材料研究方法14 背散射电子与X射线信号

二次电子分辨率
Back scattered electrons
2μm
1μm
背散射电子分辨率
X射线点分辨率
21
22
3 X 射线 （X ray）的波长
23
莫塞莱定律(Moseley's law )
1913年，25岁的英国科学家Henry Gwyn Jeffreys Moseley提出了X射线波长 与原子序数关系的公式，实际上是玻尔公式的一个实验结果。 纠正了元素周期表中Co和Ni的位置(原子量分布为58.93、58.69)。
R为里德伯格频率，3.29×1015Hz
如果能测定出X射 线的波长，则可确 定原子序数Z。
25
几例不同元素的特征X射线波长(Ǻ)
元素 4 Be 11 Na 26 Fe 29 Cu 35 Br 55 Cs 74 W 83 Bi
Kα1 114.00 11.91 1.936 1.541 1.041
Kβ1
E hc 12.40 (keV)
()
例如CuKα=1.541Å，E=8.047 keV CuKβ=1.392Å，E=8.908 keV
如果能测定出X射线的能量，同样可以确定原子序数。
27
几例不同元素的特征X射线的能量(keV)
元素 4 Be 11 Na 26 Fe 29 Cu 35 Br 55 Cs 74 W 83 Bi
29
一例纸张截面的电子显微镜研究
BEI
Si的Kα像
通过逐点测定1.740keV的X射线信号，就可以得到在该区域内Si元素的分 布图像。
一般对X射线成分像，可按亮度的大小设置一定的区间，并赋予各区间一定 的颜色，因此是一幅假的彩色图像。
30
BEI
Si的Kα像
C的Kα像
Ca的Kα像
31
一例合金的微区成分分析
E hc 6.623 10 34 31018 0.174 10 16 J
114 .00
一般在X射线能量表示时，用eV或keV表示。1eV=1.602×10-19J
E 0.174 10 16 0.108 10 3 eV 0.108 keV 1.602 10 19
波长能量公式可进一步简化为：
但其中的各个物质相态、各相态的具体化学组成是如何知 道的呢？
17
There are different types of electron image.
The two most common are the secondary electron image (SEI) and the backscattered electron image (BEI).
d) X射线成分像一般与背散射电子像联合使用。
37
作业
1 描述背散射电子像及X射线成分像。
38
b) 背散射电子对样品的表面形貌也有反映，但不能和二次 电子像比拟。因此一般只用背散射电子像反映物质的成 分信息。
c) 样品的要求：一般样品要经过抛光打磨，使表面平整， 这样反映的成分信息更充分。
d) 背散射电子像一般与二次电子像以及X射线成分分析联 合使用。
16
问题： 背散射电子像提供给我们的只是原子序数的相对高低，
35
一例合金的微区成分分析
量区：Fe及少量Si、Mn 暗区：C及少量Fe
36
X射线成分像的特征
a) 分辨率较低，图像显得模糊，原因是X射线信号的作用 范围大。
b) 图像可反映一个面上的分布(面扫描像)或沿某个直线或 折线方向的分布(线扫描像)。
c) 样品的要求：一般样品要经过抛光打磨，使表面平整， 这样反映的成分信息更充分。
7
(2) 背散射电子的检测
8
9
(2) 背散射电子成像
成像原理与二次电子像相似，把背散射电子探测器收集到的信号，以 黑白灰度图像的形式显示出来。 与二次电子像相比，图像的清晰度降低，原因是背散射电子的分辨率 降低了。
10
一例CuAl合金的背散射电子像 进一步分析得出：亮区为Cu，暗区为Al。
11
11.58 1.757 1.392 0.933
Lα1
17.59 13.34 8.375 2.892 1.476 1.144
Mα1
6.983 5.118
26
4 X 射线 （X ray）的能量
E hc
普朗克常数h=6.623×10-34JS c=3×108m/s=1018Å/s
Be的Kα波长为114.00Å
如，已知Si的Ka射线λ=7.126Å，E=1.740keV。 当电子束在一个区域内逐点扫描时，用能量探测器探测电子束在每个 点时，样品产生的1.740keV的X射线信号，或用波长探测器探测每点 产生的7.126Å的X射线信号，信号的强弱就可以形成一幅图像。即X 射线成分像。 (一般只采用能量探测的方式进行，因为能量探测相对快速、容易)
The SEI is used mainly to image fracture surfaces and gives a high resolution image.
The BEI is used typically to image a polished section; the brightness of the bei is dependent on the atomic number of the specimen (or, for compounds, the average atomic number). For example, lead will appear brighter than iron and calcium oxide will appear brighter than calcium carbonate. The bei is, in essence, an atomic number map of the specimen surface.
