電子顯微分析

電子顯微分析第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.1電鏡近期發(fā)展簡介

電鏡自1932年問世以來，經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，不但作為顯微鏡主要指標(biāo)的分辨本領(lǐng)已由10nm(1939年第一臺商用透射電鏡)提高到0.1-0.3nm，可以直接分辨原子，并且還能進行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成的分析，成為全面評價固體微觀特征的綜合性儀器。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

電鏡在材料科學(xué)中的應(yīng)用可以說是經(jīng)歷了三個高潮：

1）50-60年代的薄晶體中位錯等晶體缺陷的衍襯像的觀察；

2）70年代極薄晶體的高分辨結(jié)構(gòu)像及原子像的觀察；

3）80年代興起的分析電鏡的對納米區(qū)域的固體材料，用X射線能譜或電子能量損失譜進行成分分析及用微束電子衍射進行結(jié)構(gòu)分析。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

在此期間，人們還致力于發(fā)展超高壓電鏡、掃描透射電鏡、環(huán)境電鏡以及電鏡的部件和附件等，以擴大電子顯微分析的應(yīng)用范圍和提高其綜合分析能力。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.2高分辨電鏡

高分辨電鏡可用來觀察晶體的點陣像或單原子像等所謂的高分辨像。這種高分辨像直接給出晶體結(jié)構(gòu)在電子束方向上的投影，因此又稱為結(jié)構(gòu)像(圖4-86)。

加速電壓為100kV或高于100kV的透射電鏡(或掃描透射電鏡)，只要其分辨本領(lǐng)足夠的高，在適當(dāng)?shù)臈l件下，就可以得到結(jié)構(gòu)像或單原子像。從用100kV、500kV和1000kV電鏡所觀察到的原子排列很接近理論預(yù)言的情況，也和X射線、電子衍射分析結(jié)果相近。第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖4.86硅[110]晶向的結(jié)構(gòu)像

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結(jié)構(gòu)像的襯度-SEM像襯之三—位相襯度

在SEM質(zhì)厚襯度成像時，一般是用物鏡光闌擋掉散射光束，使透射束產(chǎn)生襯度。

但在極薄(如60nm)樣品條件下或觀察單個原子時，它們不同部位的散射差別很小，或者說樣品各點散射后的電子差不多都通過所設(shè)計的光闌，這時就看不到樣品各部位電子透過的數(shù)目差別，即看不到質(zhì)厚襯度。但在這時，散射后的電子其能量會有10-20eV的變化，這相當(dāng)于光束波長的改變，從而產(chǎn)生位相差別。第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

如圖4.87是一個行波圖，本應(yīng)為T波，現(xiàn)在變成了I波，兩者之間的位相角差一個△φ，但兩者的振幅應(yīng)相當(dāng)或近似相等，只是差一個散射波S，它和I波的位相差π/2，在無像差的理想透鏡中，S波和I波在像平面上，可以無像差的再迭加成像，所得結(jié)果振幅和T一樣，我們不會看到振幅的差別，如圖4.88(a)。第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

圖4.87行波圖第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

但如果使S波改變的位相，那么如圖4.88(b)所示，就會看到振幅I+S與T的不同，這種形成的襯度就叫做位相襯度。在透射電鏡中，球差和欠焦都可以使S波的位相改變，從而形成位相襯度。第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

圖4.88復(fù)振幅圖第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

實際上，透射電鏡的像襯度，一般來說是質(zhì)厚襯度和位相襯度綜合的結(jié)果。

對于厚樣品來說，質(zhì)厚襯度是主要的；對于薄樣品來說，位相襯度則占主導(dǎo)地位。

以位相襯度形成的單原子像或結(jié)構(gòu)像的觀測標(biāo)志著電鏡已得到了重大發(fā)展。第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

在大分子中有意識地引進重原子，用高分辨電鏡直接觀察和拍攝照片，根據(jù)重原子所占據(jù)的位置就可以得到大分子的結(jié)構(gòu)信息；

另外，觀察晶體的原子結(jié)構(gòu)像及其缺陷，就能把材料的宏觀性質(zhì)與其微觀結(jié)構(gòu)直接聯(lián)系起來，從而使人們的視野擴展到分子和原子的水平。第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.3超高壓電鏡

一般將加速電壓大于500kV的SEM稱為超高壓電鏡?，F(xiàn)世界上已出現(xiàn)3000kV的超高壓電鏡。第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(1)可觀察較厚的樣品。提高加速電壓，亦即提高了電子的穿透能力，可以在觀察較厚樣品時也能達到很高的分辨本領(lǐng)(超高壓電鏡的分辨本領(lǐng)目前已達到甚至超過了100kV電鏡的水平)。

這使利用SEM觀察無機非金屬材料薄膜樣品成為可能。第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖4.891MV超高壓電鏡下觀察到的玻璃纖維（直徑約5μm）的暗場像

