答案1 材料特性表征 第1篇 组织形貌分析

材料特性表征 第一篇 组织形貌分析

作业题

1. 光学显微镜的分辨本领和数值孔径？

光学显微镜的分辨率：样品上相应的两个物点间距离∆r 。定义为透镜能分辨的最小距离，也就是透镜的分辨本领。

提高分辨率的方法：使用低波长光源，

提高对比度。 光学显微镜数值孔径NA= nsin α（n ）和半孔径角（α）的正弦之乘积

2. 什么是电子显微分析？电子显微分析的特点是什么？

电子显微分析是利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的各种物理信号分析试样物质的微区形貌、晶体结构和化学组成。

电子显微分析的特点：(1) 可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌、结构，选择分析区域。分辨率高：0.2~0.3nm; 放大倍数高：20~30 万倍 (2) 是一种微区分析方法，具有高度分辨率，成像分辨率达到0.2~0.3mm,可直接分辨原子，能进行nm 尺度的晶体结构及化学组成分析。(3) 各种电子显微镜分析仪器日益向多功能、综合性方向发展，可以进行形貌、物相、晶体结构和化学组成等的综合分析

3. 电子波长由什么决定？

电子波波长与电子运动速度的关系：mv

h =λ 所以电子波长由电子运动速度决定。

4. 什么是静电透镜和磁透镜？各有什么特点？

静电透镜：能使电子波折射聚焦的具有旋转对称等电位曲面簇的电极装置。 磁透镜：能使电子波聚焦的具有旋转对称非均匀的磁极装置。

5. 电磁透镜的像差有哪几种？

电磁透镜的像差分成两类：第一是因为透镜磁场几何上的缺陷造成的，叫做几何像差，包括球面像差、像散和像畸变。

第二是由于电子波长或者能量非单一性而引起的，与多色光相似，叫做色差。

6. 电磁透镜的场深？

电磁透镜的场深或景深：在保持象清晰的前提下，试样在物平面上下沿镜轴可移动的距离，或者说试样超越物平面所允许的厚度。

7. 电子的弹性散射有什么特点？用于什么分析？

如果在散射过程中入射电子只改变方向，但其总动能基本上无变化，则这种散射称为弹性散射。弹性散射的电子符合布拉格定律。携带有晶体结构、对称性、取向和样品厚度等信息。在电子显微镜中用于分析材料的结构。

8. 简述透射电镜的工作原理。

透射电子显微镜：是以波长极短的电子束作为照明源，用电子透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。

9. 透射电镜光学成像系统的结构分为哪几部分？

ααmin 22tan 2d X X D f =≅=

物镜、中间镜、投影镜

10.透射电镜分析有哪些应用？

用于微区厚度、平均原子序数、晶体结构及位向分析

11.简述扫描电镜的各种类型电子枪的性能和特点。

热阴极电子枪依靠电流加热灯丝，使灯丝发射热电子，并通过阳极和灯丝之间的强电场加速得到高能电子束。包括发卡式钨灯丝热阴极电子枪、六硼化镧热阴极电子枪

钨灯丝电子枪:发射效率较低，直径大

六硼化镧阴极发射率比较高，有效发射截面小（直径约为20 um），亮度和电子束直径等性能都比钨阴极好。

场发射电子枪利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场，使阴极尖端发射电子

在样品表面可以获得3-5nm的电子束斑

12.扫描电镜图像的衬度有哪几种？这几种衬度是如何形成的？

扫描电镜图像的衬度有二次电子形貌衬度、背散射电子形貌衬度和成分衬度。

二次电子形貌衬度的形成：由于二次电子的信息主要来自试样表面层5-10nm的深度范围，所以表面形貌特征对二次电子的发射系数（也称发射率）有很大影响。在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束的作用所产生的二次电子的信号的强度要比在试样表面其他平坦的部分产生的信号强度大，因而形成表面形貌衬度。

背散射电子形貌衬度的形成：同二次电子一样，样品表面的形貌也影响着背散射电子的产率，在α角较大（尖角）处，背散射电子的产率高，在α角较小（平坦）处，背散射电子的产率低，但其分辨率远比二次电子低。

