材料分析检测技术

1、第二篇 电 子 显 微 分 析 电子显微分析是基于电子束（波）与材料的相互作用而建立的各种材料现代分析方法。电子显微分析方法以材料微观形貌、结构与成分分析为基本目的。从分析原理（技术基础）来看，各种电子显微分析方法中的一些方法也可归于光谱分析（如电子探针）、能谱分析（如电子激发俄歇能谱）和衍射分析（如电子衍射）等方法范畴。电子显微分析主要介绍透射电子显微分析、扫描电子显微分析及电子探针分析这些基本的、得到广泛应用的分析方法。第七章 透射电子显微分析 电子光学基础1.电子波有何特征？与可见光有何异同？答：电子波具有粒子性和波动性波粒二象性，电子显微镜中常用的加速电压为100200kv，电子波长为

2、0.003700.00251nm，大约是可见光（390760nm）的十万分之一。3.电磁透镜的像差是怎样产生的，如何来消除和减少像差？答：<1>像差分为两类：几何像差和色差。几何像差是因为透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的。几何主要指球差和像散。色差是由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的。<2>第一，采取稳定加速电压的方法可有效地减小色差。第二，单一能量或波长的电子束照射样品物质时，将与样品原子的核外电子发生非弹性散射。一般来说，样品越厚，电子能量损失或波长变化幅度越大，色差散焦斑越大，透镜像分辩率越差。所以应尽可能减小样品厚度，以利于提高透镜像的分辩率。 （

3、球差：球差即球面像差，是由电磁透镜磁场中，近轴区域对电子束的折射能力与远轴区域不同而产生的。球差除了影响分辨本领外，还会引起图像畸变。像散：是由透镜磁场非旋转对称引起的一种像差。像散散焦斑与焦距差fA成正比，透镜磁场非旋转对称性越明显，焦距差越大，散焦斑越大，透镜的分辨率越差。像散可以用机械、静电或电磁式消像散器适当地加以补偿矫正。）4.说明影响光学显微镜和电磁透镜分辨率的关键因素是什么？如何提高电磁透镜的分辨率？答：1.影响光学显微镜分辨本领主要取决于照明波长和光差介质，因此式r0= 0.61/nsin故若要提高光学显微镜的分辨本领，关键是要有短波长的照明源。2电磁透镜的分辨本领取决于透镜的

4、衍射效应和像差所产生埃利斑和散焦斑尺寸的大小（透射电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置是电磁透镜。） （限制电磁透镜分辨本领的主要因素是球差rs 。因为电磁透镜总是会聚的透镜，至今还没找到一种矫正球差行之有效的方法。而从球差最小散焦斑半径 r 公式 rs = 1/4Cs³来看，球差最小散焦斑半径与球差系数Cs成正比，与孔径半角³成正比。）<1>当照明电子束波长一定时，透镜孔径半角越大，衍射效应埃利斑半径越小，透镜分辨本领越高。<2>减小透镜孔径半角，可以显著地减小散焦斑半径，因此，也就显著地提高透镜的分辨本领。衍射效应与球差对分辨本领的影响是相

5、互矛盾的，因此两者必须兼顾。关键是确定电磁透镜的最佳孔径半角0<3>尽可能减小样品厚度，减少像差也有利于提高透镜像的分辩率。第 9章电子衍射1. 分析电子衍射与x射线衍射有何异同?答：电子衍射原理与X射线衍射相似，是以满足或基本满足布拉格方程为产生衍射的必要条件。但因其电子波有其本身的特殊性，与X射线衍射相比具有下列特点：1) 电子波的波长比X射线短得多 2) 电子波长短，用Ewald图解时，反射球半径很大，在衍射角很小时的范围内，反射球的球面可近似为平面。从而可认为电子衍射产生斑点大致分布在一个二维倒易截面内，结果晶体产生的衍射花样能比较直观地反映晶体内各晶面的位向。3) 电子衍

6、射用薄晶体样品，其倒易点沿样品厚度方向扩展为倒易杆，增加了倒易点和Ewald球相交截面机会，结果使略偏离布拉格条件的电子束也能发生衍射。4) 电子衍射束的强度较大，拍摄衍射花样时间短。因为原子对电子的散射能力远大于对X射线的散射能力。2. 倒易点阵与正点阵之间关系如何?倒易点阵与晶体的电子衍射斑点之间有何对应关系?答：长期的实验发现，晶体点阵结构与其电子衍射斑点之间可以通过另外一个假想的点阵很好地联系起来，这就是倒易点阵。通过倒易点阵可以把晶体的电子衍射斑点直接解释成晶体相应晶面的衍射结果。倒易点阵是一种晶体学表示方法，是厄互尔德于1912年创立的，它是在量纲为L-1的倒空间内的另外一个点阵，

