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1、第二章电子显微分析前言第1页，共32页，编辑于2022年，星期三前言v材料的材料的固有性质固有性质、材料的、材料的结构与成分结构与成分、材、材料的料的使用性能使用性能和材料的和材料的合成与加工合成与加工构成材料构成材料研究的四大要素。研究的四大要素。v任何一种材料的宏观性能或行为，都是由其任何一种材料的宏观性能或行为，都是由其微观组织结构所决定的。微观组织结构所决定的。第2页，共32页，编辑于2022年，星期三v现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料性能和成分结构及微观组织关系的理解；性能和成分结构及微观组织关系的理解；v对材料在微观层次上的表征技
2、术，构成了材料对材料在微观层次上的表征技术，构成了材料科学的一个重要组成部分。科学的一个重要组成部分。v用电子光学仪器对物质组织、结构、成份进行用电子光学仪器对物质组织、结构、成份进行研究的技术构成研究的技术构成电子显微术。电子显微术。第3页，共32页，编辑于2022年，星期三v电子显微分析：利用聚焦电子束与试样物质相互作用产生的电子显微分析：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。成。第4页，共32页，编辑于2022年，星期三v特点：特点：v可以在极高的分辨率下直接观察试样；可以在极
3、高的分辨率下直接观察试样；位错水泥断口第5页，共32页，编辑于2022年，星期三v特点：特点：v是一种微区分析方法，成是一种微区分析方法，成像分辨率可达像分辨率可达0.20.3nm0.20.3nm，可，可以直接分辨原子，能够在纳米以直接分辨原子，能够在纳米尺度上对晶体结构及化学成分尺度上对晶体结构及化学成分组成进行分析。组成进行分析。第6页，共32页，编辑于2022年，星期三v特点：特点：v日益向多功能化、综合化方向发展，即可以进行形貌，物日益向多功能化、综合化方向发展，即可以进行形貌，物相、晶体结构和化学组成的综合分析。相、晶体结构和化学组成的综合分析。第7页，共32页，编辑于2022年，星
4、期三v电子显微分析主要仪器：电子显微分析主要仪器：透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEMTEM）是一种具有原子尺度分辨能力，能同时提供物理分析和化学分析所需全是一种具有原子尺度分辨能力，能同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。选区电子衍射技术的应用，使得部功能的仪器。选区电子衍射技术的应用，使得微区形貌微区形貌与与微区晶体结构微区晶体结构分析分析结合起来，再配以能谱或波谱进行结合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份微区成份分析，得到全面的信息。分析，得到全面的信息。第8页，共32页，编辑于2022年，星期三扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEMSEM
5、SEM）SEMSEM解释试样成像及制作试样较容易；以较高的分辨率（解释试样成像及制作试样较容易；以较高的分辨率（3.53.5nmnm）和很大和很大的景深，清晰地显示粗糙样品的表面形貌，辐以多种方式给出的景深，清晰地显示粗糙样品的表面形貌，辐以多种方式给出微区成份微区成份等信息，用等信息，用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理，以及其它方面的应用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂的原因和机理，以及其它方面的应用，为研究物体为研究物体表面结构及成份表面结构及成份的利器。的利器。第9页，共32页，编辑于2022年，星期三电子探针（电子探针（EPMAEPMA）是在扫描电镜的基础上配上是在
6、扫描电镜的基础上配上波谱仪波谱仪或或能谱仪能谱仪的显微分析仪器，它可以对的显微分析仪器，它可以对微米数量级微米数量级侧向和深度范围内的材料微区进行侧向和深度范围内的材料微区进行相当灵敏和精确的化学成份分析相当灵敏和精确的化学成份分析，基本上解决，基本上解决了鉴定元素分布不均匀的困难。了鉴定元素分布不均匀的困难。第10页，共32页，编辑于2022年，星期三第11页，共32页，编辑于2022年，星期三第一节 电子显微分析的发展电子显微镜本身结构方面：电子显微镜本身结构方面：19341934年年RuskaRuska在实验室制作第一部穿透式电子显微镜在实验室制作第一部穿透式电子显微镜transmiss
7、ion electron microscopetransmission electron microscope，TEM)TEM)；1938 1938 年，第一部商售电子显微镜问世。年，第一部商售电子显微镜问世。在在19401940年时，常用的年时，常用的50 50 至至100 100 keV keV 之之TEM TEM 其分辨率其分辨率(resolving power)resolving power)约在约在l0 l0 nmnm左右，而最佳分辨率则在左右，而最佳分辨率则在2 2至至3 3 nmnm之间。之间。第12页，共32页，编辑于2022年，星期三扫描电子显微镜扫描电子显微镜(scanni
