電子顯微鏡課件

材料微觀形貌學(xué)研究講課人：1.材料微觀形貌學(xué)材料微觀形貌學(xué)是材料微結(jié)構(gòu)研究的一部分，是在單個(gè)粒子尺度上研究組成材料的各個(gè)粒子大小、形狀、組分，以及在微組構(gòu)尺度上研究組成材料各單個(gè)粒子聚集成物質(zhì)的方式，如各粒子的分布、位置、取向、及相互的關(guān)系，雜質(zhì)、孔、縫的存在形式、形狀、大小、數(shù)量及在空間的分布，等等。2.3.4.5.顯微鏡的種類(lèi)光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡透射式電子顯微鏡（TEM）掃描電子顯微鏡（SEM）原子力顯微鏡（AFM）掃描隧道顯微鏡（STM）掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）掃描探針顯微鏡6.原子力顯微鏡（AFM）掃描電子顯微鏡（SEM）掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（SNOM）透射式電子顯微鏡（TEM）本單元講授的內(nèi)容7.一、透射電子顯微鏡（TEM）8.透射電鏡發(fā)展簡(jiǎn)史1665年，羅伯特?胡克發(fā)明了第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡，并用這臺(tái)光學(xué)顯微鏡第一次觀察到軟木塞的細(xì)胞。后來(lái)，李文赫克改進(jìn)了這臺(tái)儀器，用它觀察到單細(xì)胞如藻類(lèi)細(xì)胞、魚(yú)的紅細(xì)胞，從此揭開(kāi)了顯微鏡技術(shù)的序幕。9.到1895年，光學(xué)顯微鏡經(jīng)歷了230多年的改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了非常完善的程度。從分辨率上來(lái)講，它已經(jīng)達(dá)到了極限分辨率，已經(jīng)接近它的理論極限200nm。10.到1895年，光學(xué)顯微鏡經(jīng)歷了230多年的改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了非常完善的程度。從分辨率上來(lái)講，它已經(jīng)達(dá)到了極限分辨率，已經(jīng)接近它的理論極限200nm。分辨率：指的是能分辨物體上兩點(diǎn)間最小距離的能力。11.到1895年，光學(xué)顯微鏡經(jīng)歷了230多年的改進(jìn)，已經(jīng)達(dá)到了非常完善的程度。從分辨率上來(lái)講，它已經(jīng)達(dá)到了極限分辨率，已經(jīng)接近它的理論極限200nm。為什么光學(xué)顯微鏡的分辨率會(huì)有理論上的極限？分辨率：指的是能分辨物體上兩點(diǎn)間最小距離的能力。12.

電磁波電波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線γ射線波長(zhǎng)范圍(nm)760~390390~1310~0.050.1~0.00513.既然是光源限制了顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率的發(fā)展，人們自然會(huì)想到：要想提高顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率，就應(yīng)該更換波長(zhǎng)更短的光源。

隨著人們對(duì)電磁波的認(rèn)識(shí)，人們了解到：在一定的電壓下電子束的波長(zhǎng)可以達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)納米，使用電子束做為光源，顯微鏡的分辨率就可能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。14.

輻射波長(zhǎng)與加速電壓V的關(guān)系

15.電子顯微鏡所用加速電壓都較高，電子運(yùn)動(dòng)的速度與光速相比已不可忽略，需考慮相對(duì)論效應(yīng)。經(jīng)相對(duì)論修正且?guī)胛锢沓?shù)后：1616.加速電壓（kV）50751002003004005001000波長(zhǎng)λ（nm）0.00550.00450.00390.00250.0020.00170.00120.0007電子的波長(zhǎng)由λ是由加速電壓V決定的。但僅有電子流輻射波還不行，因?yàn)椴](méi)有解決電子流聚焦成像的問(wèn)題。17.1926年德國(guó)科學(xué)家Garbor和Busch發(fā)現(xiàn)用鐵殼封閉的銅線圈對(duì)電子流能折射聚焦，既可作為電子束的透鏡。1932年德國(guó)科學(xué)家厄恩斯特·魯斯卡等人在前面兩個(gè)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上研制出第一臺(tái)TEM1818.1.電子光學(xué)基礎(chǔ)

1-1.電子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)

