材料研究方法B課件：第2章 電子束與物質(zhì)作用產(chǎn)生的信號(hào)（第一章）

電子顯微鏡中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)材化學(xué)院TheFacultyofMaterialScience&Chemistry,ChinaUniversityofGeosciences2第二章電子束與物質(zhì)作用產(chǎn)生的信號(hào)第三章掃描電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理第四章掃描電子顯微鏡的操作與應(yīng)用主要內(nèi)容第一章電子光學(xué)基礎(chǔ)3第二章電子束與物質(zhì)作用產(chǎn)生的信號(hào)4

只有了解上述物理信息的產(chǎn)生原理及所代表的含義，才能設(shè)法檢測(cè)它們、利用它們。

掃描電子顯微鏡(SEM)

透射電子顯微鏡(TEM)

電子探針(EPMA)

分別側(cè)重于對(duì)上述某一方面或幾方面的信息進(jìn)行測(cè)量分析的。5§2.1二次電子及其成像鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌20000×綠泥石1、二次電子的產(chǎn)生原理

二次電子是指被入射電子轟擊出來(lái)的樣品中原子的核外電子。 由于原子核外層價(jià)電子間的結(jié)合能很小，當(dāng)原子的核外電子從入射電子獲得了大于相應(yīng)的結(jié)合能的能量后，即可脫離原子核變成自由電子。6

那些能量大于材料逸出功的自由電子可從樣品表面逸出，變成真空中的自由電子，即二次電子。

78（1）二次電子發(fā)生在材料表面5-10nm的區(qū)域，能量為0-50eV，大部分為2－3eV。因?yàn)橹挥性谶@個(gè)深度范圍，由于入射電子激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子，才具有足夠的能量，克服材料表面的勢(shì)壘，從樣品中發(fā)射出來(lái)，成為二次電子。2、二次電子的特點(diǎn)

（2）二次電子產(chǎn)額： 二次電子產(chǎn)額與以下三個(gè)因素有關(guān)：

a、樣品的成分 不同元素發(fā)射二次電子的能力不同，不過(guò)這個(gè)差別較小。

9b、入射電子的能量與加速電壓

10所以，二次電子發(fā)射率的最高值出現(xiàn)在入射電子特定能量的電壓上。11

c、入射電子束與試樣表面法線之間的夾角入射電子束與試樣表面法線之間的夾角滿足以下關(guān)系：

δ＝k/cosθδ：二次電子產(chǎn)額；k：比例常數(shù)

θ：電子束與試樣表面法線之間的夾角可見，入射電子束與試樣法線之間的夾角越大，二次電子產(chǎn)額也越大。12Why?13產(chǎn)生上述規(guī)律的原因：隨著θ角的增加,入射電子束在樣品表層范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總軌跡增長(zhǎng)，引起價(jià)電子電離的機(jī)會(huì)增多，產(chǎn)生二次電子數(shù)量就增加；10nms1s2s3θ=0°θ=30°θ=60°S=d/cosθ

，s1<s2<s3d隨著θ角增大，入射電子束作用體積更靠近表面層，作用體積內(nèi)產(chǎn)生的大量自由電子離開表層的機(jī)會(huì)增多，從而二次電子的產(chǎn)額增大。1415形貌襯度原理

由于試樣表面凹凸不平，各點(diǎn)所產(chǎn)生的二次電子數(shù)量不等，這樣就可形成試樣外貌的二次電子像。 襯度:指像面上相鄰部分間的黑白對(duì)比度或顏色差16在掃描電鏡中，二次電子檢測(cè)器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上。小顆粒尖端側(cè)面凹槽實(shí)際樣品中二次電子的激發(fā)過(guò)程示意圖17 通過(guò)一定的方式控制電子束，在樣品表面的一個(gè)微小區(qū)域，逐點(diǎn)轟擊樣品，二次電子接收器（探測(cè)器）也相應(yīng)地逐點(diǎn)收集。把以上收集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖像的方式，即得到二次電子像－－形貌像。收集到信號(hào)多時(shí)，形貌像上表現(xiàn)為亮度大，否則為陰影。183、二次電子檢測(cè)原理4、二次電子像舉例19硅-碳-氮納米材料陶瓷沿晶斷裂20珍珠祖母綠高嶺石埃洛石215、二次電子像的優(yōu)點(diǎn)：（1）分辨率高，最高可達(dá)10?；（2）放大倍數(shù)靈活，幾十到100萬(wàn)倍可調(diào)；（3）景深大，是光學(xué)顯微鏡的幾百倍，所以立體感強(qiáng)；（4）反差對(duì)比度好，圖象細(xì)節(jié)清楚；（5）可以與成分分布狀態(tài)結(jié)合觀察，綜合分析。22

