電子顯微分析1緒論及電子光學(xué)基礎(chǔ)

1、金屬電子顯微分析,緒 論,微觀結(jié)構(gòu)(microstructure)決定宏觀(macroscopical)性質(zhì) 任何一種材料的宏觀性能或行為都是由其微觀結(jié)構(gòu)所決定的. 微觀結(jié)構(gòu) 材料的化學(xué)組分(composition) 元素分布(elemental distribution) 組成相(phase)的形貌(morphology) (包括形狀/大小/分布等) 晶體結(jié)構(gòu)(crystal structure) 各個組成相之間的取向關(guān)系(orientation)和界面狀 態(tài)(interface) 晶體缺陷(defect)的密度(density)和組態(tài)等,所以,研究材料必須研究材料的微觀結(jié)構(gòu),通常用來研究材

2、料微觀結(jié)構(gòu)的方法(method) 光學(xué)金相顯微分析 X射線衍射 化學(xué)分析方法 這些技術(shù)在材料的研究中發(fā)揮了重要的作用,材料研究中各種分析方法的空間分辨能力極限,傳統(tǒng)方法存在的問題 光學(xué)金相方法-分辨率受到光波衍射的限制,只能提供微米左右的形貌細(xì)節(jié)圖象 X射線衍射-聚焦困難,衍射信息強(qiáng)度較弱,只能獲得總體或平均的結(jié)果 濕法和光譜化學(xué)分析-無法給出微觀的成分不均勻性資料,上述技術(shù)空間分辨率(spatial resolution)不高, 不能把形貌顯示和成分結(jié)構(gòu)分析有機(jī)地結(jié)合起來. 在分辨率(resolution),檢測靈敏度(sensitivity),定量(quantitative)精度(prec

3、ision)以及適應(yīng)性(applicability)等方面,越來越不能滿足科學(xué)發(fā)展的需要.,電子光學(xué)儀器新設(shè)備相繼出現(xiàn) TEM (Transmission electron microscopy) SEM (scanning electron microscopy) EPMA (electron probe microanalyzer)電子探 針X射線顯微分析儀 SIMS (secondary ion mass spectrometry)離子 探針 AES (Auger electron spectrometer)俄歇電子能譜儀,所有電子光學(xué)儀器的共同特點:以電子光學(xué)方法將具有一定能量的電子(

4、或離子)會聚成細(xì)小的入射束，通過與樣品物質(zhì)的相互作用激發(fā)表征材料微觀組織結(jié)構(gòu)特征的各種信息，檢測并處理這些信息從而給出形貌、成分和結(jié)構(gòu)的豐富資料.,最重要的顯微分析手段-TEM 特點 高空間分辨率:可提供極其微細(xì)的材料組織結(jié)構(gòu)情況 SAED(selected area electron diffraction)： 使微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)對應(yīng)起來 原位(In situ)觀察：利用各種特殊樣品臺對樣品 進(jìn)行高分辨率條件下的系統(tǒng)動態(tài)觀察，揭示材料相 變和形變過程中組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,TEM-本篇將要學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容,TEM設(shè)計基礎(chǔ) 設(shè)備介紹 樣品制備 應(yīng)用 。,本篇主要內(nèi)容,第一章 電子光學(xué)基礎(chǔ),電子顯

5、微鏡：是一種高放大倍數(shù)、高分辨本領(lǐng)，綜合性能好的新型分析儀器。 要學(xué)習(xí)掌握電子顯微鏡的原理，首先要對光學(xué)顯微鏡進(jìn)行了解 兩者都屬于光學(xué)放大儀器，基本光學(xué)原理相似 區(qū)別在于使用照明源和聚焦成像的方法不同：前者用可見光照明，用玻璃透鏡聚焦成像；后者用電子束照明，用一定形狀的靜電場或磁場（靜電透鏡或磁透鏡）聚焦成像。,$ 1 概 述,光的折射(refraction)是光學(xué)透鏡成像的基礎(chǔ) 光的折射：光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時發(fā)生光的折射 折射服從以下規(guī)律： (1)入射光、折射光和介質(zhì)界面的法線在同一平面內(nèi) (2)滿足關(guān)系：,$ 2 光的折射和光學(xué)透鏡成像,另外重要概念：單色光,光學(xué)透鏡成像 光學(xué)顯