電場(chǎng)中任意點(diǎn)電子的速度和該點(diǎn)的點(diǎn)位有關(guān)當(dāng)電子運(yùn)動(dòng)不等于零而且方向與極板平行的時(shí)候，除了平行于極板的運(yùn)動(dòng)外，還受電場(chǎng)垂直于等位面的作用而作勻加速運(yùn)動(dòng)，合成后為拋物線運(yùn)動(dòng)19.20.1-2.靜電透鏡和磁透鏡圖中是三個(gè)挖了圓孔的金屬板，相互平行，各板圓孔同軸。極板間加電壓后，在板間產(chǎn)生平行的等位面，而在孔處則產(chǎn)生變化。于是組成三個(gè)電子“透鏡”。電子平行于軸線攝入金屬板圓孔時(shí)，經(jīng)過(guò)第一個(gè)等位面，從低電位到高電位，運(yùn)動(dòng)方向靠近軸線（近法線折射），此后不斷的折射，又從高電位到低電位，總的效果是靠近軸線。當(dāng)許多電子平行射入時(shí)，最后就會(huì)聚到軸上一點(diǎn)。該點(diǎn)稱為焦點(diǎn)。21.電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)受到洛倫茲力：Fm=（e/c）[v?H]式中v是電子運(yùn)動(dòng)的速度矢量，H是磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量。該作用力的大小

Fm=（e/c）?v?H?sin(v?H)方向始終垂直于v和H所成的平面。Fm⊥v，F(xiàn)m不改變速度大下，只改變方向。磁透鏡的焦距由磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，焦距減小。當(dāng)“透鏡”結(jié)構(gòu)一定時(shí)，改變線圈電流，就可以改變磁場(chǎng)強(qiáng)度，以調(diào)節(jié)焦距。電子以速度v平行于“透鏡”對(duì)稱軸進(jìn)入磁場(chǎng)，在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生三個(gè)運(yùn)動(dòng)分量，總的結(jié)果是電子以螺旋方式不斷地靠近軸向而向前運(yùn)動(dòng)。當(dāng)其離開(kāi)磁場(chǎng)范圍時(shí)，電子旋轉(zhuǎn)速度減為0而作直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)而與軸相交。該交點(diǎn)就是透鏡的焦點(diǎn)。22.1-3.電子散射與成像

如在電子射入的方向有一個(gè)帶孔的板（光欄），則只有在??角范圍內(nèi)的散射電子可以通過(guò)光欄被檢測(cè)到。物體上如果有兩個(gè)點(diǎn)A、B

，該二點(diǎn)處物質(zhì)厚度、密度、原子序數(shù)不同，則散射程度不同。設(shè)A點(diǎn)比B點(diǎn)的散射角大，則A點(diǎn)散射的電子通過(guò)光欄的數(shù)目就比B點(diǎn)的少，在光欄后面看見(jiàn)A點(diǎn)比B點(diǎn)暗。物質(zhì)上有許許多多的點(diǎn)，各處t、??和Z都不同，就在光欄的后面形成“明”“暗”的差別，這在圖像上叫做反差或襯度。23.24.一些樣品的TEM照片高分子球碳棒MCM4125.2、透射電鏡成像原理（1）以電子束代替平行光；（2）用薄膜狀樣品代替周期性結(jié)構(gòu)樣品；（3）對(duì)于晶體樣品，透射電鏡既能觀察到形貌像又能觀察到其電子衍射譜。26.27.透射電子顯微鏡構(gòu)造原理主體部分輔助部分照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)觀察照相室電氣系統(tǒng)真空系統(tǒng)28.

29.3、透射電子顯微鏡的主要性能指標(biāo)?分辨率?放大倍數(shù)?加速電壓30.主要性能一：分辨率分辨率是反映電子顯微鏡水平的首要目標(biāo)，標(biāo)志其分辨細(xì)節(jié)的能力。電子顯微鏡的分辨率為在電子圖像上能分辨開(kāi)相鄰兩點(diǎn)在試樣上的距離，或稱點(diǎn)分辨率。一般用重金屬蒸發(fā)粒子的方法測(cè)定電子顯微鏡的點(diǎn)放大率。在重金屬蒸發(fā)粒子圖像上量出兩個(gè)粒子間中心距離除以該圖像的放大倍數(shù)，即得點(diǎn)分辨率數(shù)值。若電子顯微鏡能拍攝出晶格最小晶面距的圖像，稱為晶格分辨率或線分辨率。如金的最小晶面距為1.44?，能拍出此圖像的電子顯微鏡線分辨率即為1.44?.31.主要性能二：放大倍數(shù)

