电子显微分析技术及其在材料科学中的应用

二次电子能谱分布
透射电子显微镜
• 电镜的光路图
总放大倍数 MT=M0*MI1* MI2*MP M0=50 MI1=3 MI2=15 MP=220 则 MT≈500，000
• 改变放大倍数时，通常 是改变中间镜的强度， 变弱时，中间镜的物平 0 1 面向物镜移动，因为投 影镜的强度固定不变， 则中间镜的象平面必须 不变，这样，要靠调节 物镜来聚焦。
0
cosα )/eH
• 3 实际情况是利用靠近轴旁的那部分电子来成象,α 角
非常小（10-2 ∽10-3弧度）,从P出发的电子，都将会 聚在P’处。
电子显微分析仪器工作的基本原理
• 电子在磁场中运动时受到劳伦兹力的作用会发生偏转。 只要设计出合理的磁场强度和分布——磁透镜，电子 通过该磁透镜就会发生聚焦。因此，磁透镜对电子束 来说，也具有像玻璃透镜对可见光一样的参量——焦 点、焦距、焦面。 • 具有一定能量的离子、电子和光子束与物质相互作用 时，可产生各种不同的信息，收集分析这些信息，就 可以了解被作用物质的特性。如果能将这种“三子” 聚焦成微细束斑，则可进 行物质的微区分析工作。
•
原子的激发及去激发过程
• 原子的激发 及去激发过程——光子、X射线及俄歇电 子的发生。 • 由于这种原子去激发过程时释放的能量与原子的电子 壳层结构有关，因此，收集分析这些去激发过程时释 放的光子、X射线及俄歇电子的 能量，就可以了解原子的种类。
能量为E1的电子束入射后与原子碰撞产生 各种电子信息的能量分布
光学显微镜的光学系统
• 透镜1、2构成物镜，透镜3、4构成目镜。从A—B物体 上反射的光线通过物镜，在透镜内折射后落到目镜的 透镜3上，并在透镜3的后面形成一倒立的放大实像 B’—A’，在这个地方放置一个目镜光阑，限 制边缘部分的光线。通过放大镜4观察物像 B’—A’，构成一倒立放大的虚像B”—A”。
• 可分三个区： • 1 靠近0eV区，有一个约为10eV宽的峰，是由激发电子再次激发 别的电子产生大量的二次电子，平均能量较低，只能从靠近表面 的原子层中出射，所以可作形貌观察。 • 2 与入射 电子能量接近的E1弹性散射 电子。由于电子的入射 深 度以及原子的电子壳层中电子激发程度都与原子种类（原子序数 大小）有关，所以也可作为原子种类的粗略区分。 • 3 在两个峰间的非弹性散射电子较弱，但有许多小峰，可分两类： 一类小峰的能量与入射 电子的能量无关，这是俄歇电子；另一类 与E1能量有关，以E1能量为基础并相差△E 的各种不连续能量损 失峰。包括以下三种：1，激发晶格振动或吸附分子振动能的跃迁， 损失能量在几十至几百meV 范围。2，激 发价电子跃迁，能量损失值在1-10eV 左 右。3，激发蕊能级电子跃迁，能量损失 在102—103eV 左右量级。
色差
• 焦距和象转角均随电子速度变化而不同。
• 中心色差 • 旋转色差
f (焦距)∝V/（NI）2 加速电压（V）和透镜电流（I）分别变化△V和△I时，f变化为 △f. 象转角随加速电压和电流的波动而变化，造成象点被拉长，离轴 愈远，象点就被拉得越长。
象散
• 磁透镜的非轴对称会引起象散，但可以采用添加消象 散装置及进行消象散操作进行补偿。
电子在均匀磁场中的运动轨迹
• 1 电子的初速υ 0与磁场强度H垂直时,受到的 Lorentz 力F=eυ 0 H, 半径 R=(mυ 0 )/ (eH) • 2 电子的初速υ 0与磁场强度H斜交成α 角，电子的运 动轨迹最终是一条螺旋线。
υ z=υ 0 cosα , υ ⊥=υ 0 sinα , R=(m υ 0 sinα )/eH, h=(2π mυ
衍衬运动学和衍衬动力学理论
• 运动学理论是讨论晶体激发产生衍射波强度的简单方 法，不考虑入射波和衍射波之间的动力学相互作用。 假设： 1，入射电子波在样品内只受到不多于一次的散射； 2，入射电子波在样品传播的过程中，强度的衰减可以 忽略，衍射波的强度与入射波的相比始终是很小的。 这对于足够薄的样品，或者让衍射晶面足够偏离Bragg 衍射的位置时是近似的。 • 动力学理论是考虑了透射波与衍射波之间的相互作用 的理论。可以示意地表示为：