6、微鏡聚焦、放大成像的主要部件-凸透鏡 薄透鏡性質(zhì)： (1)薄透鏡的基本概念：透鏡的中心、光軸 、主軸、副軸、透鏡主平面、焦點F、 焦距f 、焦平面等 ； (2) 成像規(guī)律：實像、虛像的條件 (3) 成像的幾條特殊光線；通過這幾條特殊光線，用作圖的方法確定透鏡成像的位置和大小 (4)薄透鏡成像，物距L1，焦距f，像距L2三者之間的關(guān)系等 (5)透鏡像的放大倍數(shù),1) 光的衍射 光和無線電波一樣屬于電磁波。由于它具有波動性質(zhì)，使得由透鏡各個部分折射到像平面上的像點及其周圍區(qū)域的光波相互之間發(fā)生干涉作用、產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。,$3 光的衍射和光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)理論極限,由前所述，一個理想的點光源通過透鏡成

7、像時，在像面上應(yīng)該得到一個理想的像點，但是實際情況并非如此,所以，理想點光源的像是：具有一定尺寸的中央亮斑及其周圍明暗相間的圓環(huán)所組成的埃利 （Airy）斑,大約84的強(qiáng)度集中在中央亮斑，所以通常以埃利斑 第一暗環(huán)的半徑來衡量其大小。,n透鏡物方介質(zhì)折射率(refractive index),照明光波長(wavelength),透鏡孔徑半角(semiangle of collection),M透射放大倍數(shù),nsin-數(shù)值孔徑(numerical aperture),上式說明埃利斑半徑與照明光源波長成正比，與透鏡數(shù)值孔徑成反比。,2) 光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)理論極限. 樣品由許多物點所組成的。每個物

8、點為一個“點光源”。 分辨判據(jù)：兩埃利斑中心間距等于第一暗環(huán)半徑R0。 此時樣品上相應(yīng)的兩個物點間距離r0。定義為透鏡能分辨的最小距離，也就是透鏡的分辨本領(lǐng)。 由上式得到：,對玻璃，最大的孔徑半角=7075，物方介質(zhì)為油情況下，n 1.5，其數(shù)值孔徑 nsin 1.25 1.35。因此上式可以簡化為：,可見光的波長在39007600之間，光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)極限值可達(dá)2000。,以上說明，透鏡能分辨的兩點間的最小距離（即分辨本領(lǐng)）主要取決于照明波長，半波長是光學(xué)玻璃透鏡分辨本領(lǐng)的理論極限,3)有效放大倍數(shù) 人眼的分辨本領(lǐng)大約是0.2mm，光學(xué)顯微鏡分辨本領(lǐng)極限大約是0.2m（2000). 有效放大

9、倍數(shù)由下式確定 式中M有效顯微鏡有效放大倍數(shù)；re人眼分辨本領(lǐng)；r0顯微鏡分辨本領(lǐng)。光學(xué)顯微鏡相應(yīng)的有效放大倍數(shù)M有效=1000倍，最高放大倍數(shù)在10001500倍。,若要提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)，關(guān)鍵是要有短波長的照明源。,順著電磁波譜往短波長方向看,紫外線波長比可見光短(3900-130埃). 不能使用的原因:絕大多數(shù)樣品物質(zhì)都強(qiáng)烈地吸收短波長紫外線,因此可供照明的紫外線限于波長2000-2500埃,所以應(yīng)用紫外線作照明源,顯微鏡分辨本領(lǐng)可達(dá)1000埃左右. 另外,X射線波長很短,在100-0.5埃范圍,但是至今不知道有什么物質(zhì)能使之有效地改變方向,折射和聚焦.,要提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)，必須尋

10、找既要波長短又能聚焦成像的照明源。,$4 電子的波性及其波長,電子波粒二相性(wave-particle duality)：德布羅意(de Broglie)認(rèn)為運(yùn)動的微觀粒子會顯示波性。這個波的波長(wavelength) 與粒子運(yùn)動速度(velocity) 、粒子質(zhì)量(mass) m 之間存在以下關(guān)系： 式中 h普朗克常數(shù)(Plancks constant)。 這個波叫做物質(zhì)波或德布羅意波。,不同加速電壓下電子的波長值,初速為0的電子,在電場中從點位為0的點開始運(yùn)動,在加速電壓(accelerating voltage)為U的作用下獲得的運(yùn)動速度為v,則,e-電子電荷(electron ch

