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)可以做到。用電子在晶體上的衍射實(shí)驗(yàn)可以做到。”第15頁/共46頁

9、第十五頁，共46頁。實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)驗(yàn)證驗(yàn)證電子衍射實(shí)驗(yàn)電子衍射實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)(1)戴維遜戴維遜革末實(shí)驗(yàn)革末實(shí)驗(yàn)(shyn)（1927年）年） 真空真空電子槍電子槍掠射角掠射角I IN Ni i單晶單晶U U實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(shyn)(shyn)裝置示意圖裝置示意圖假如電子具有波動(dòng)性假如電子具有波動(dòng)性，應(yīng)滿足應(yīng)滿足布喇格公式布喇格公式 , 3 , 2 , 125.12sin2 kUkd第16頁/共46頁第十六頁，共46頁。 sin225.12dkUC，2C,3C, ,此時(shí)電表中應(yīng)出現(xiàn)此時(shí)電表中應(yīng)出現(xiàn)最大的電流最大的電流即即C CC CC CC CI IU實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)(shy

10、n)(shyn)結(jié)果結(jié)果: :C第17頁/共46頁第十七頁，共46頁。（2 2）G.P.G.P.湯姆遜（湯姆遜（19271927年）年） 電子通過金屬電子通過金屬(jnsh)(jnsh)多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn)多晶薄膜的衍射實(shí)驗(yàn). . 衍衍射射圖圖象象 實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)原原理理1929年年 德布洛意獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。德布洛意獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。1937年年 戴維遜戴維遜 與與 G.P.湯姆遜獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。湯姆遜獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。第18頁/共46頁第十八頁，共46頁。透射電鏡透射電鏡掃描電鏡掃描電鏡第一章第一章 微觀微觀(wigun)結(jié)構(gòu)分析基結(jié)構(gòu)分析基本原理本原理第19頁/共46頁第十九頁，共46頁。第一章第一章

11、 微觀微觀(wigun)結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析基本原理基本原理第20頁/共46頁第二十頁，共46頁。l入射電子入射電子(dinz)在原子的庫侖場作在原子的庫侖場作用下改變方向而無能量變化，產(chǎn)生衍用下改變方向而無能量變化，產(chǎn)生衍射和成象射和成象l與核外電子與核外電子(dinz)云作用的散射角云作用的散射角0.2，可形成，可形成BRAGG衍射衍射lTEM: structure, morphology, composition）；）；第21頁/共46頁第二十一頁，共46頁。l當(dāng)一束等能量當(dāng)一束等能量(或單一波長或單一波長)的電子垂直穿透一薄膜樣品時(shí)，如果的電子垂直穿透一薄膜樣品時(shí)，如果樣品為晶體，由于原子

12、排列的規(guī)律性，入射電子波與各原子的彈樣品為晶體，由于原子排列的規(guī)律性，入射電子波與各原子的彈性散射波不但波長相同，而且有一定的相位關(guān)系，即它們之間相性散射波不但波長相同，而且有一定的相位關(guān)系，即它們之間相互干涉，把這種散射稱為相干彈性散射?；ジ缮妫堰@種散射稱為相干彈性散射。l如果樣品中只含有一種元素，且原子是任意分布的如果樣品中只含有一種元素，且原子是任意分布的(即樣品是非即樣品是非晶態(tài)的晶態(tài)的)，那么散射是隨機(jī)的，并且相互無關(guān)，故稱此種散射為不，那么散射是隨機(jī)的，并且相互無關(guān)，故稱此種散射為不相干彈性散射。相干彈性散射。l由于干涉結(jié)果，在空間某些方向上彈性散射波相互減弱或相消由于干涉結(jié)果，

