材料測試與研究方法第十章電子顯微技術(shù)方案

第十章電子顯微分析第一節(jié)電子光學(xué)基礎(chǔ)顯微技術(shù)

光學(xué)顯微鏡：以可見光（或紫外線）為光源。電子顯微鏡：以電子束為光源。1.構(gòu)成：①照明系統(tǒng)②光學(xué)放大系統(tǒng)③機(jī)械裝置2.原理：經(jīng)物鏡形成倒立實(shí)像，經(jīng)目鏡放大成虛像。普通光學(xué)顯微鏡3.分辨力：指分辨物體最小間隔的能力。對于光學(xué)透鏡，當(dāng)n?sinα做到最大時(shí)（n≈1.5，α≈70-75°），上式簡化為：–普通光線的波長為400~700nm，光鏡分辨力約為0.2

μm，人眼的分辨力為0.2mm，因此顯微鏡的最大有效倍數(shù)為1000X。電磁透鏡結(jié)構(gòu)示意圖αP’象P’’透鏡物P光軸圖1-5（a）球差PA透鏡平面平面B物P光軸PBfA平面A圖1-5（b）象散能量為E的電子軌跡象1透鏡物P光軸圖1-5（c）色差能量為E-E的電子軌跡象2X射線衍射儀電子探針儀掃描電鏡X射線二次電子韌致輻射入射電子背散射電子陰極熒光吸收電子俄歇電子試樣透射電子衍射電子俄歇電鏡 透射電子顯微鏡 電子衍射儀電子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的信息及相應(yīng)儀器第八章電子顯微分析第二節(jié)透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡的構(gòu)造陰極（接負(fù)高壓）控制極（比陰極負(fù)100~1000伏）陽極電子束聚光鏡試樣照明部分示意圖燈絲（鎢）

聚光鏡用來會(huì)聚電子槍射出的電子束，以最小的損失照明樣品，調(diào)節(jié)照明強(qiáng)度、孔徑角和束斑大小。一般都采用雙聚光鏡系統(tǒng)，如圖5-14所示。第一聚光鏡是強(qiáng)激磁透鏡，束斑縮小率為10～50倍左右，將電子槍第一交叉點(diǎn)束斑縮小為1～5μm；而第二聚光鏡是弱激磁透鏡，適焦時(shí)放大倍數(shù)為2倍左右。得2～10μm的照明電子束斑。聚光鏡圖1-12

（a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物鏡衍射譜一次象中間鏡二次象投影鏡選區(qū)光闌面銃有許多微米大小的孔，在銅網(wǎng)上覆蓋了一層很薄的火棉膠膜并在上面蒸鍍了碳層以增加其膜的強(qiáng)度，被分析樣品就承載在這種支撐膜上。透射電鏡的主要性能指標(biāo)分辨率放大倍數(shù)加速電壓透射電鏡的主要性能指標(biāo)一.

分辨率

分辨率是透射電鏡的最主要性能指標(biāo)，它表征電鏡顯示亞顯微組織、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的能力。兩種指標(biāo)：點(diǎn)分辨率—表示電鏡所能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離；線分辨率—表示電鏡所能分辨的兩條線之間的最小距離，通常通過拍攝已知晶體的晶格象來測定，又稱晶格分辨率。理論分辨力約為波長一半，實(shí)際分辨力遠(yuǎn)沒到極限：存在像差。透射電鏡的主要性能指標(biāo)二、放大倍數(shù)

透射電鏡的放大倍數(shù)是指電子圖象對于所觀察試樣區(qū)的線性放大率。目前高性能透射電鏡的放大倍數(shù)變化范圍為100倍到80萬倍。目鏡×中間鏡×投影鏡，if三個(gè)都用了。根據(jù)放大倍數(shù)標(biāo)注尺寸透射電鏡的主要性能指標(biāo)三、加速電壓