32.M最大=M1×M2×M3×M4（四透鏡成像系統(tǒng)）放大倍數(shù)：由3-4個(gè)成像透鏡的不同組合完成放大倍數(shù)的變化主要性能二：放大倍數(shù)33.主要性能三：加速電壓加速電壓為電子槍中陽(yáng)極和燈絲間的電位差，表示電子束的能量（以電子伏特eV為單位度量）。如儀器加速電壓為10kV,代表電子束能量為10keV。加速電壓的大小決定電子束對(duì)試樣的穿透能力。透射式電子顯微鏡按加速電壓的大小可以分為三類(lèi)：低壓電鏡：加速電壓25-100kV，主要適合于觀察密度和原子序數(shù)小的生物和有機(jī)物。要求試樣厚度小于500?。100kV左右常用于觀察復(fù)型試樣和懸浮法制備的顆粒試樣。高壓電鏡：加速電壓100kV-500kV,可以觀察幾千?厚度的金屬試樣；超高壓電鏡：加速電壓1000kV以上，可用于觀察幾個(gè)μm厚度的試樣。34.4、透射電鏡樣品的制備由于電子束的穿透能力比較低（散射能力強(qiáng)），因此用于TEM分析的樣品厚度要非常薄，根據(jù)樣品的原子序數(shù)大小不同，一般在10～200nm之間。要制備這樣薄的樣品必須通過(guò)一些特殊的方法。根據(jù)原始樣品的不同形態(tài)，TEM樣品可分為間接制樣和直接制樣。

35.4-1直接法直接法有直接制備超薄樣品觀察和直接觀察微顆粒兩種方法。直接制備超薄樣品多用于有機(jī)物、生物等，可用切片機(jī)切成厚度為500-600?的樣品；金屬樣品可以切割，也可在鍍膜機(jī)上鍍膜后將膜取下使用，或用腐蝕的方法制成幾個(gè)μm到幾千個(gè)?的超薄樣。有的可以在溶液里制取析出結(jié)晶。觀察超薄試樣，可看到試樣內(nèi)部和表面的結(jié)構(gòu)。陶瓷、水泥一類(lèi)脆性材料不適合制備薄樣品。36.粉末顆粒狀材料可通過(guò)懸浮法分散后直接觀察。懸浮法是將粉末狀材料分散在一種不與材料起化學(xué)反應(yīng)的溶劑中，必要時(shí)可通過(guò)例如超聲波的方法加強(qiáng)顆粒的分散。然后撈到支持膜上。支持膜放在載樣銅網(wǎng)上。支持膜對(duì)電子透明性好，不顯示本身結(jié)構(gòu)，并且有一定的強(qiáng)度，受電子轟擊不易損壞。這樣的試樣觀察圖像顯示的主要是顆粒外形的邊緣。根據(jù)不同顆粒中不同的信息（原子序數(shù)、厚度、密度），圖像也可有些深淺的層次。37.38.4-2間接法---復(fù)型法◆復(fù)型就是表面形貌的復(fù)制（其原理與偵破案件時(shí)用的石膏復(fù)制罪犯鞋底花紋相似）。通過(guò)復(fù)型制備出來(lái)的樣品是真實(shí)樣品表面形貌組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的薄膜復(fù)制品?！魧?duì)復(fù)型材料的主要要求：①?gòu)?fù)型材料本身必須是“無(wú)結(jié)構(gòu)”或非晶態(tài)的；②有足夠的強(qiáng)度和剛度，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐電子束轟擊性能。③復(fù)型材料的分子尺寸應(yīng)盡量小，以利于提高復(fù)型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的細(xì)節(jié)特征。常用的復(fù)型材料是對(duì)電子束透明的薄膜——非晶碳膜、各種塑料薄膜和氧化物薄膜）39.按復(fù)型的制備方法，復(fù)型主要分為：一級(jí)復(fù)型二級(jí)復(fù)型萃取復(fù)型40.一級(jí)復(fù)型一級(jí)復(fù)型用樹(shù)脂滴在試樣上，干燥后剝離而成（圖2-7），或在試樣上蒸碳，在設(shè)法剝離而成（圖2-8）。樹(shù)脂的復(fù)型膜是負(fù)復(fù)型，即表明凹凸和原試樣的相反；碳膜只能反映出形貌的輪廓而無(wú)法分辨其凹凸情況。一級(jí)復(fù)型剝離較困難。41.二級(jí)復(fù)型二級(jí)復(fù)型為用醋酸纖維或火棉膠等制成一級(jí)復(fù)型，剝離下來(lái)，再在其與試樣接觸的表面蒸碳，并用重金屬斜向噴鍍加深成“投影”，最后用有機(jī)溶劑將樹(shù)脂溶掉，得到碳-重金屬膜，為二級(jí)復(fù)型（圖2-9）。二次復(fù)型法顯示的是正象，而且由于金屬層的散射作用，加強(qiáng)了圖像的反差。42.二、掃描電子顯微鏡（SEM）43.特點(diǎn)