13、在空間某些方向上彈性散射波相互減弱或相消，在另一些方向上，彈性散射波互相加強(qiáng)。干涉加強(qiáng)的極大值方，在另一些方向上，彈性散射波互相加強(qiáng)。干涉加強(qiáng)的極大值方向，就稱為晶體的衍射線方向，這就是向，就稱為晶體的衍射線方向，這就是(jish)電子衍射。電子衍射。l彈性散射是透射電子顯微鏡的成象基礎(chǔ)。彈性散射是透射電子顯微鏡的成象基礎(chǔ)。第22頁/共46頁第二十二頁，共46頁。Figure 4-9 Bright-field image of the as-cast Al sample.圖4-9原始鑄鋁材顯微結(jié)構(gòu)的明場像。Figure 4.27 Magnified image of figure 4.26.圖

14、4.27 圖4.26的局部放大。圖4.28 在波紋襯度所穿過的晶界處攝取的選區(qū)電子衍射圖，揭示出小角晶界的特征。第23頁/共46頁第二十三頁，共46頁。l樣品內(nèi)原子的核外電子在受到入射電子轟擊時(shí)，有可能被樣品內(nèi)原子的核外電子在受到入射電子轟擊時(shí)，有可能被激發(fā)到較高的空能級甚至被電離。激發(fā)到較高的空能級甚至被電離。l價(jià)電子與核的結(jié)合能很小，被激發(fā)時(shí)只引起入射電子少量價(jià)電子與核的結(jié)合能很小，被激發(fā)時(shí)只引起入射電子少量的能量損失和小角度的能量損失和小角度(jiod)散射。散射。l內(nèi)層電子的結(jié)合能較大，受到入射電子激發(fā)時(shí)需要消耗它內(nèi)層電子的結(jié)合能較大，受到入射電子激發(fā)時(shí)需要消耗它較多的能量，并發(fā)生大角

15、散射。較多的能量，并發(fā)生大角散射。第24頁/共46頁第二十四頁，共46頁。ValenceL3L2L1Kefree eKa2特征X射線Auger eK激發(fā)態(tài) 發(fā)射K光子（重元素）平均(pngjn)自由程mm 發(fā)射俄歇電子(dinz)（輕元素） 平均自由程,表面幾層原子 Energy Dispersive Analysis of X-rays (EDAX)Wave length Dispersive Analysis of X-rays (Electron Microprobe)Auger spectroscopy第25頁/共46頁第二十五頁，共46頁。Figure 4-6 Typical SEM

16、 morphology on near-surface cross section of pure aluminum (1006mm) bombarded with 15 EB pulses 圖4-6 轟擊表面熔化區(qū)內(nèi)的微觀典型形貌A. 火山坑狀“熔孔” B. 顆粒狀熔體Figure 4-7 SEM image for the cross section at near-surface layer after chemical corrosion 圖4-7 轟擊試樣截面近表層腐蝕后的高倍電子掃描形貌二次電子像二次電子像第26頁/共46頁第二十六頁，共46頁。l晶體是由處于點(diǎn)陣固定位置上的帶正電

17、的原子實(shí)晶體是由處于點(diǎn)陣固定位置上的帶正電的原子實(shí)(即剝?nèi)r(jià)即剝?nèi)r(jià)電子的正離子電子的正離子)和漫散在整個(gè)晶體空間的價(jià)電子云所組成的電和漫散在整個(gè)晶體空間的價(jià)電子云所組成的電中性體系，因此可把它看成等離子體；中性體系，因此可把它看成等離子體；l高能電子入射晶體時(shí)，會(huì)瞬時(shí)地破壞入射區(qū)域的電中性。在高能電子入射晶體時(shí)，會(huì)瞬時(shí)地破壞入射區(qū)域的電中性。在其周圍的價(jià)電子受到排斥，作徑向發(fā)散運(yùn)動(dòng)。在入射點(diǎn)附近產(chǎn)其周圍的價(jià)電子受到排斥，作徑向發(fā)散運(yùn)動(dòng)。在入射點(diǎn)附近產(chǎn)生帶正電的區(qū)域，而在較遠(yuǎn)的區(qū)域由于生帶正電的區(qū)域，而在較遠(yuǎn)的區(qū)域由于(yuy)價(jià)電子的多余價(jià)電子的多余，出現(xiàn)帶負(fù)電的區(qū)域。，出現(xiàn)帶負(fù)電的區(qū)域。l

