材料研究方法及電子顯微鏡-PPT課件

1、1.電子束與固體物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的物理信號(hào) 材料研究方法電子束作用于試樣上所產(chǎn)生的物理信號(hào)主要有背散射電子、二次電子、吸收電子、透射電子、俄歇電子、連續(xù)X射線、特征X射線、X熒光、陰極發(fā)光、衍射電子等。 材料研究方法 各種物理信號(hào)各種的產(chǎn)生深度、 廣度、途和分辨率深度和廣度范圍 材料研究方法各種物理信號(hào)應(yīng)用的深度和廣度 材料研究方法概念：背散射電子是被固體樣品反射回來(lái)的入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。彈性背散射電子的能量幾乎沒(méi)有損失，而非彈性背散射電子的能量有不同程度的損失。2 各種物理信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理及用途2.1 背射電子特點(diǎn)：總的來(lái)說(shuō)，背散射電子的能量較高，等于或接近入射

2、電子的能量。其產(chǎn)率隨試樣原子序數(shù)的增大而增大。用途：在掃描電鏡和電子探針中，用背散射電子可以獲得試樣的表面形貌像和成分像。 材料研究方法概念：在入射電子的撞擊下，脫離原子核的束縛，逸出試樣表面的自由電子稱為二次電子。特點(diǎn)：二次電子的能量較低(小于50eV)，產(chǎn)生范圍小（僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生）；產(chǎn)率與試樣的表面形狀密切相關(guān)，對(duì)試樣的表面狀態(tài)非常敏感，能很好地反映試樣的表面形貌。 用途：在掃描電鏡中用來(lái)獲取試樣的表面形貌像。 2.2二次電子 材料研究方法概念：被試樣吸收掉的入射電子稱為吸收電子。特點(diǎn)：吸收電子的數(shù)量與試樣的厚度、密度、組成試樣的原子序數(shù)有關(guān)。試樣的厚度赿大、密度赿大，原子序

3、數(shù)赿大，吸收電子的數(shù)量就赿大。如果試樣足夠厚，電子不能透過(guò)試樣，那么入射電子I0與背散射電子IB、二次電子IS和吸收電子IA之間有以下關(guān)系 I0=IB+IS+IA 故吸收電子像是二次電子像、背散射電子像的負(fù)像。用途：在掃描電鏡中，可以用其獲取試樣的形貌像、成分像。2.3 吸收電子 材料研究方法概念：穿透試樣的入射電子稱為透射電子。特點(diǎn)：透射電子的數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān)。試樣厚度赿小，加速電壓赿高，透過(guò)試樣的電子數(shù)量就赿多。試樣比較薄的時(shí)候，由于有透射電子存在，(1)式的右邊應(yīng)加上透射電子項(xiàng)，即 I0=IB+IS+IA+IT用途：透射電子是透射電子顯微鏡要檢測(cè)的主要信息，用于高倍形貌像觀

4、察，高分辨原子、分子、晶格像觀察和電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析。2.4透射電子 材料研究方法由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。如下圖所示，入射電子使試樣中某原子的內(nèi)層(如K層)電子激發(fā)(打飛)后，外層電子(如L2層電子)將回躍到內(nèi)層(K層)來(lái)填補(bǔ)空位，多余的能量(E=EL2-EK)不是以特征X射線的形式釋放出來(lái)，而是傳給了外層(如L3層)的電子，使之激發(fā)。這個(gè)過(guò)程稱為俄歇作用，由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子。2.5俄歇電子 材料研究方法 俄歇電子與特征X射線一樣，具有特定的能量和波長(zhǎng)，其能量和波長(zhǎng)取決于原子的核外電子能級(jí)結(jié)構(gòu)。因此每種元素都有自己的特征俄歇能譜。俄歇電子的能量一般是502000eV

5、，逸出深度420，相當(dāng)于23個(gè)原子層。這種電子能反映試樣的表面特征。 因此,檢測(cè)俄歇電子可以對(duì)試樣表面成分和表面形貌進(jìn)行分析。 材料研究方法 與X射線管產(chǎn)生連續(xù)X射線的原理一樣，不同的是，這里作陽(yáng)極的不是磨光的金屬表面，而是試樣。當(dāng)電子束轟擊試樣表面時(shí)，有的電子可能與試樣中的原子碰撞一次而停止，而有的電子可能與原子碰撞多次，直到能量消耗殆盡為止。每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的X射線，由于各次碰撞的時(shí)間和能量損失不同，產(chǎn)生的X射線的波長(zhǎng)也不相同，加上碰撞的電子極多，因此將產(chǎn)生各種不同波長(zhǎng)的X射線連續(xù)X射線。 連續(xù)X射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予扣除。 2.6連續(xù)X射線 材料研究方法 電子束