儀器分辨本領(lǐng)較高。二次電子像分辨本領(lǐng)可達(dá)1.0nm(場(chǎng)發(fā)射),3.0nm(鎢燈絲)；儀器放大倍數(shù)變化范圍大（從幾倍到幾十萬(wàn)倍），且連續(xù)可調(diào)；圖像景深大，富有立體感?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面（如金屬和陶瓷的斷口等）；試樣制備簡(jiǎn)單。只要將塊狀或粉末的、導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的試樣不加處理或稍加處理，就可直接放到SEM中進(jìn)行觀察。一般來(lái)說(shuō)，比透射電子顯微鏡（TEM）的制樣簡(jiǎn)單，且可使圖像更近于試樣的真實(shí)狀態(tài)；44.特點(diǎn)可做綜合分析。SEM裝上波長(zhǎng)色散X射線譜儀（WDX）（簡(jiǎn)稱波譜儀）或能量色散X射線譜儀（EDX）（簡(jiǎn)稱能譜儀）后，在觀察掃描形貌圖像的同時(shí)，可對(duì)試樣微區(qū)進(jìn)行元素分析。裝上半導(dǎo)體樣品座附件，可以直接觀察晶體管或集成電路的p-n結(jié)及器件失效部位的情況。裝上不同類(lèi)型的試樣臺(tái)和檢測(cè)器可以直接觀察處于不同環(huán)境（加熱、冷卻、拉伸等）中的試樣顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程（動(dòng)態(tài)觀察）。45.信號(hào)放大器掃描電鏡光學(xué)系統(tǒng)及成像示意圖電子槍聚光鏡掃描線圈

物鏡

試樣二次電子探測(cè)器顯示器掃描放大器圖246.

入射電子與試樣相互作用，除產(chǎn)生二次電子外，還可產(chǎn)生背散射電子、吸收電子、透射電子、俄歇電子、X射線及陰極熒光等信號(hào)，如圖2.9所示．經(jīng)相應(yīng)的探測(cè)器接受放大后，可獲得由各種不同信號(hào)形成的圖像，如二次電子像、吸收電子像、背散射電子和俄歇電子像等由于上述各種信號(hào)在試樣中的散射范圍不同，所以分辨率也不同．在加速電壓為20~30kV時(shí)，二次電子的分辨率約為幾納米，x光像的分辨率在微米的范圍，背散射電子像的分辨率在兩者之間應(yīng)用入射電子與試樣相互作用，產(chǎn)生的各種信號(hào)可對(duì)試祥進(jìn)行綜合結(jié)構(gòu)分析。特別是通過(guò)X射線譜儀測(cè)定自試樣發(fā)出的特征X射線譜，可進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分的定性定量分析。

電子探針顯微分析

47.?二次電子：電子束從物質(zhì)表面以下50?處激發(fā)出原子中的電子，稱為二次電子，能量只有幾十電子伏特。?背散射電子：電子束和物質(zhì)表面一下0.1~1??m處的原子中的電子相撞，電子不斷改變方向從而與入射方向相反的方向射出，能量的損失很小，只損失幾十電子伏特，叫做背散射電子。?透射電子：試樣厚度為1??m以下時(shí)，入射電子穿透物質(zhì)而射出，為透射電子，其能量依非彈性碰撞的次數(shù)而有所損失。?俄歇電子：電子束在物質(zhì)表面以下幾?處激發(fā)出具有特征能量的二次電子，為俄歇電子。?X-射線：電子束能量足夠大而從物質(zhì)表面以下0.5~5??m范圍的深度處激發(fā)出具有一定能量的x-射線。陰極熒光：在發(fā)光材料表面激發(fā)出來(lái)的課件光或紅外光，稱為陰極熒光，為長(zhǎng)波光。48.掃描電鏡的主要性能分辨率放大倍數(shù)景深49.

