材料研究與測試方法Apdf課件 3.1 簡介

第三章電子顯微分析3.1簡介

3.2電子與物質(zhì)間的相互作用3.3透射電子顯微分析(TEM)3.4掃描電子顯微分析(SEM)3.5電子探針分析（EPMA）

電子顯微分析是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相作用而產(chǎn)生的各種物理信號，來分析物質(zhì)試樣的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的一種技術(shù)。

3.1簡介掃描電子顯微分析（SEM—Scaning

electronmicroscope）透射電子顯微分析（TEM-Transmissionelectronmicroscope）電子探針

(EPMA—Electronmicro-probeanalysis)

3.1.1類型（1）可以在極高放大倍數(shù)下直接觀察試樣的形貌、結(jié)構(gòu)，選擇分析區(qū)域；（2）是一種微區(qū)分析方法，具有高的分辨率，成像分辨率達到0.2～0.3nm,可直接分辨原子，能進行nm(10埃)尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的分析。3.1.2特點原理:

光學(xué)顯微鏡----利用透鏡使光線聚焦成像；電子顯微鏡----利用電場和磁場使電子束聚焦成像，電場和磁場起電子透鏡的作用。

3.1.3顯微鏡的分類

在可見光線或紫外線的照明下，利用玻璃透鏡放大物象的裝置。照明：可見光或紫外光聚光鏡（改變光線的介質(zhì)）：

玻璃透鏡

光學(xué)顯微鏡

光學(xué)顯微鏡可以看到象：細菌、細胞那樣小的物體。最好的光學(xué)顯微鏡的放大極限是：

2000倍，分辨率極限為：200nm。特點：（1）用電子源代替光源，即用電子流代替照明光線。（2）以特殊的電極和磁極(電子透鏡)代替了光學(xué)顯微鏡的聚光鏡、物鏡和目鏡的作用，即電子射線為電子透鏡所折射，經(jīng)兩次或多次放大成最后像。3.1.4電子顯微鏡德國物理學(xué)家阿貝(AbbeE.K.)從理論上計算出阿貝（Abbe）公式：

r--分辨本領(lǐng)；

λ--照明光的波長(nm)n--透鏡所處環(huán)境介質(zhì)的折射率；

α--透鏡孔徑半角(°)

nsinα--數(shù)值孔徑，用N·A表示。

電子光源常數(shù)

高速運動的電子具有波動性和粒子性，電子波的波長與所處電場的電壓U的關(guān)系為：減小λ常用加速電壓與電子波波長的關(guān)系加速電壓U

（kV）10501002000電子波長λ（nm）0.012200.005360.003700.00050

電子可以憑借軸對稱的非均勻電場、磁場的力，使其會聚或發(fā)散，從而達到成像的目的。

由靜電場制成的透鏡——靜電透鏡由磁場制成的透鏡——磁透鏡

3.1.5電子透鏡1電子光學(xué)折射定律根據(jù)電磁學(xué)原理,電子在靜電場中受到的洛倫茲力(Lorentz)為電子從電位為U1的區(qū)域進入電位為U2的區(qū)域(界面為AB)，電場將使運動的電子發(fā)生折射。一靜電透鏡

2靜電透鏡陰極:零電位；陽極:正電位；控制極:負(fù)電位。等位面法線方向3靜電透鏡的作用

軸對稱的彎曲電場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，這種對稱的電場系統(tǒng)----被稱為靜電電子透鏡(簡稱靜電透鏡)。因此，靜電透鏡主要用做各種電子顯微鏡的電子槍，因為靜電場可使自由電子增加動能，從而得到高速運動電子構(gòu)成的電子束。

二磁透鏡

電子束在磁場中受到的洛倫茲力(Lorentz)為：

通電流的圓柱形線圈產(chǎn)生軸對稱的磁場，這種磁場對電子束有會聚成像的性質(zhì)，在電子光學(xué)中:軸對稱磁場系統(tǒng)(通電流的圓柱形線圈)，稱為磁電子透鏡(簡稱磁透鏡)。1電子在磁場中的運動

電子在磁場中運動時也會產(chǎn)生偏折。通電的短線圈就是一個簡單的磁透鏡，它能造成一種不均勻分布的磁場，結(jié)果使電子做圓錐螺旋近軸運動。一束平行于主軸的入射電子通過電磁透鏡將最終會聚于軸線上一點（即焦點）。三電子透鏡的缺陷

電子透鏡的聚焦成像要求電子的速度完全相同以及透鏡電磁場具有理想的軸對稱性。但是，實際情況與理想條件的偏離，造成了電子透鏡的各種像差。像差的存在，影響圖象的清晰度和真實性，決定了透鏡只具有一定的分辨本領(lǐng)，從而限制了電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)。幾種主要像差---1球面像差

軸上有一物點P。旁軸電子形成的高斯象是P’點,通過高斯象點垂直于光軸的平面稱高斯平面。由于透鏡光闌有一定大小,同是從P點出發(fā)的電子,當(dāng)張角不同時,落在高斯平面的不同點上。假設(shè)張角最大的電子落在P”點,在高斯平面上,所得到的像是以P”為半徑的圓斑。

球差幾乎是一種無法克服的像差。

球面像差是一種影響透鏡分辨本領(lǐng)的主要幾何像差。2色差在電子光學(xué)中，電子透鏡成像也有色差。加速電壓的波動以及陰極逸出電子能量的起伏，使得成像電子的波長不完全相同，使透鏡的焦距發(fā)生變化。

這種色差使得一個物點變成為某種散射圖形，影響了圖像的清晰度。必須要求：電鏡配以十分穩(wěn)定的電壓與電流恒定裝置(UPS---不間斷電源)，盡可能地控制電子束波長的飄移。

因為制作透鏡的材料中存在著微量的純度缺陷；加工精度的限制等；使透鏡產(chǎn)生的磁場不可能呈現(xiàn)絕對理想的軸對稱。3軸上像散非理想對稱的透鏡磁場或電場，使得透鏡在不同方向上的焦距不相同。

物點P