6、與固體物質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生特征X射線，這與X射線管產(chǎn)生特征X射線的過(guò)程和原理相同。 特征X射線的波長(zhǎng)決定于原子的核外電子能級(jí)結(jié)構(gòu)。每種元素都有自己特定的特征X射線譜。一種元素的某根特征X射線(如K1)的波長(zhǎng)是不變的，它是識(shí)別元素的一種特有標(biāo)志。在X射線譜中發(fā)現(xiàn)了某種元素的特征X射線，就可以肯定該元素的存在。 特征X射線是電子探針微區(qū)成分分析所檢測(cè)的主要信號(hào)。 2.7特征X射線 材料研究方法 由X射線激發(fā)產(chǎn)生的次級(jí)X射線稱為熒光X射線。其產(chǎn)生機(jī)理與X射線管產(chǎn)生X射線的機(jī)理是一樣的，不同的是熒光X射線以X射線作激發(fā)源。 高能電子束轟擊試樣，會(huì)產(chǎn)生特征X射線和連續(xù)X射線，特征X射線會(huì)激發(fā)另一些元素的內(nèi)層電

7、子而產(chǎn)生次級(jí)特征X射線。這種由特征X射線激發(fā)出來(lái)的二級(jí)特征X射線，叫做特征X熒光。從樣品中發(fā)射出來(lái)的連續(xù)X射線，也會(huì)激發(fā)出一些二級(jí)X射線。這種由連續(xù)X射線激發(fā)出來(lái)的二級(jí)連續(xù)X射線叫做連續(xù)X熒光。 電子探針定量分析時(shí)，必須考慮X射線熒光效應(yīng)的影響，進(jìn)行X熒光校正。2.8熒光X射線 材料研究方法 陰極熒光實(shí)際上是由陰極射線（電子束）激發(fā)出來(lái)的一種波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波，一般是指可見(jiàn)光，有些書(shū)上把紅外光和紫外光也包括在內(nèi)。 產(chǎn)生陰極熒光的物質(zhì)主要是那些含有雜質(zhì)元素或晶格缺陷(如間隙原子、晶格空位等)的絕緣體或半導(dǎo)體。2.9陰極熒光 材料研究方法 如右圖所示，入射電子束作用在試樣上，使得價(jià)帶(滿帶)上的電子

8、激發(fā)，從價(jià)帶赿過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶上的電子躍回價(jià)帶時(shí)，可以是直接躍回價(jià)帶，多余的能量以電磁幅射的形式一次釋放出來(lái)，其波長(zhǎng)由導(dǎo)帶與價(jià)帶的能級(jí)差(E=Ed-Ej)決定。如果其波長(zhǎng)在可見(jiàn)光的范圍，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)熒光。如果其波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短，比X光長(zhǎng)，那樣就會(huì)發(fā)出紫外熒光。 導(dǎo)帶上的電子躍回價(jià)帶時(shí)，也可能先躍到雜質(zhì)能級(jí)(或者說(shuō)被雜質(zhì)能級(jí)捕獲)然后再?gòu)碾s質(zhì)能級(jí)躍回價(jià)帶。這種情況下，其多余的能量將分兩次釋放出來(lái)，如果都是以電磁波的形式釋放，那么其波長(zhǎng)將由導(dǎo)帶能級(jí)、價(jià)帶能級(jí)和雜質(zhì)能級(jí)來(lái)決定。如果波長(zhǎng)在可見(jiàn)光范圍，就會(huì)發(fā)出可見(jiàn)熒光，如果波長(zhǎng)比可見(jiàn)光的長(zhǎng)，就可能發(fā)出紅外熒光。 陰極發(fā)光可用來(lái)研究礦物的發(fā)光性、所含雜

9、質(zhì)類型和晶格缺陷等。 材料研究方法各種物理信號(hào)的產(chǎn)生深度和廣度范圍 材料研究方法掃描電子顯微鏡1.掃描電鏡的特點(diǎn)和工作原理2.掃描電鏡的構(gòu)造3.掃描電鏡的主要性能4.掃描電鏡的樣品制備5.掃描電鏡的應(yīng)用 材料研究方法1.掃描電鏡的特點(diǎn)特點(diǎn)和工作原理 掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱為掃描電鏡，英文縮寫(xiě)為SEM (Scanning Electron Microscope)。SEM與電子探針（EPMA）的功能和結(jié)構(gòu)基本相同，但SEM一般不帶波譜儀（WDS）。它是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過(guò)電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。現(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，