• 如果物镜为一完整透镜无球差，失焦量取△f，衍射束与透射束之 间的夹角为 ，由图中可看出二波之间的光程差为： • = △f(1+ 2/2)—△f=△f 2/2 将Bragg衍射公式 ~ /d代入 得 =△f （2/2d2） 相应的相位差是： △f =2 /= 2 / [△f（2/2d2）] = △f（/d2）= △f 2（/） • 原来与A波相差90o相位的C波,由于失焦后又移动了相位90o ，这 时C波与A波同相位，合成振幅应为/A/+/C/，因此在这个平面上每 隔间距d（黑点所示）就会出现亮点，相位衬度被显示出来。当 △f 为正，n =1时，合成振幅为/A/+/C/，出现正反差；当n =3时， 合成振幅为/A/—/C/，出现负反差，所以相位衬度只有在一定的失 焦量下才能被显示出来。 • 在实际情况下，完整的、无球差的物镜是没有的，所以还要考虑 物镜球差对电子波相位的影响。 • 如果所有的衍射光束参与成象，象就能不失真的反映出物的细节， 但实际上是不可能的，因为必须考虑物镜球差的影响，需要选用 适当大小的光阑。
衬度的形成
• 衬度: 图象各个部分光强度的差别。 • 样品各个部分对电子不同散射 的特性构成了象的衬度差别。散射 特性与Z，A，t，P，V 等有关，电子受重原子（Z大）弹性散射 的可能性大，快速电子受弹性散射的可能性小，质量厚度大， 则 弹性散射的可能性大。 • 电子通过（入射 ）样品原子的静电场时，两者作用的结果可表现 为运动方向和能量的改变，当电子的路径到原子核之间的径向距 离很小时，电子主要受原子核场的作用，由于原子核的质量比电 子的大得多，所以电子运动的方向将有较大的改变，能量转移很 小，产生弹性 散射。 θ = 0.01-0.1弧度。 • 当电子路径与原子核之间距离较大时，入射电子受到的主要是原 子中电子的厍伦场作用。作用结果使入射电子的散射角较小而能 量损失的几率较大，产生非弹性散射 。θ ≦10-4弧度。 • 根据衬度形成的原因，可分为振幅（质量）衬度、衍射衬度和相 位衬度。
高能粒子与物质相互作用及其 产生的各种信息
• 粒子在固体内的散射：弹性和非弹性散射。 • 原子的激发及去激发过程。 • 能量为E1的电子束入射后与原子碰撞产生各种电 子信息的能量分布。 • 收集和分析各种信息，究竟能表征物质的何种特 性？
粒子在固体内的散射
• 弹性散射：总动能在散射前后守恆，如同原子核的碰撞， 但不包括高能状况下产生的核反应。 • 非弹性散射：总动能中有一部分转化为其他形式的能量。 如激发物质中的电子、离子、光子的发射。这样测量这些 能量的参数，就可以知道被碰撞物质中原子的种类、能量 等信息。
相位衬度
•
从电子波动性来看，入射 电子中的透射波与散射波之间有相位差 （特薄的样品除外）。样品各部分散射波的强弱不同，透射波与散 射 波合成成象时就会出现明暗的差别，称为相位衬度。 • 当试样很薄时，可以忽略电子的非弹性散射影响，电子在逸出样 品下表面时，振幅几乎没有变化，可以认为只有相位变化。但是从 荧光屏上观察不到电子波的相位变化，而只有将相位的不同转化为 振幅的不同后才能从荧光屏上观察到。A为透射波，C为散射波， A+C的合成波为B波。当A与C波重新在相面上组合，若物镜为完整 透镜、正聚焦以及无光阑的情况下，此时象面与物面为严格的共轭 面，成为一片亮的象而无细节，不能反映相位衬度。
材料科学与工程的研究内容以及 相互间的关系
材料成分（体系） 现代分析仪 器的发展
现代制造工艺 设备的发展
制造工艺
显微结构
使用性能 （与环境有关）
性能 （自身具备）
现代测试仪器的发展
电子显微镜的发展
• 1924年德布罗意提出微观粒子的波粒两重性原理，并 计算出电子的波长比可见光的短得多。 • 1926年Busch建立了几何电子光学理论。 • 1934年Knoll和Ruska发明了电子显微镜。52年后的 1986年与1981年发明的扫描隧道显微镜共同获得了诺 贝尔奖。 • 1939年西门子推出了世界上第一台商品电子显微镜， 1949年推出第二种型号。 • 1965年第一批商品化的扫描电子显微镜在英国问世。 • 我国情况：1958年生产了第一台透射电子显微镜， 1975年生产了第一台扫描电子显微镜。