電鏡的加速電壓是指電子槍的陽極相對于陰極的電壓，它決定了電子槍發(fā)射的電子的波長和能量。

加速電壓高，電子束對樣品的穿透能力強(qiáng)，可以觀察較厚的試樣，同時(shí)有利于電鏡的分辨率和減小電子束對試樣的輻射損傷。

目前普通透射電鏡的最高加速電壓一般為

100kV和200kV，通常所說的加速電壓是指可達(dá)到的最高加速電壓。透射電鏡樣品制備方法一、粉末樣品制備（重點(diǎn)）分散（超聲波）適當(dāng)?shù)臐舛冗m當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣┻m當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)（乙醇）防止團(tuán)聚轉(zhuǎn)移到銅網(wǎng)上：滴or撈。干燥：保護(hù)真空。降低表面張力超聲波儀透射電鏡樣品制備方法二、薄晶樣品制備：一切二磨三減薄?？哭D(zhuǎn)動(dòng)干活的東東繩鋸木斷□離子減薄裝置原理示意圖水滴石穿透射電鏡樣品制備方法三、復(fù)型樣品制備（不能直接觀測的情形）透射電鏡成像原理一、質(zhì)厚襯度原理（重要）二、衍射襯度原理襯者，相對也，相對比而存在。由于試樣的質(zhì)量和厚度不同，各部分對入射電子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的吸收與散射程度不同，而使得透射電子束的強(qiáng)度分布不同，形成反差，稱為質(zhì)-厚襯度。衍射襯度主要是由于晶體試樣滿足布拉格反射條件程度差異而形成電子圖象反差。它僅屬于晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，對于非晶體試樣是不存在的。電子衍射分析（重要）電子衍射與X射線衍射的基本原理是完全一樣的，兩種技術(shù)所得到的晶體衍射花樣在幾何特征上也大致相似，電子衍射與X射線衍射相比的突出特點(diǎn)為：①在同一試樣上把物相的形貌觀察與結(jié)構(gòu)分析結(jié)合起來；②物質(zhì)對電子的散射更強(qiáng)，約為X射線的一百萬倍，且衍射強(qiáng)度大，所需時(shí)間短，只需幾秒鐘。一、根據(jù)衍射花樣確定樣品是晶體還是非晶。二、根據(jù)衍射斑點(diǎn)確定相應(yīng)晶面的晶面間距。三、衍射斑點(diǎn)指標(biāo)化（自學(xué)，考博士要用的）。單晶多晶非晶L:試樣到底板距離

R:斑點(diǎn)到中心距離（或圓環(huán)半徑）2θd2dsinθ=λtg2θ≈sin2θsin2θ≈

2sinθd

·

tg2θ=λtg2θ=

R/Ld

·

R/L

=

λd

·R=L

·

λd

·

K

=

λd

=

λ/

Kd=K/RK

=

R/LK=L

·

λ相機(jī)參數(shù)若結(jié)構(gòu)已知，可方便地標(biāo)注晶面。第八章電子顯微分析第三節(jié)掃描電子顯微鏡（SEM)掃描電鏡的結(jié)構(gòu)掃描電鏡的成像原理掃描電鏡樣品制備TEMSEMTEMSEMSEM的操作比TEM簡單，通過鼠標(biāo)在屏幕上工作掃描電鏡的結(jié)構(gòu)SEM是利用聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某種物理信號(hào)來調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成象的顯微鏡。電子光學(xué)系統(tǒng)：包括電子槍、一級(jí)二級(jí)聚光鏡、物鏡等，用來縮小而非放大，以獲得盡量小的電

子束斑，提高分辨率。掃描系統(tǒng)：掃描線圈和掃描發(fā)生器同步運(yùn)行，使樣品表面電子束斑位置與顯示屏上的亮點(diǎn)位置一一對應(yīng)。兩套電子束息息相關(guān)又互相隔絕。探測器（二次電子or背散射電子），光電倍增管（強(qiáng)度放大），視頻放大器（尺度放大）。圖象顯示和記錄系統(tǒng)：電腦。真空系統(tǒng)：電力系統(tǒng)：掃描電鏡的成像原理（位置＋亮度）打點(diǎn)的位置由掃描系統(tǒng)確定（放大倍數(shù)）；分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深度和廣度共同決定；打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定；成分像與形貌像的分辨率。打點(diǎn)的位置由掃描系統(tǒng)確定（放大倍數(shù)）兩套偏轉(zhuǎn)線圈分別移動(dòng)兩束電子束，一束極細(xì)的電子束在樣品表面掃描，另一束較大電子束在熒光屏上掃描，二者掃描的方向、步調(diào)一致，但步幅差別很大。步幅的比例就是放大倍數(shù)。放大倍數(shù)K=AS