式中 λ —— 某线系(α、β)的特征射线的波长 Z－－原子序数 K， —— 为给定的线系的常数。
24
公式原型 对于Kα射线 对于Lα射线
k1 (Z k2 )2
k1
R(1 1
1 22
)
3 4
R
λ=c/ν c=3×108m/s=1016Å/s
k2=1
k1
R( 1 22
1 32
)
5R 36
k2=7.4
第二章 电子显微镜
(三）背散射电子与X射线
1. 背散射电子与背散射电子像 2. X射线信号的产生 3. X射线的波长 4. X射线的能量 5. X射线成像
1
1 背散射电子(back-scattered electron)与背散射电子像
背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分 入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。
背散射电子的能量，从50eV到接近入射电子的能量(几keV——几十keV)。
3
背散射电子的穿透能力比二次电子强得多，可从样品中较深的区域逸出(微米级)， 在这样的深度范围，入射电子已有相当宽的侧向扩展，因此在样品中产生的范围 大。
二次电子分辨率
Back scattered electrons
1μm
背散射电子分辨率
4
背散射电子的分辨率远低于二次电子的分辨率。
5
(1) 背散射电子产额η
背散射电子产额η与角度α的关系 由图可知，背散射电子产额，也受样品表面形态的影响，但变化幅 度比较小。
6
背散射电子产额η、二次电子产额δ 与样品原子序数的关系
由图可知，随着原子序数的增加，背散射电子产额迅速增加，(二次 电子产额变化不大)。 背散射电子的产额可以反映样品的原子序数相对大小。
18
2 X 射线 （X ray）信号的产生
产生原理与XRD中所叙述的类似。 XRD：高速电子轰击阳极，得到特征X射线，其 波长取决于阳极材料的原子种类。 EM：高速电子照射样品，从样品中产生特征X射 线，波长取决于样品中的原子种类。
19
20
二次电子的有效深度5-10nm，背散射电子的有效深度1μm，X射线信号 的有效深度2μm，且随着深度的增加，横向的作用范围也在加大，即点 分辨率降低。
二次电子像(2000×)
背散射电子像(2000×)
一例Al2O3-ZrO2-SiC复合陶瓷的分析，进一步 分析得出1为单独的ZrO2晶粒，2为Al2O3基底。
12
二次电子像、背散射电子像与原子序数Z的关系
SEI
BEI
SrTiO3+MgO复相陶瓷的二次电子像和背散射电子像
SEI:试样表面起伏清晰
BEI：起伏模糊，但亮度变化大
Kα1
Kβ1
0.108
1.041
6.403
6.390
8.047
8.904
11.923
13.29030.970 Nhomakorabea34.984
59.310
67.233
77.097
87.335
Lα1
0.704 0.928 1.480 4.286 8.396 10.836
28
5 X 射线成像
可以在仪器中专业设置X射线波长或能量的探测器，探测出样品中 对应的元素分布。
13
一例合金的 高温无缝钎 焊的背散射 电子像
分析部位
Ti
Cr
Co
Ni Mo
W
Nb
1. 白色骨骼相
0.23 15.83 22.85 11.72 5.26 44.11
2. 颗粒间焊接基体 0.52 14.81 35.94 43.12
3.26 2.36
3. 灰块相
65.52 11.72 4.10 2.51 16.15
BEI
ZnKa
AgLa
SEI
CuKa
SnLa
进一步分析得出：1：SnAg 2：AgSn 3：ZnCuAg
32
一例Cu矿矿石的的电子显微分析
综合分析得出：亮区为：CuFeS2，次亮区：FeS2。
33
一例合金的微区成分分析
Mg
Al
O
Ni
BEI
Fe
量区Fe，暗区是Mg、Al，界面含Ni、O
34
一例锆钛合金的微区成分分析
4. 灰色骨骼相
66.27 12.51 4.36 2.30 14.57
14
一例地质样品的背散射电子像
分析得出，高亮度为：锆石、金银矿、黄铁矿 低亮度为：正长石、石英
研究矿体中有价矿物的赋存状态、粒度大小，为选矿提取提供素材。
15
(3) 背散射电子像的特征
a) 背散射电子像反映在区域内原子序数的相对大小——图 像相当于成分的反映，因此也叫成分像。
弹性背散射电子是指被样品中原子核反弹回来的， 散射角大于90度的那些入射电子，其能量基本无变化。
非弹性背反射电子是入射电子和核外电子撞击后产 生非弹性散射，不仅能量变化，而且方向也发生变化。能 量范围很宽，从数十eV到数千eV。
2
弹性背散射电子 能量 = 入射电子能量
非弹性背散射电子 能量 < 入射电子能量