18、然后在兩區(qū)域庫侖電場作用下，使負(fù)電區(qū)域多余的價(jià)電子向然后在兩區(qū)域庫侖電場作用下，使負(fù)電區(qū)域多余的價(jià)電子向正電區(qū)域運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其超過平衡位置后，正電區(qū)域變成負(fù)電區(qū)，正電區(qū)域運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其超過平衡位置后，正電區(qū)域變成負(fù)電區(qū)，而負(fù)電區(qū)域變成正電區(qū)域，如此往復(fù)不已，引起價(jià)電子云的集而負(fù)電區(qū)域變成正電區(qū)域，如此往復(fù)不已，引起價(jià)電子云的集體振蕩。體振蕩。第27頁/共46頁第二十七頁，共46頁。l晶體振動(dòng)的能量也是量子化的，其能量量子叫聲子；晶體振動(dòng)的能量也是量子化的，其能量量子叫聲子；l熱運(yùn)動(dòng)很容易產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)很容易產(chǎn)生(chnshng)聲子，在常溫下晶體聲子，在常溫下晶體中有許多的聲子；中有許多的聲子；l聲子波長

19、比較短（約幾個(gè)埃），比等離子要小聲子波長比較短（約幾個(gè)埃），比等離子要小23個(gè)個(gè)數(shù)量級，動(dòng)量相當(dāng)大。數(shù)量級，動(dòng)量相當(dāng)大。l入射電子與晶格相互作用可以看作是激發(fā)或吸收聲子入射電子與晶格相互作用可以看作是激發(fā)或吸收聲子的過程；的過程；l雖然入射電子激發(fā)或吸收聲子后能量變化甚微，但是雖然入射電子激發(fā)或吸收聲子后能量變化甚微，但是動(dòng)量相當(dāng)大，將使入射電子發(fā)生大角度散射。動(dòng)量相當(dāng)大，將使入射電子發(fā)生大角度散射。第28頁/共46頁第二十八頁，共46頁。l高速入射電子受原子核庫侖電場的作用可能引起大角度彈性高速入射電子受原子核庫侖電場的作用可能引起大角度彈性散射，但也可能被原子核庫侖電場所制動(dòng)而減速，發(fā)生非

20、彈散射，但也可能被原子核庫侖電場所制動(dòng)而減速，發(fā)生非彈性散射。性散射。l帶負(fù)電的電子在受到減速作用的同時(shí)，在其周圍的電磁場將帶負(fù)電的電子在受到減速作用的同時(shí)，在其周圍的電磁場將發(fā)生急劇的變化，將產(chǎn)生一個(gè)發(fā)生急劇的變化，將產(chǎn)生一個(gè)(y )電磁波脈沖，這種現(xiàn)象電磁波脈沖，這種現(xiàn)象叫做軔致輻射。叫做軔致輻射。l由于大量電子入射固體樣品的時(shí)間和條件不盡相同，每一個(gè)由于大量電子入射固體樣品的時(shí)間和條件不盡相同，每一個(gè)(y )入射電子受到減速作用也不一樣，損失的能量大小不入射電子受到減速作用也不一樣，損失的能量大小不等，所釋放的電磁波波長也就長短不一，故此，無確定的特等，所釋放的電磁波波長也就長短不一，故

21、此，無確定的特征值而構(gòu)成連續(xù)譜征值而構(gòu)成連續(xù)譜X射線。射線。第29頁/共46頁第二十九頁，共46頁。反射回來。這些不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，還有不同程度的反射回來。這些不僅改變運(yùn)動(dòng)方向，還有不同程度的能量損失的入射電子叫做能量損失的入射電子叫做(jiozu)非彈性背散射電子。非彈性背散射電子。二、二、 固體樣品受到入射電子激發(fā)固體樣品受到入射電子激發(fā)(jf)產(chǎn)生的各種產(chǎn)生的各種信號信號第30頁/共46頁第三十頁，共46頁。電離約占電離總數(shù)的電離約占電離總數(shù)的90。所以，在樣品表面上方。所以，在樣品表面上方檢測到的二次電子絕大部分是來自價(jià)電子電。檢測到的二次電子絕大部分是來自價(jià)電子電。二次電子能量比較低