背散射電子：電子束轟擊樣品表面時(shí)，被樣品彈射回來(lái)的方向不固定的一部分入射電子。

彈性背散射電子：被原子核反彈回來(lái)的，散射角大于90度的入射電子，其能量基本無(wú)變化（數(shù)千到數(shù)萬(wàn)eV）。

非彈性背散射電子：入射電子和核外電子撞擊后產(chǎn)生非彈性散射，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。能量范圍很寬，從數(shù)十eV到數(shù)千eV。§2.2背散射電子231、背散射電子的特點(diǎn)

從數(shù)量上看，彈性背散射電子遠(yuǎn)比非彈性背散射電子所占的份額多。 產(chǎn)生范圍:100nm-1μm深度。

能量：能量損失較小，其能量大多與入射電子能量相當(dāng)，在幾十—幾千eV。24

二次電子與背散射電子能量比較25

二次電子信號(hào)在原序數(shù)Z>20后，其信號(hào)強(qiáng)度隨Z變化很小。

（2）背散射電子產(chǎn)額Z<40的范圍內(nèi)，背散射電子的產(chǎn)額對(duì)原子序數(shù)十分敏感。26

背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為:式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)。27 SiO2和SnO2，前者的平均原子序數(shù)為15.3，后者的為27.3，因此后者的背散射強(qiáng)度明顯大于前者。Example

因此不同的物質(zhì)相也具有不同的背散射能力，用背散射電子的測(cè)量亦可以大致的確定材料中物質(zhì)相態(tài)的差別。背散射電子像亦稱為成分像。2、背散射電子成像原理(原子序數(shù)襯度原理）

樣品表面上平均原子序數(shù)大的部位產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)，形成較亮的區(qū)域；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。2829

另外,背散射電子也可以用來(lái)顯示形貌襯度,但是用背散射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率遠(yuǎn)比二次電子低。背散射電子能量較高，以直線軌跡逸出樣品表面，對(duì)于背向檢測(cè)器的樣品表面，因檢測(cè)器無(wú)法收集到背散射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié);所以背散射電子像也被稱為有影像;背散射電子信號(hào)強(qiáng)度要比二次電子低的多，所以粗糙表面的原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。

背散射電子成像分辨率一般為50-200nm。303、背散射電子像Animageofa(Cu,Al)alloyformedusingbackscatteredelectronimaging.ThelightareaisCuandthedarkareaisAl.31ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子成分像，1000×ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射電子像。由于ZrO2相平均原子序數(shù)遠(yuǎn)高于Al2O3相和SiO2

相，所以圖中白色相為斜鋯石，小的白色粒狀斜鋯石與灰色莫來(lái)石混合區(qū)為莫來(lái)石－斜鋯石共析體，基體灰色相為莫來(lái)石。32

透射電子是指電子束轟擊樣品時(shí)能透過(guò)薄樣品（1μm以下）的入射電子。這種透射電子是由直徑很?。?lt;10nm）的高能電子束照射薄樣品時(shí)產(chǎn)生的，因此，透射電子信號(hào)是由微區(qū)的厚度、成分和晶體結(jié)構(gòu)來(lái)決定的。

§2.3透射電子33

入射電子進(jìn)入樣品后，經(jīng)過(guò)多次非彈性散射，能量損失殆盡（假定樣品足夠厚，無(wú)透射電子），最后被樣品吸收。若在樣品和地之間接一個(gè)高靈敏度的電流表，就可以測(cè)得樣品對(duì)地的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)即由吸收電子提供。 §2.4吸收電子34

吸收電子的產(chǎn)額與背散射電子相反，樣品的原子序數(shù)越小，背散射電子越少,吸收電子越多;反之樣品的原子序數(shù)越大，則背散射電子越多，吸收電子越少。入射電子激發(fā)固體樣品產(chǎn)生的四種電子信號(hào)強(qiáng)度與入射電子強(qiáng)度之間的關(guān)系

ib+is+iα+it=i0 ib－背散射電子信號(hào)

is－二次電子信號(hào)

iα－吸收電子信號(hào)強(qiáng)度

it－透射電子信號(hào)強(qiáng)度35兩邊除以i0，改寫成

η＋δ＋α＋τ＝1

η＝ib/i0，叫做背散射系數(shù)