背散射电子成分衬度的形成：如果试样表面存在不均匀的元素分布，则平均原子序数较大的区域将产生强的被散射电子信号，因而在被散射电子像上显示出较亮的衬度；反之平均原子序数较小的区域在被散射电子像上是暗区。

13.扫描电镜试样有什么要求及如何制备？

扫描电镜测试对样品表面的性质有如下要求：

（1）导电性好，以防止表面积累电荷而影响成像

（2）具有抗热辐照损伤的能力，在高能电子轰击下不分解、变形

（3）具有高的二次电子和背散射电子系数，以保证图像良好的信噪比

对于不能满足上述要求的样品，如陶瓷、玻璃、塑料等绝缘材料，导电性差的半导体材料，热稳定性不好的有机材料和二次电子、背散射电子系数较低的材料，都需要进行镀膜处理。

最常用的镀膜材料是金，在扫描电镜制样技术中最多的是真空蒸发和离子溅射镀膜法。

SEM样品制备大致步骤：

1. 从大的样品上确定取样部位；

2. 根据需要，确定采用切割还是自由断裂得到表界面；

3. 清洗；

4. 包埋打磨、刻蚀、喷金处理，

14.简述扫描电镜的成像原理。

扫描电子显微镜的成像原理：

用聚焦电子束在样品表面扫描时激发产生的某些物理信号来调制成像，不用透镜放大成像，类似电视或摄像的方式成像。概括起来就是光栅扫描，逐点成像。

15. 二次电子是怎样产生的？有什么特点？

二次电子：发生非弹性散射时，被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子。特点：对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。分辨率高，可达5-10 nm 。应用：扫描电子显微镜成像主要手段。

16. 结合图示阐述利用二次电子成像时，表面形貌对二次电子产率的影响。 实验证明，二次电子的发射系数与入射电子束和试样表面法线n 之间夹角α有如下关系：δ=δ0/cos α式中δ0是物质的二次电子发射系数，是一个与具体物质

有关的常数。

可见二次电子的发射系数随α角的增加而增大。二次电子产额δ与二次电子束与试样表面法向夹角有关，δ∝1/cos θ。因为随着θ角增大，入射电子束作用体积更靠近表面层，作用体积内产生的大量自由电子离开表层的机会增多；其次随θ角的增加，总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多。在试样表面凸凹不平的部位，入射电子束的作用所产生的二次电子的信号的强度要比在试样表面其他平坦的部分产生的信号强度大，因而形成表面形貌衬度。

17. 阐述扫描电镜景深概念，说明景深与临界分辨本领和电子束入射半角αc 的

关系。

景深是指焦点前后的一个距离范围，该范围内所有物点所成的图像符合分辨率要求，可以成清晰的像。即景深是可以被看清的距离范围。

ac ，扫描电镜的景深F 因为ac 很小，所以上式可写作

18. 简述扫描隧道显微镜的基本工作原理。

扫描隧道显微镜的工作原理是基于量子力学中的隧道效应。当粒子为电子、势垒宽度为纳米级别时，可以发生隧道效应。STM 使用锐化的导电针尖，在针尖与样品之间施加偏置电压，样品与针尖中的电子可以“隧穿”过间隙到达对方。由此产生的隧穿电流随着针尖-样品间隙变化而变化，故被用作得到STM 图像的信号。

19. 简述原子力显微技术的基本工作原理。

原子力显微镜使用一个一端固定，另一端装有针尖这样一个对微弱力敏感的悬臂。针尖长为若干微米，直径通常小于100nm ，悬臂长100-200微米。当针尖或样品扫描时，由于针尖或样品间的相互作用（可能是吸引力，可能是排斥力）将使悬臂产生微小的形变。反馈系统则根据检测器检测的结果不断调整针尖（或样品）Z 轴方向的位置，以保证在整个扫描过程中悬臂微小形变不变，即针尖与样品间的作用力恒定。测量高度Z 随（x ，y ）位置变化，就可以得到样品表面的形貌图像。