22、，一般小于二次電子能量比較低，一般小于50eV，大部分在，大部分在23eV之間。習(xí)慣上把在樣品上方檢測到的，能量低之間。習(xí)慣上把在樣品上方檢測到的，能量低于于50eV的自由電子叫做的自由電子叫做“真正真正”二次電子，而把能二次電子，而把能量高于量高于50eV的電子叫做初級背散射電子的電子叫做初級背散射電子(包括彈性包括彈性和非彈性背散射電子和特征能量損失電子和非彈性背散射電子和特征能量損失電子)。二、二、 固體樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生固體樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生(chnshng)的各的各種信號種信號第31頁/共46頁第三十一頁，共46頁。可以測出吸收電子產(chǎn)生的吸收電可以測出吸收電子產(chǎn)生的吸收電

23、流，又稱試樣電流。流，又稱試樣電流。二、二、 固體樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種固體樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種( zhn)信信號號第32頁/共46頁第三十二頁，共46頁。二、二、 固體固體(gt)樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種信樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種信號號第33頁/共46頁第三十三頁，共46頁。n二、二、 固體固體(gt)樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種信樣品受到入射電子激發(fā)產(chǎn)生的各種信號號第34頁/共46頁第三十四頁，共46頁。特征特征X射線的能量射線的能量(nngling)和波長和波長只取決于被激發(fā)物質(zhì)的原子能級結(jié)只取決于被激發(fā)物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，而與其它因素?zé)o關(guān)，它是物質(zhì)構(gòu)，而

24、與其它因素?zé)o關(guān)，它是物質(zhì)固有的特征。固有的特征。特征特征X射線的強(qiáng)度與激發(fā)區(qū)相應(yīng)的元射線的強(qiáng)度與激發(fā)區(qū)相應(yīng)的元素含量有關(guān)，這是用波譜儀和能譜素含量有關(guān)，這是用波譜儀和能譜儀進(jìn)行微區(qū)元素定性，定量分析得儀進(jìn)行微區(qū)元素定性，定量分析得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。二、二、 固體樣品受到入射電子固體樣品受到入射電子(dinz)激發(fā)產(chǎn)生的各種激發(fā)產(chǎn)生的各種信號信號第35頁/共46頁第三十五頁，共46頁。根據(jù)根據(jù)(gnj)俄歇電子的能量測定試樣俄歇電子的能量測定試樣成分的儀器稱為俄歇電子能譜儀。成分的儀器稱為俄歇電子能譜儀。俄歇電子能量一般為俄歇電子能量一般為501500eV,它它在固體中的平均自由程非常短。在固體中的平均自由程非常短。顯然，一個(gè)原子中至少有三個(gè)以上的顯然，一個(gè)原子中至少有三個(gè)以上的電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)。至少有兩電子才能產(chǎn)生俄歇效應(yīng)。至少有兩個(gè)能級和三個(gè)電子參與俄歇過程，個(gè)能級和三個(gè)電子參與俄歇過程，所以氫原子和氦原子不能產(chǎn)生俄歇所以氫原子和氦原子不能產(chǎn)生俄歇電子。同樣孤立的鋰原子因?yàn)樽钔怆娮印Ｍ瑯庸铝⒌匿囋右驗(yàn)樽钔鈱又挥幸粋€(gè)電子，也不能產(chǎn)生俄歇層只有一個(gè)電子，也不能產(chǎn)生俄歇電子。但是在固體中價(jià)電子是共用電子。但是在固體中價(jià)電子是共用的，所以在各種含