電子顯微鏡的圖像分辨率是指在特定情況下拍攝的圖像上可分辨的兩個(gè)特征物（顆?；騾^(qū)域）之間的最小距離，以nm表示。

影響掃描電鏡分辨率的因素主要有：

1）入射電子束束斑直徑；

2）入射電子束在樣品中的擴(kuò)展效應(yīng)。?圖像分辨率50.1）束斑直徑束斑直徑越大，分辨能力就越差。正常情況下，最小束斑和束流大小有關(guān)。51.1nm5~50nm100~1000nm500~5000nm背散射電子空間分辨率X射線的分辨率背散射電子特征X射線二次電子俄歇電子連續(xù)X射線入射電子束2）電子在試樣中的散射（受到試樣的散射作用）5252.?放大倍數(shù)

放大倍數(shù)是指電子束在熒光屏上掃描幅度（A0）與試樣上掃描幅度（As）之比。由于掃描電鏡的熒光屏是固定的，因此只要減小或增加鏡筒中電子束的掃描幅度就可以相應(yīng)地增大或減小放大倍數(shù)。M=A0/As53.?景深

54.55.

掃描電鏡襯度像二次電子像背散射電子像x射線元素分布圖。56.（a）陶瓷燒結(jié)體的表面圖像（b）多孔硅的剖面圖?二次電子像57.?二次電子像二次電子數(shù)與入射電子束和試樣表面所成的夾角有關(guān)，則電子入射到凹凸不平的表面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不同的二次電子數(shù)，造成熒光屏上的反差，這叫做形態(tài)反差。=0°=45°=60°58.

背散射電子像背散射電子既可以用來(lái)顯示形貌襯度，也可以用來(lái)顯示成分襯度。1.形貌襯度用背反射信號(hào)進(jìn)行形貌分析時(shí)，其分辨率元比二次電子低。因?yàn)楸撤瓷潆娮邮莵?lái)自一個(gè)較大的作用體積。此外，背反射電子能量較高，它們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)法收集到背反射電子，而掩蓋了許多有用的細(xì)節(jié)。2.成分襯度樣品中重元素區(qū)域在圖像上是亮區(qū)，而輕元素在圖像上是暗區(qū)。利用原子序數(shù)造成的襯度變化可以對(duì)各種合金進(jìn)行定性分析。背反射電子信號(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。59.

二次電子象與背散射電子象的比較二次電子象背散射象主要利用形貌襯度成分襯度分辨率高較差無(wú)陰影有陰影信號(hào)大，信噪比好

60.掃描電鏡樣品的制備1.要求干凈，干燥的塊狀或粉末樣品。2.金屬斷口樣品：要求是干凈、新鮮的表面；如果是金相樣品須進(jìn)行深腐蝕。3.非金屬樣品須在真空鍍膜機(jī)中噴鍍金、鋁或碳，以保證樣品導(dǎo)電性良好。61.噴鍍處理

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一層厚度約10～20nm的導(dǎo)電層。否則，在電子束照射到該樣品上時(shí)，不導(dǎo)電樣品會(huì)形成電荷堆積，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)電層一般是金屬膜（Au或Pt）或碳膜，其中Au或Pt膜主要用于觀察樣品形貌，碳膜主要用于樣品成份分析。62.為什么選擇Au、Pt作為噴鍍材料？（1）Au、Pt的導(dǎo)電性能較好；（2）Au、Pt的二次電子發(fā)射系數(shù)比較高，容易發(fā)射二次電子；（3）Au、Pt的傳熱性能較好，樣品表面溫度不會(huì)太高；（4）Au、Pt性質(zhì)穩(wěn)定，噴鍍時(shí)不易與樣品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。63.掃描電鏡觀察材料形貌須注意的幾個(gè)問(wèn)題：1.單憑圖像上的形貌并不能確定物相，很多材料內(nèi)部的不同組成部分可有相似的形貌。分析掃描電鏡圖像時(shí)，必須知道試樣的原始條件，如成分、工藝條件、可能的物象等。此外，在試驗(yàn)前應(yīng)有明確的觀察