光的反射、折射和全反射
• 反射：入射角等于反射角 i = i” • 折射：当光线由折射率比较小的介质（如空气）进入 折射率比较大的介质（如玻璃）时，折射光线靠近法 线；反之，折射光线将偏离法线。n sin i = n’sin i’, n、 n’分别为介质1和2的折射率。 • 全反射：当光线由折射率大的介质向折射率小的介质 入射时，随着入射角的增大折射角将增加得更大。这 时反射光增强，折射光减弱。当入射角大于临界角 ic 时，只有反射光而没有折射 光，称为全反射。
薄透镜的成像
• 透镜可以使光线会聚或发散，使物象放大或缩小。 • 在透镜的光轴上总可以找到一点F，如果把点光源放在 在该点上，则通过透镜后的光线会成为平行光，F点称 为透镜的物方焦点，F点到透镜光心的距离称为物方焦 距。如果入射光为平行光，通过透镜后会被会聚在F’ 点上，称为象方焦点，同样也有象方焦距。 • 正透镜：物在两倍焦聚之外，得到缩小倒 立的实象。物在焦聚之内，得到放大正立 的虚象。 负透镜：物在透镜 前任何位置，得到 缩小正立的虚象。
电子显微分析技术及其在 材料科学中的应用
Baidu Nhomakorabea
材料科学的发展需要有现代分析方法作 为基础和支撑
• 确定材料的成分和体系(金属、陶瓷、高分子、复合材料； 结构、功能材料)后， 再结合制造加工工艺的优化，改变 和控制晶体结构及显微组织，这样，才能使材料的使用性 能提高到一个新的水平。 • 现代工艺设备及技术的发展支持了制造工艺的发展和进步。 • 现代分析技术及仪器设备的发展支持了对晶体结构和显微 组织研究的深化。 • 现代测试方法及仪器设备的发展支持了对材料性能（自身 具备的）和使用性能（自身具备的性能和环境条件结合后 表现的性能）的测试研究。
电子的波长与加速电压的关系
电子的波长：λ h / mv-----------------(1) h—普朗克常数; m—电子质量; v—电子速度. • 动能等于位能,电子的速度与加速静电位 有一定的关 系 . 1/2 mv2e---------------(2) v2e / m---------------(3) 代 入 (1) 得 λ h / 2e m 150/ (Å)---(4) 若 100kV, λ 0.04 Å • 光学玻璃透镜最大孔径半角为 70——75o ，分辨率可 以达到照明光波长的 1/2 。但是电子显微镜的孔径半 角很小，大约在 10-2——10-3 弧度左右。所以电子显 微镜的分辨率约为2 Å水平，比光学显微镜高1000倍 左右。
振幅衬度和衍射衬度
• 样品中质量厚度大的部分被挡掉的弹性散射电子数多，在象中相 应的部分就成为较暗的地区，形成振幅衬度。 • 晶体中的原子作周期排列，入射电子与它们相碰撞时会在某些特 定方向产生很强的散射波，这就是通常所说的Bragg衍射。 2dsinθ =nλ .这样，用透射电子束成象时,取向不同的晶粒就可以 得到不同的衬度,反应出它们不同的取向，形成衍射衬度。 • 衍衬象 中心暗场衍衬象
Fresnel（费涅尔）条纹
• 电子光源的直接波和来自微孔边缘的散射波发生干涉 而呈现的明暗条纹图。常用微栅孔的 Fresnel 条纹的 对称性来判别物镜象散和进行消象散操作。 • 两束电子之间的光程差为：（Z/cos—Z），如满 足 n =(Z/cos—Z），则相互干涉后会行成一系列 的强度条纹（ Fresnel条纹）。是电子束通过薄膜后 产生的相位差。
球差
• A—物平面 N—高斯平面（通过旁轴电子形成的象点, 与轴线垂直作一平面） M—最小糢糊圆 α 0—孔径角（发射电子相对于中心束的最大夹角，电镜中一般为 10-2—10-3弧度） 非旁轴电子对旁轴电子来说，增加了附加偏转会聚能力，在更靠 近物的地方聚焦。球差不能完全消除，减小α 0可减少球差，因此 需要采用增加光阑的办法。