8、ngelectronmicroscope，SEM)原理的提出与发展，约与原理的提出与发展，约与TEM同时同时;但直到但直到1964年，第一部商售年，第一部商售SEM才才问世。问世。第13页，共32页，编辑于2022年，星期三TEMTEM主要发展方向为：主要发展方向为：(一一)高电压高电压：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样；减少波长像差：增加电子穿透试样的能力，可观察较厚、较具代表性的试样；减少波长像差，增加增加分辨率等，目前已有数部分辨率等，目前已有数部2 23 3 MeV MeV 的的TEMTEM在使用中。在使用中。(二二)高分辨率高分辨率：已增进到厂家保证最佳解像能力为
9、点与点间：已增进到厂家保证最佳解像能力为点与点间0.18 0.18 nmnm、线与线间线与线间0.140.14nmnm。美国于美国于19831983年成立国家电子显微镜中心，其中年成立国家电子显微镜中心，其中l000 keVl000 keV之原子分辨电子显微镜，其点与之原子分辨电子显微镜，其点与点间之分辨率达点间之分辨率达0.170.17nmnm，可直接观察晶体中的原子。可直接观察晶体中的原子。(三三)分析装置分析装置：如附加电子能量分析仪：如附加电子能量分析仪(electron analyzerelectron analyzer，EA)EA)可鉴定微区域的化学组成。可鉴定微区域的化学组成。第
10、14页，共32页，编辑于2022年，星期三(四四)场发射电子光源场发射电子光源:具高亮度及契合性，电子束可小至具高亮度及契合性，电子束可小至1 1 nmnm。除适用于微除适用于微区成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术区成份分析外，更有潜力发展三度空间全像术(holographyholography、micro-micro-analyzeranalyzer，XPMA)XPMA)等分析仪器，以辨别物质表面的结构及化学成分等。等分析仪器，以辨别物质表面的结构及化学成分等。近年来将近年来将TEMTEM与与SEMSEM结合为一，取二者之长所制成的结合为一，取二者之长所制成的扫描穿透式电子显微扫描穿透式
11、电子显微镜镜(scanning transmission electron microscopescanning transmission electron microscope，STEM)STEM)亦渐普及亦渐普及 。STEM STEM 附加附加各种分析仪器各种分析仪器，如，如XPMAXPMA、EA EA 等，亦称为等，亦称为分析电子显微镜分析电子显微镜 (analytical electron Microscope)analytical electron Microscope)。第15页，共32页，编辑于2022年，星期三第16页，共32页，编辑于2022年，星期三分析型透射电子显微镜分析
12、型透射电子显微镜第17页，共32页，编辑于2022年，星期三分析型透射电子显微镜分析型透射电子显微镜第18页，共32页，编辑于2022年，星期三超高压电镜超高压电镜第19页，共32页，编辑于2022年，星期三绪绪 论论常用光电观测仪器比较常用光电观测仪器比较 近代材料学者利用电磁辐射或粒子与材料作用产生讯号来分析材料之近代材料学者利用电磁辐射或粒子与材料作用产生讯号来分析材料之构造与缺陷。构造与缺陷。常用分析仪器包括光学显微镜、常用分析仪器包括光学显微镜、X X光衍射仪及电子显微镜。这些分析仪光衍射仪及电子显微镜。这些分析仪器各有所长，亦有短缺不足之处。器各有所长，亦有短缺不足之处。第20页，
13、共32页，编辑于2022年，星期三绪绪 论论常用光电观测仪器比较常用光电观测仪器比较表表1各种主要分析仪器之比较表各种主要分析仪器之比较表仪器仪器特性特性光学显微镜光学显微镜X光光衍射仪衍射仪电子显微镜电子显微镜质质波波可见光可见光X光光电子电子波长波长500010.037(100kV)介质介质空气空气空气空气真真空空(torr至至torr)鉴别鉴别率率2000X衍射衍射:直接成像直接成像:m衍射衍射:直接成像：直接成像：(a)点与点间点与点间1.8(b)线与线间线与线间1.4偏偏折折聚焦镜聚焦镜光学镜片光学镜片无无电磁透镜电磁透镜试片试片不限厚度不限厚度反射：不限厚度反射：不限厚度穿透：穿透
14、：mm扫扫瞄式：瞄式：仅仅受受试试样样基座大小影基座大小影响响穿透式：穿透式：1000讯号类讯号类表明区域表明区域统计平均统计平均局部微区域局部微区域可可获资料获资料表面微细结构表面微细结构主要为晶体结构主要为晶体结构,化学化学組成組成晶体结构晶体结构,微细组织微细组织,化学组成化学组成电子分布情况等电子分布情况等第21页，共32页，编辑于2022年，星期三SEMn 第22页，共32页，编辑于2022年，星期三SEM第23页，共32页，编辑于2022年，星期三SEM第24页，共32页，编辑于2022年，星期三SEM第25页，共32页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 电子光学基础电子光学基
15、础电子光学：研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特电子光学：研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。第26页，共32页，编辑于2022年，星期三光学显微镜的分辨率光学显微镜的分辨率 由于光波的波动性，使得由透由于光波的波动性，使得由透镜各部分折射到像平面上的像镜各部分折射到像平面上的像点及其周围区域的光波发生相点及其周围区域的光波发生相互干涉作用，产生衍射效应。互干涉作用，产生衍射效应。一个理想的物点，经过透镜成一个理想的物点，经过透镜成像时，由于衍射效应，在像平像时，由于衍射