11、arge),m-電子質(zhì)量(electron mass),討論: 1.加速電壓比較低時,vc (speed of light in vacuum), m=m0;,h=6.6210-34Js，,e=1.6010-19C(charge)，,m0=9.1110-34kg(rest mass of electron),電子波長與其加速電壓平方根成反比,2.加速電壓比較高時,v=c,相對論情況：,經(jīng)相對論修正的不同加速電壓下電子波長值,從原理上講，若 能 用波長這樣短的電子波做照明源，可以顯著地提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)和有效放大倍數(shù),另外，由電子光學(xué)基礎(chǔ)可知，要想成像，必須使電子發(fā)生折射,必須制造出使電子波聚

12、焦成像的透鏡,綜上所述： 1 . 提高加速電壓，縮短電子波長，提高電鏡分辨率； 2 . 電子波長與可見光相比，相差105量級。,$5 電子在靜電場中運(yùn)動和靜電透鏡(electrostatic lens),相對于觀察者為靜止的、不隨時間變化的電場叫做靜電場。,性質(zhì)：1. 電場中電荷受到電場力作用 2.電荷在電場中運(yùn)動，電場力做功,電場強(qiáng)度：電場作用在單位正電荷上的電場力,E電場強(qiáng)度；f作用力；q試驗電荷,電場強(qiáng)度與電位梯度有關(guān)：,沿等電位面法線朝著電位增大方向的單位矢量,電位梯度,平行板電極，勻強(qiáng)電場,當(dāng)一個速度為的電子，沿著與等電位面法線成一定角度方向運(yùn)動，電位面上方電位為U1、下方為U2，那

13、么電子由U1電位區(qū)進(jìn)入U2電位區(qū)的瞬間在交界點O處運(yùn)動方向發(fā)生突變，電子運(yùn)動速度由v1變?yōu)関2。因為電場對電子作用力方向總是沿著電子所處點等電位面法線，從低電位指向高電位。所以電子所觸點等電位面切線方向電場分量為0，電子沿該方向運(yùn)動速度分量vt保持不變，即vt1=vt2 。 如果起始點電位為0，電子初速為0，那么電子在U1U2電位區(qū)的運(yùn)動速度分別為： ， 還由于 所以：,vt1,vt2,v1,v2,光的折射定律與電場對電子的折射的比較,可見光,電子束,相當(dāng)于折射率,電場中等電位面是對電子折射率相同的表面，與光學(xué)系統(tǒng)中兩介質(zhì)界面具有相同的作用,靜電透鏡,一定形狀的光子介質(zhì)界面（如玻璃凸透鏡旋轉(zhuǎn)對

14、稱的彎曲折射界面）可以使光波聚焦成像， 那么類似形狀的等電位曲面簇也可能使電子波聚焦成像,由于電場中電位連續(xù)變化，電場對電子的折射率連續(xù)變化,所以，電子在靜電透鏡場中沿曲線軌跡運(yùn)動,1.電子在磁場中運(yùn)動 受洛侖茲力: =qvB 式中q 運(yùn)動電荷；v運(yùn)動速度 ；B磁感應(yīng)強(qiáng)度 。,$6 電子在磁場中運(yùn)動和磁透鏡(magnetic lens),均勻磁場中質(zhì)量為m的粒子（如電子）做半徑為R的圓周運(yùn)動時所需的向心力為：,所需的向心力由磁場力提供 電子在磁場中作圓周運(yùn)動的回旋半徑為：,所以,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時,電子回旋半徑R與它的動量P成正比, 電子的動量越大,回旋半徑越大,當(dāng)電子速度與均勻磁場并不垂直