δ＝is/i0，叫做二次電子產(chǎn)額（或發(fā)射）系數(shù)

α＝iα/i0，叫做吸收系數(shù)；

τ＝it/i0，叫做透射系數(shù)。36銅樣品η、δ、α及τ系數(shù)與ρt之間關(guān)系（入射電子能量E0=10keV）

吸收電子信號(hào)能產(chǎn)生原子序數(shù)襯度，同樣也可以用來(lái)進(jìn)行定性的微區(qū)成分分析。

吸收電子的檢測(cè)是以樣品本身為檢測(cè)器，用高增益的吸收電流放大器，將吸收電流放大，并調(diào)試顯像管的亮度，便得到吸收電子像。吸收電子像與背散射電子像成反像. 吸收電子像分辨率低，約為0.1-1μm。3738吸收電子圖像奧氏體鑄鐵的顯微組織

(a)背散射電子像(b)吸收電子像39

特征X射線是高能電子激發(fā)原子的內(nèi)層電子，使原子處于不穩(wěn)定態(tài)，從而外層電子填補(bǔ)內(nèi)層空位使原子趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，在躍遷的過(guò)程中，直接釋放出具有特征能量和波長(zhǎng)的一種電磁輻射，即特征X射線?！?.6特征X射線40

特征X射線的一般發(fā)射深度為0.5-5μm范圍.

由于各種元素的原子結(jié)構(gòu)不同，躍遷方式各異，因而對(duì)不同元素電子躍遷所產(chǎn)生的特征X射線能量（或波長(zhǎng)）不同。

只要測(cè)出特征X射線波長(zhǎng)，或測(cè)出特征X射線光子的能量，便可確定原子序數(shù)Z，即可確定特征X射線發(fā)射區(qū)所含的化學(xué)元素。41特征X射線的檢測(cè):

波長(zhǎng)色散法（WDS)：測(cè)定特征X射線波長(zhǎng)，進(jìn)行成分分析。

能量色散法（EDS)：測(cè)定特征X射線能量進(jìn)行成分分析。特征X射線成分分析方法:

點(diǎn)分析:測(cè)定樣品上某個(gè)指定點(diǎn)的化學(xué)成分

線分析:測(cè)定某種元素沿給定直線分布的情況

面分析:測(cè)定某種元素的面分布情況42§2.7俄歇電子e43 當(dāng)入射電子束照射樣品時(shí)，俄歇電子與特征X射線同時(shí)產(chǎn)生?？墒荴射線的發(fā)射幾率隨原子序數(shù)減小而減小。相反，俄歇電子發(fā)射幾率卻顯著增大，而且原子序數(shù)較小的元素的俄歇電子譜簡(jiǎn)單易識(shí)。

因此，俄歇電子能譜適合于表面層輕元素和超輕元素的分析。

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俄歇電子能量低，平均自由程非常短（一般為5?－20?),盡管入射電子束能激發(fā)出大量俄歇電子，而實(shí)際上只有極表面3-5?范圍的俄歇電子才能從樣品表面發(fā)射出來(lái)，工作真空過(guò)低，往往使分析結(jié)果失真。因此,盡管俄歇電子1925年被發(fā)現(xiàn)，直到1967年，高真空（大于10-9帕)技術(shù)的獲得和高靈敏度電子分析儀器的制成，才使俄歇電子作為表面分析的一種重要信息進(jìn)入了實(shí)用階段。俄歇電子能譜儀必須保持高真空（大于10-9帕)

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一些不導(dǎo)電的樣品，在高能電子的作用下，可發(fā)射出可見光信號(hào)，稱之為陰極熒光。它是由這些物質(zhì)的價(jià)電子，在受激態(tài)和基態(tài)之間能級(jí)躍遷直接釋放的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、能量比較低的光波，波長(zhǎng)在可見光范圍內(nèi)。

利用陰極熒光現(xiàn)象研究物體中發(fā)光微粒，確定物質(zhì)的發(fā)光區(qū)域及光波波長(zhǎng)，也可分析晶體結(jié)構(gòu)、環(huán)