电子显微技术习题答案

电子显微技术习题

1.为什么电子显微分析方法在材料研究中非常有用？

答：因为电子显微分析能够1）观察材料的表面形貌；2）可以用来研究样品的晶体结构和晶体取向分布；3）可以进行能固体能谱分析。以上三个方面对于研究材料的性能与微观组织和成分的关系有很大的帮助。

2.透射电子显微镜的工作原理是什么？

3. 什么是像差？解释其成因。

电磁透镜因存在缺陷，使得实际分辨率远小于理论分辨率，即存在像差。对电镜分辨本领起决定作用的像差包括几何像差和色差。（1）几何像差包括球差和像散，它是由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的；（2）色差是由于电子波的波长（或能量）发生一定幅度的波动而造成的。

（1）球差电子波经过透镜成像时，离开透镜主轴较远的电子(远轴电子)比主轴附近的电子(近轴电子)被折射程度要大。当物点通过透镜成像时，电子就不会聚到同一焦点上，从而形成了一个散焦斑，由此引起的像差称为球差。

（2）像散像差是由于电磁透镜磁场的旋转对称性被破坏而引起的。电磁透镜磁场不对称，可能是由于磁透镜极靴被污染、光镧被污染，或极靴加工的机械不对称性，或极靴材料各向磁导率差异引起（由制造精度引起）。

（3）色差是由于入射电子波长（或能量）不同造成的。引起电子束能量变化的主要有两个原因：（1）一是电子的加速电压不稳定；（2）二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化

4.TEM图像衬度有哪些，成像原理是什么。

5.推导电子衍射的基本公式。

3.扫描电子显微镜的工作原理是什么？

答案：扫描电镜的成像原理，象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。

图1 扫描电镜工作原理

图1是扫描电镜工作原理示意图。由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，

经过2～3 个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X 射线、俄歇电子等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅与样品表面特征相对应的画面——某种信息图，如二次电子像、背散射电子像等。画面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。

4.电子束和固体样品作用时会产生哪些物理信号？它们各具有什么特征？

答案：电子束和固体样品作用时会产生背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射线等物理信号。

（1）背散射电子的特征：

1)弹性背散射电子远比非弹性背散射电子所占的份额多；

2)能量高，例如弹性背散射，能量达数千至数万eV；

3)背散射电子束来自样品表面几百nm深度范围；

4)其产额随原子序数增大而增多；

5)用作形貌分析、成分分析（原子序数衬度）以及结构分析。

（2）二次电子的特征

1)二次电子能量较低。一般不超过50 eV，大部分几eV；

2)来自表层5—10nm深度范围；

3)对样品表面的状态十分敏感，因此能有效地反映样品表面的形貌；

4)其产额与原子序数间没有明显的依赖关系。因此，不能进行成分分析。

（3）吸收电子的特征：

1）与背散射电子的衬度互补。入射电子束射入一个多元素样品中时，背散射电子较多的部位（Z较大）其吸收电子的数量就减少，反之亦然；

2）吸收电子能产生原子序数衬度，即可用来进行定性的微区成分分析。

（4）透射电子的特征：

1）透射电子信号由微区的厚度，成分和晶体结构决定。

2）可配合电子能量分析器进行微区成分分析。即电子能量损失谱EELS。

（5）俄歇电子的特征：

1）各元素的俄歇电子能量值很低，50～1500eV ；

2）来自样品表面1—2nm范围。其平均自由程很小（＜1 nm），较深区域产生的俄歇电子向表面运动时必然会因碰撞损失能量而失去特征值的特点。因此，只有在距表面1nm左右范围内逸出的俄歇电子才具有特征能量。因此它适合做表面分析。

（6）特征X射线的特征：

特征：

1）用特征值进行成分分析；

2）来自样品较深的区域。

5. 二次电子像与背散射电子像在显示表面形貌衬度时有何相同和不同之处？

答案：二次电子信号与背散射电子信号都可以显示表面形貌衬度，但二者与表面形貌衬度、原子序数衬度的关系差异很大。二次电子信号主要来自样品表层下5~10nm以内的浅层，其信号强度与原子序数没有明显的依赖性，而对微区刻面相对于入射电子束的位向却十分敏感，有利于辨认表面形貌的细节。背散射电子信号虽然也可用来显示试样的表面形貌，但它对表面形貌的变化并不敏感，而对原子序数效应却相当敏感，且背散射电子的能量较高，离开试样表面后近似沿直线轨迹运动，有效收集立体角小，只能检测到直接射向检测器的背散射电子，而检测不到那些背向检测器的刻面和被挡住的区域产生的背散射电子，致使在扫描电子显微镜像上产生阴影，掩盖那些部位的表面细节。