15、,而成一定夾角時,v,vr,vz,將速度v分解為垂直于磁場分量Vr和平行于磁場分量Vz,垂直于磁場方向,磁場力使其做勻速圓周運(yùn)動 平行于磁場方向,電子做勻速直線運(yùn)動,所以,電子運(yùn)動是上述兩種運(yùn)動的合成,其軌跡是一螺旋線,2.磁透鏡:能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對稱非均勻磁場的磁極裝置。 可用于電子波聚焦 恒磁透鏡和電磁透鏡。,電子做圓錐螺旋運(yùn)動。 一束平行于主軸的入射電子，通過電磁透鏡后將被聚焦在軸線上一點，即焦點。,短線圈磁場的聚焦成像原理最關(guān)鍵的是理解右圖,a. 將透鏡磁場中任意一點B分解為軸向分量Bz和徑向分量Br,b.電子以速度v進(jìn)入透鏡,在Bz作用下勻速直線運(yùn)動,受到Br作用產(chǎn)生切向力,獲得切向速度V

16、t,開始做圓周運(yùn)動瞬間,由于Vt垂直于Bz,則產(chǎn)生徑向作用力Fr,電子向軸偏轉(zhuǎn),如何提高電磁透鏡的效率問題,短線圈磁場-一部分磁力線在線圈外,把短線圈裝在軟磁材料里，可提高相應(yīng)區(qū)域磁場強(qiáng)度。,加極靴,旋轉(zhuǎn)對稱的不均勻磁場，像電子透鏡一樣，使運(yùn)動電子向軸心偏轉(zhuǎn)并聚焦，這成為電磁透鏡研究的開端,極靴由上下兩部分組成，分別與鐵殼銜接，從鐵殼磁路整體來看，極靴成為唯一的空隙部分，在幾毫米空隙之中磁力線集中分布，磁場強(qiáng)度可達(dá)1000-10000T，具有強(qiáng)烈會聚能力，正是它起透鏡的作用。極靴的設(shè)計制造至關(guān)重要，基本決定了電鏡成像的質(zhì)量，一般由導(dǎo)磁率高，矯頑力小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，內(nèi)部組織均勻的軟鐵材料制造。,

17、電磁透鏡焦距可由下式來近似計算：,與光學(xué)玻璃透鏡相似，電磁透鏡物距L1、像距L2和焦距f三者之間關(guān)系也可用薄透鏡公式表示。整理可得,或,當(dāng)透鏡像距L2一定時,透鏡像的放大倍數(shù)與焦距成反比; 當(dāng)透鏡物距L1=2f時,透鏡像放大倍數(shù)M1,所以,無論激磁方向如何,焦距總是正的,表明電磁透鏡總是會聚透鏡(convex lens),即使忽略了電子的衍射效應(yīng)，電磁透鏡也不能把一個理想的物點聚焦成一個理想的像點,$7 電磁透鏡的像差(aberration),原因：電磁透鏡具有各種像差,像差分類：,幾何像差： 因透鏡磁場幾何上的缺陷產(chǎn)生,球差(spherical aberration),像散(astigmat

18、ism),像畸變(distortion),色差(chromatic)：由電子的波長或能量非單一性引起,有些像差理論上不可能加以補(bǔ)償和校正,如：球差，光學(xué)玻璃透鏡可以用會聚透鏡和發(fā)散透鏡的組合或設(shè)計特殊的拋物形界面等措施來補(bǔ)償校正 但對電磁透鏡，這樣的校正不可能,式中 Cs電磁透鏡球差系數(shù)(spherical aberration coefficient)； -電磁透鏡孔徑半角。,球差：是由電磁透鏡磁場中，近軸區(qū)域?qū)﹄娮邮恼凵淠芰εc遠(yuǎn)軸區(qū)域不同而產(chǎn)生的。,1)幾何像差（包括球差、像散和像畸變）,一般來說總是遠(yuǎn)軸比近軸區(qū)域的折射能力大，此類球差叫做正球差。,球差最小散焦斑半徑rs 可用下式來計算