/ACAS

:熒光屏上的掃描步幅AC

:樣品表面的掃描步幅假定樣品表面掃描步幅為10nm，熒光屏上掃描步幅為0.2mm，則放大倍數(shù)為2萬倍。做個(gè)超大熒光屏，放大倍數(shù)可以很大，未必看得清。分辨率分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深度和廣度共同決定通過聚焦能獲得的最小的電子束斑。分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深度和廣度共同決定分辨率由磁透鏡的像差和電子信號(hào)的影響深度和廣度共同決定背散射電子：解析度幾十nm：成分像分辨率低二次電子：解析度幾nm：形貌像分辨率高入射電子束斑背散射電子逸出區(qū)域二次電子逸出區(qū)域打點(diǎn)的亮度由探測器接收到的電子數(shù)目決定（如何形成襯度）探測背散射電子：－50V。（二次電子能量太低被拒之門外）探測二次電子：＋250V。（同時(shí)探測到背散射電子，沒關(guān)系）背散射電子vs二次電子入射電子受樣品原子散射，重又在樣品上表面逸出，稱背散射電子，能量高，與入射電子相當(dāng)。數(shù)量少。樣品原子的外層價(jià)電子品表面逸出，稱二次電子，只獲得入射電子少許能量，但數(shù)量大，多次碰撞，連鎖反應(yīng)，一打一長串。無賴定義：能量低于50eV的電子統(tǒng)稱二次電子。只因探測器加－50V。背散射電子的數(shù)目與被打原子的原子序數(shù)有關(guān)樣品的原子序數(shù)背散射電子數(shù)目打點(diǎn)的亮度原子序數(shù)越大，背散射電子越多，越亮。重元素亮，輕元素暗，形成比較。成份像襯度!!背散射電子與成份像垂直于樣品表面入射一次電子時(shí)，樣品表面所產(chǎn)生的二次電子的量最小。隨著傾斜度的增加，二次電子的產(chǎn)率逐漸增加。因此，二次電子的強(qiáng)度分布反映了樣品表面的形貌信息。二次電子與形貌像電子容易逃逸的地方產(chǎn)額高亮度高一尖、二斜、三平、四凹。襯度!!二次電子(左)與背散射電子象(右)SEM樣品制備（清潔/干燥/鍍金）

對于其它導(dǎo)電性好的樣品如金屬，合金以及半導(dǎo)體材料，薄膜樣品基本不需要進(jìn)行樣品處理，就可以直接觀察。只要注意幾何尺寸上的要求。但要求樣品表面清潔，如果被污染容易產(chǎn)生荷電現(xiàn)象。

對于需要進(jìn)行元素組成分析的樣品，一般在表面蒸發(fā)輕元素作為導(dǎo)電層如：金屬鋁和碳薄膜層。對于粉體樣品可以直接固定在導(dǎo)電膠帶上。防止荷電現(xiàn)象；減輕電子束對樣品表面損傷；增加二次電子的產(chǎn)率，提高圖像的清晰度；消除成份襯度對形貌襯度的影響。導(dǎo)電性差的樣品做形貌像都要鍍金充電現(xiàn)象當(dāng)樣品的導(dǎo)電性差時(shí)，在樣品表面可以積累電荷，可以在樣品表面形成電場，不僅影響電子束的掃描過程，還會(huì)改變圖像的亮度，對二次電子象產(chǎn)生嚴(yán)重影響。離子鍍膜機(jī)真空鍍膜機(jī)第八章電子顯微分析第四節(jié)電子探針X射線顯微分析（元素分析）電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理波長色散譜儀(WDS)能量色散譜儀(EDS)兩種色散譜儀的比較電子探針儀的結(jié)構(gòu)與工作原理除探測系統(tǒng)外，其他系統(tǒng)與掃描電鏡一樣，常合用一套設(shè)備。聚焦好的電子束斑在掃描線圈的控制下激發(fā)樣品某處的特征X射線。探測波長：波譜儀。探測能量：能譜儀。波譜儀波譜儀主要由分光晶體和X射線檢測系統(tǒng)組成。檢測器與X射線衍射儀相仿：轉(zhuǎn)動(dòng)＋數(shù)光子。原理：根據(jù)布拉格定律，從試樣中發(fā)出的特征X射線，經(jīng)過一定晶面間距d的晶體分光，波長不同的特征X射線將有不同的衍射角。通過連續(xù)地改變

，就可以在與X射線入射方向呈2的位置上測到不同波長λ的特征X射線信號(hào)。d2λ波譜儀元素分析λdX射線衍射儀物相分析BaTO3樣品的WDS圖譜能譜儀能譜儀的關(guān)鍵部件是鋰漂移硅半導(dǎo)體探測器，習(xí)慣上記作Si(Li)探測器。每產(chǎn)生1個(gè)電子－空穴對消耗3.8evN＝E／3.81個(gè)X射線光子

N個(gè)電子－空穴對產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度正比于N的電荷脈沖以電荷脈沖強(qiáng)度為依據(jù)將每個(gè)脈沖分類，歸入具有不同能量跨度的“道”，以“道”即能量為橫坐標(biāo)，以進(jìn)入該“道”的電荷脈沖數(shù)為縱坐標(biāo)，得到樣品的能譜圖?！暗馈钡哪芰靠缍扔绊懩茏V儀的能量分辨率。多道分析器BaTO3樣品的EDS圖譜兩種色散譜儀的