第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)可觀察“活”樣品或含水樣品。具體做法是用一個環(huán)境室代替普通樣品臺。前者是一個薄壁容器，一側(cè)可通大氣。超高壓電鏡的電子束能量大，所以能穿透環(huán)境室的兩道薄壁和樣品而成像。這樣，人們可以隨時觀察該樣品的水化情況。第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(3)可提高暗場像的質(zhì)量。超高壓電鏡中衍射束和光軸的夾角很小，當(dāng)移動物鏡光闌使衍射束通過以獲得暗場像時，成像束的像差比在100kV的情況下要小得多，所以能改善暗場像的質(zhì)量。第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.4掃描透射電鏡

掃描透射電鏡是綜合了掃描電鏡和透射電鏡的原理和特點而出現(xiàn)的一種新型電鏡。它能夠分別檢測彈性散射、非彈性散射和未經(jīng)散射的電子。第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

彈性散射電子是大角度散射，大部分將被能量分析器入口處光闌(或彈性散射電子檢測器)所截獲，經(jīng)放大送入顯像管柵極；

非彈性散射電子是小角度散射，但有能量損失(約50eV)，進入環(huán)形能量分析器(靜電式或磁式)后，沿較小的曲率半徑運動；

而未經(jīng)散射電子能量較高，進入環(huán)形能量分析器后，沿較大的曲率半徑運動。第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

上述三種信號可以同時分別記錄和顯示。

如果利用彈性散射和非彈性散射電子的強度差，形成一幅組合圖像可以直接顯示單個重原子或原子排列(即高分辨像)。第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(1)入射電子與樣品原子的非彈性散射作用將導(dǎo)致能量的損失。這在普通成像時，由于成像透鏡在樣品之后，不同能量的透射電子通過透鏡后將產(chǎn)生色差。一般說，樣品厚度越大，透射電子的能量變化范圍越大，色差也就越大，圖像質(zhì)量下降。第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

而在掃描透射成像時，透鏡在樣品之前不參與成像，不同能量的透射電子直接被檢測器所接收，不存在色差問題。在同樣的加速電壓條件下，掃描透射成像方式可用來分析比普通透射成像厚一些的樣品。第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(2)在掃描透射成像過程中，光電倍增管實際上起著像增強器的作用，檢測到的透射電子信號還可以用電子學(xué)線路進一步處理，以提高圖像的襯度和亮度，縮短照相曝光時間。

所以，襯度較差的樣品用掃描透射成像比較合適。第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一(3)因在樣品下裝有一套能量分析器，所以掃描透射電鏡可以獲得更多電子束與樣品相互作用的信息。第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.4分析電鏡

任何一種電鏡加上能做元素分析的附件就稱為分析電鏡，如透射電鏡或掃描透射電鏡加X射線能譜儀或者能量損失譜儀，甚至有人將帶有波譜儀或能譜儀的掃描電鏡也稱為分析電鏡。

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另外，在電鏡的發(fā)展過程中，人們還致力于發(fā)展電鏡的各種附件，僅樣品臺一項就近十種，譬如有拉伸、高溫、低溫、壓縮、彎曲、壓痕以及切削等樣品臺。將這些樣品臺裝在電鏡中，就可以將材料表面結(jié)構(gòu)的顯微研究與在加載、變溫條件下材料的宏觀性能測試結(jié)合起來，為材料的強度與斷裂的基本理論和應(yīng)用研究展現(xiàn)出令人鼓舞的前景。第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一2.4.5低真空掃描電鏡(含環(huán)境掃描電鏡)

用掃描電鏡觀察非導(dǎo)體的表面形貌，以往需將試樣首先進行干燥處理，然后在其表面上噴鍍導(dǎo)電層，以消除樣品上的堆積電子。由于導(dǎo)電層很薄，所以樣品表面的形貌細節(jié)無大損傷。但導(dǎo)電層畢竟改變了樣品表面的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)，使這兩種信息的反差減弱；而且干燥常引起脆弱材料微觀結(jié)構(gòu)的變化。更重要的是干燥終止了材料的正常反應(yīng)，使反應(yīng)動力學(xué)觀察不能連續(xù)進行。第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

為了克服這些缺點，低真空掃描電鏡應(yīng)運而生。低真空掃描電鏡包括環(huán)境掃描電鏡(后者縮寫為ESEM)。低真空掃描電鏡是指其樣品室外于低真空狀態(tài)下，氣壓可接近3kPa。它的成像原理基本上與普通掃描電鏡一樣，只不過普通掃描電鏡樣品上的電子由導(dǎo)電層引走；而低真空掃描電鏡樣品上的電子被樣品室內(nèi)的殘余氣體離子中和，因而即使樣品不導(dǎo)電也不會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一

低真空掃描電鏡的機械構(gòu)造除樣品室的真空系統(tǒng)和光欄外，與普通掃描電鏡基本上是一樣的。所以它的工作原理除樣品室內(nèi)的電離平衡外，也和普通掃描電鏡相差無幾。第30