19、：,減小透鏡孔徑半角，可以顯著的減小散焦斑半徑。,像散：是由透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱引起的一種像差。,產(chǎn)生原因：電磁透鏡中極靴圓孔有點橢圓度，上、下極靴孔不同軸，端面不平行，極靴材料的各向?qū)Т怕什町?，以及極靴污染等等都可能導(dǎo)致磁透鏡磁場的非旋轉(zhuǎn)對稱。,像散散焦斑半徑rA 可由下式來確定：,fA由透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱性產(chǎn)生的焦距差；-透鏡孔徑半角。,像散散焦斑與焦距差成正比，透鏡磁場非旋轉(zhuǎn)對稱性越明顯，焦距差越大，散焦斑越大,像散可以用機(jī)械，靜電或電磁式消像散器適當(dāng)?shù)丶右匝a(bǔ)償校正,像畸變：由球差引起，正球差枕形畸變，負(fù)球差桶形畸變，磁轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)畸變,2)色差,色差：由于成像電子波長（或能量）變化引起電磁透

20、鏡焦距變化而產(chǎn)生的一種像差。,色差散焦斑半徑由下式確定：,式中 Cc電子透鏡色差系數(shù)，隨激磁電流增大而減??； 電磁透鏡孔徑半角；E/E成像電子束能量變化率。,色差散焦斑半徑與成像電子束能量變化率成正比。成像電子束能量變化原因：1）電子槍加速電壓的不穩(wěn)定；2）單一能量或波長的電子束照射樣品物質(zhì)時，將于樣品原子的核外電子發(fā)生非彈性散射。 操作使用時應(yīng)盡量減小樣品厚度。,$8 電磁透鏡的分辨本領(lǐng),分辨本領(lǐng)是透鏡最重要的性能指標(biāo)。,它取決于透鏡的像差和衍射效應(yīng)。是兩者綜合作用的結(jié)果,光學(xué)玻璃透鏡可以用會聚透鏡和發(fā)散透鏡的組合或設(shè)計特殊的拋物形界面等措施來補(bǔ)償校正像差，所以其分辨率取決于衍射效應(yīng),最大的

21、孔徑半角=7075,在最佳條件下，分辨本領(lǐng)可以達(dá)到半波長,電磁透鏡有些像差不可消，衍射和球差都限制電磁透鏡分辨本領(lǐng)。其分辨率達(dá)不到半波長,減小孔徑角，減小球差，典型值在10-210-3弧度,當(dāng)照明電子束波長一定時，透鏡孔徑半角越大，衍射效應(yīng)越小，但是球差引起的散焦斑越大,A0.40.55，B1.131.4；照明電子束波長；Cs物鏡球差系數(shù)。 以上說明，雖然電子束波長僅為可見光波長的十萬分之一左右，但電磁透鏡分辨本領(lǐng)并沒有因此而提高十萬倍。這主要是受像差尤其是球差的限制。,所以，必須兼顧衍射和球差影響,關(guān)鍵是確定電磁透鏡的最佳孔徑半角0，使得衍射效應(yīng)埃利斑與球差散焦斑 尺寸大小相等，表明兩者對透

22、鏡分辨本領(lǐng)影響效果一樣。,0確定過程,由于假設(shè)條件和計算方法的不同，以上兩式中常數(shù)項有所不同,$9電磁透鏡的景深和焦長 景深Df ：透鏡物平面允許的軸向偏差。它與電磁透鏡分辨本領(lǐng)ro、孔徑半角之間關(guān)系： 電磁透鏡孔徑半角越小，景深越大。電磁透鏡 =10-210-3弧度， Df=（2002000）r0。如果透鏡分辨本領(lǐng)r0=10，Df=200020000。對于加速電壓100kV的電子顯微鏡，樣品厚度在2000左右。 焦長DL：透鏡像平面允許的軸向偏差。DL與分辨本領(lǐng)r0、像點所張的孔徑半角 之間的關(guān)系： M透鏡放大倍數(shù)。,當(dāng)電磁透鏡放大倍數(shù)和分辨本領(lǐng)一定時，透鏡焦長隨孔徑半角減小而增大。 如：一電磁透鏡分辨本領(lǐng)r0=10，孔徑半角=10-2弧度，放大倍數(shù)M=200倍，計算焦長DL=8107=8mm 。表明該透鏡實際像平面在理想像平面上或下各4mm范圍內(nèi)移動時不需改變透鏡聚焦?fàn)顟B(tài)，圖像仍保持清晰。 對于由多級