10、可以進(jìn)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(xué)等領(lǐng)域。 掃描電鏡可以直接觀察大塊試樣，樣品制備非常方便，加之掃描電鏡的景深大，放大倍數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)范圍大，分辨本領(lǐng)比較高，所以它成為固體材料樣品表面分析的有效工具，尤其適合于觀察比較粗糙的表面和材料斷口和顯微組織的三維形態(tài)。掃描電鏡不僅能做表面形貌分析，而且能配置各種附件，做表面成分分析及表層晶體學(xué)位向分析等。 材料研究方法掃描電鏡成像示意圖 材料研究方法JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡 材料研究方法2.掃描電鏡的構(gòu)造掃描電鏡由5個(gè)系統(tǒng)組成1.電子光學(xué)系統(tǒng)2.掃描系統(tǒng)3.信號(hào)收集系統(tǒng)4.圖像顯示和記錄系統(tǒng)

11、5.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng) 材料研究方法掃描電鏡的主要性能放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M總）景深大（F d0/）保真度好 材料研究方法放大倍率高從幾十放大到幾十萬(wàn)倍，連續(xù)可調(diào)。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(jìn)行選擇。如果放大倍率為M，人眼分辨率為0.2mm，儀器分辨率為5nm，則有效放大率M0.2106nm5nm=40000（倍）。如果選擇高于40000倍的放大倍率，不會(huì)增加圖像細(xì)節(jié)，只是虛放，一般無(wú)實(shí)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(biāo)。 材料研究方法分辨率高分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。分辨率d可以用貝克公式表示：

12、d=0.61/nsin ，為透鏡孔徑半角，為照明樣品的光波長(zhǎng)，n為透鏡與樣品間介質(zhì)折射率。對(duì)光學(xué)顯微鏡 7075，n=1.4。因?yàn)?nsin1.4，而可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍為： 400nm-700nm ，所以光學(xué)顯微鏡分辨率 d0.5 ，顯然 d 200nm。要提高分辨率可以通過(guò)減小照明波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。SEM是用電子束照射樣品，電子束是一種De Broglie波，具有波粒二相性，12.26/V0.5(伏) ，如果V20kV時(shí)，則0.0085nm。目前用W燈絲的SEM，分辨率已達(dá)到3nm-6nm, 場(chǎng)發(fā)射源SEM分辨率可達(dá)到1nm 。高分辨率的電子束直徑要小，分辨率與子束直徑近似相等。 材料研究方法景深大

13、景深大的圖像立體感強(qiáng)，對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的SEM。SEM的景深f可以用如下公式表示：式中D為工作距離，a為物鏡光闌孔徑，M為 放大倍率，d為電子束直徑?？梢钥闯?，長(zhǎng)工作距離、小物鏡光闌、低放大倍率能得到大景深圖像。 材料研究方法保真度好樣品通常不需要作任何處理即可以直接進(jìn)行觀察，所以不會(huì)由于制樣原因而產(chǎn)生假象。這對(duì)斷口的失效分析特別重要。 材料研究方法掃描電鏡的樣品制備掃描電鏡的樣品制備一般是非常方便的，只要樣品尺寸合適，就可以直接放到儀器中去觀察。樣品的直徑和厚度一般從幾毫米到幾厘米，視樣品的性質(zhì)和電鏡樣品室空間而定。對(duì)于絕緣體或?qū)щ娦圆畹牟牧蟻?lái)說(shuō)，則需要預(yù)先在分析表面上蒸鍍

14、一層為1020nm的導(dǎo)電層。否則，在電子束照射到試樣上時(shí)，會(huì)形成電子堆積，阻擋入射電子束進(jìn)入和樣品內(nèi)電子射出樣品表面。導(dǎo)電層一般是二次電子發(fā)射洗漱比較高的金、銀、碳和鋁的真空蒸鍍層，對(duì)在真空中有失水，放氣、收縮變形等現(xiàn)象的樣品以及在對(duì)生物樣品或有機(jī)樣品做觀察時(shí)，為了獲得具有良好襯度的圖像，均需適當(dāng)處理。 材料研究方法掃描電鏡的像襯度掃描電鏡像襯度的形成主要基于樣品微區(qū)諸如表面形貌、原子序數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)、表面電廠和磁場(chǎng)等方面存在著差異。入射電子與之相互作用，產(chǎn)生各種特征信號(hào)，其強(qiáng)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。1.表面形貌襯度：利用與樣品形貌比較敏感的物理信號(hào)作為顯像管的調(diào)制信號(hào)，所得到的的像襯度稱為表面形貌襯度。二次電子信號(hào)與樣品表面變化比較敏感，但與原子序數(shù)沒(méi)有明確的關(guān)系，其像分辨本領(lǐng)也比較高，所以通常用它來(lái)獲得表面形貌圖像。2.原子序數(shù)襯度又稱化學(xué)成分襯度，它是利用對(duì)樣品微區(qū)原