16、效应，在像平面上形成的不再是一个像点，面上形成的不再是一个像点，而是一个具有一定尺寸的中央而是一个具有一定尺寸的中央亮斑和周围明暗相间的圆环所亮斑和周围明暗相间的圆环所构成的构成的AiryAiry斑。如图斑。如图5-15-1所所示。示。第27页，共32页，编辑于2022年，星期三透镜分辨率测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余分布在周围的亮环上。由于周围亮环的强度比较低，一般肉眼不易分辨，只能看到中心亮斑。因此通常以Airy斑的第一暗环的半径来衡量其大小。根据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为：（5-1）通常把两个Airy斑中心间距等于Airy
17、斑半径时，物平面上相应的两个物点间距（r0）定义为透镜能分辨的最小间距，即透镜分辨率（也称分辨本领）。由式5-1得：即 （5-2）对于光学透镜，当nsin做到最大时（n1.5，70-75），式（5-2）简化为：第28页，共32页，编辑于2022年，星期三有效放大倍数有效放大倍数上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波上式说明，光学透镜的分辨本领主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是长是光学显微镜分辨率的理论极限。可见光的最短波长是390nm390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是，也就是说光学显微镜的最高分辨率是200nm200nm。
18、一般地人眼的分辨本领是大约一般地人眼的分辨本领是大约0.2mm0.2mm，光学显微镜的最大分辨率，光学显微镜的最大分辨率大约是大约是0.2m0.2m。把。把0.2m0.2m放大到放大到0.2mm0.2mm让人眼能分辨的放大倍让人眼能分辨的放大倍数是数是10001000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的分辨率在分辨率在0.2m0.2m时，其有效放大倍数是时，其有效放大倍数是10001000倍。倍。光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分对提高分辨光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分对提高分辨率没有贡献，仅仅是让
19、人眼观察更舒服而已。所以光学显微镜的放大率没有贡献，仅仅是让人眼观察更舒服而已。所以光学显微镜的放大倍数一般最高在倍数一般最高在1000-15001000-1500之间。之间。第29页，共32页，编辑于2022年，星期三如何提高显微镜的分辨率如何提高显微镜的分辨率根据式（根据式（5-35-3），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明），要想提高显微镜的分辨率，关键是降低照明光源的波长。光源的波长。顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在顺着电磁波谱朝短波长方向寻找，紫外光的波长在13-390nm13-390nm之间，之间，比可见光短多了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫比可见光短多
20、了。但是大多数物质都强烈地吸收紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。外光难以作为照明光源。更短的波长是更短的波长是X X射线。但是，迄今为止还没有找到能使射线。但是，迄今为止还没有找到能使X X射线改射线改变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有变方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有X X射线的射线的透镜存在。因此透镜存在。因此X X射线也不能作为显微镜的照明光源。射线也不能作为显微镜的照明光源。除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而除了电磁波谱外，在物质波中，电子波不仅具有短波长，而且存在使之发生折射聚焦的物质。所以电子波可以作为照明且存在使之发生折射聚焦的物质
21、。所以电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。光源，由此形成电子显微镜。第30页，共32页，编辑于2022年，星期三 电子波长电子波长 根据德布罗意根据德布罗意（de Broglie）的观点，运动的电子除的观点，运动的电子除了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。了具有粒子性外，还具有波动性。这一点上和可见光相似。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即 （5-45-4）式中，式中，h h为普郎克常数为普郎克常数：h=6.62610-34J.s；m为为电子质量；电子质量；v v为电子运动速度，它和加速电压为电子运动速度，它和加速电压U
22、 U之间存在之间存在如下关系：如下关系：即即 （5-55-5）式中式中e e为电子所带电荷，为电子所带电荷，e=1.610-19C。将（将（5-55-5）式和（）式和（5-45-4）式整理得：）式整理得：（5-65-6）第31页，共32页，编辑于2022年，星期三 不同加速电压下的电子波波长不同加速电压下的电子波波长 加速电压U/KV 电子波波长/nm 加速电压U/KV 电子波波长/nm20406080100 0.008590.006010.004870.004180.00371 1201602005001000 0.003340.002850.002510.001420.00087 第32页，共32页，编辑于2022年，星期三