7、与正空间内的某特定的点阵相对应。 3. 用爱瓦尔德图解法证明布拉格定律。答：4. 画出fcc和bcc晶体的倒易点阵，并标出基本矢量a*, b*, c*。答：5.何为零层倒易截面和晶带定理?说明同一晶带中各晶面及其倒易矢量与晶带轴之间的关系。9. 说明多晶、单晶及非晶衍射花样的特征及形成原理。答：10. 请导出电子衍射的基本公式，解释其物理意义，并阐述倒易点阵与电子衍射图的关系及其原因。比较与X射线衍射的异同点。答：11. 单晶电子衍射花样的标定有哪几种方法？第8章透射电子显微镜1.透射电镜主要由哪几大系统构成？各系统之间关系如何？答：四大系统：电子光学系统（照明系统、成像系统、观察记录系统）真

8、空系统，供电控制系统，附加仪器系统（EDS、WDS、EELS）2.照明系统的作用是什么？它应满足什么要求？作用：提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度高、束斑小、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在20-30范围内倾斜。3.成像系统的主要构成及其特点是什么？答：由物镜、物镜光栏、选区光栏、中间镜（1、2）和投影镜组成1) 物镜：用来获得第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。电镜的分辨率主要取决于物镜，必须尽可能降低像差。物镜通常为强励磁、短焦透镜（f = 1-3mm）,放大倍数100300倍，目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm。 2) 物镜光栏：装在物镜背焦面，

9、直径20120um，无磁金属制成（Pt、Mo等)作用是提高像衬度减小孔径角，从而减小像差进行暗场成像3) 选区光栏：装在物镜像平面上，直径20-400um，对样品进行微区衍射分析4) 中间镜是一个弱励磁、长焦距、变倍率透镜，放大倍数可调节020倍，作用是控制电镜总放大倍数，成像/衍射模式选择5) 投影镜：短焦、强磁透镜，进一步放大中间镜的像。投影镜内孔径较小，使电子束进入投影镜孔径角很小。目前，一般电镜装有附加投影镜，用以自动校正磁转角。4. 分别说明成像操作与衍射操作时各级透镜(像平面与物平面)之间的相对位置关系，并画出光路图。u 衍射操作模式v 成像操作模式 v5.透射电镜中有哪些主要光阑

10、?在什么位置?其作用如何?答：透射电镜有三种主要光阑：聚光镜光阑、物镜光阑和选区光阑。聚光镜光阑作用：限制照明孔径角。在双聚光镜系统中，该光阑装在第二聚光镜下方。光阑孔直径：20-400um，一般分析用时光阑孔直径用200-300um，作微束分析时，采用小孔径光阑。物镜光阑：也称衬度光阑，安装于物镜的后焦面。光阑孔直径20-120um。作用：提高像衬度减小孔径角，从而减小像差进行暗场成像选区光阑：为了分析样品上的微区，应在样品上放置光阑来限定微区，对该微区进行衍射分析叫做选取衍射。该光阑是选区光阑，也称限场光阑或视场光阑。6.样品台的结构与功能如何？它应满足那些要求？答：第 十 章晶体薄膜衍射

11、衬度成像分析1.什么是衍射衬度?它与质厚衬度有什么区别?答：由样品各处衍射束强度的差异形成的衬度称为衍射衬度。<1>非晶（复型）样品电子显微图像衬度是由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的，即质厚衬度。它是建立在非晶样品中原子对电子的散射和透射电子显微镜小孔径成像的基础上的。<2>对于晶体薄膜样品而言，厚度大致均匀，原子序数也无差别，因此，不可能利用质厚衬度来获得图象反差，这样，晶体薄膜样品成像是利用衍射衬度成像，简称“衍射衬度”2.画图说明衍衬成像原理，并说明什么是明场像、暗明场像和中心暗场像。衍射成像原理：设薄膜有A、B两晶粒，B内的某(hkl)晶面严格

12、满足Bragg条件，或B晶粒内满足“双光束条件”，则通过(hkl)衍射使入射强度I0分解为Ihkl和IO-Ihkl两部分；A晶粒内所有晶面与Bragg角相差较大，不能产生衍射。u 明场成像:只让中心透射束穿过物镜光栏形成的衍衬像称为明场镜。 v 暗场成像:只让某一衍射束通过物镜光栏形成的衍衬像称为暗场像。 w 中心暗场像:入射电子束相对衍射晶面倾斜角，此时衍射斑将移到透镜的中心位置，该衍射束通过物镜光栏形成的衍衬像称为中心暗场成像。 4.什么是消光距离?影响晶体消光距离的主要物性参数和外界条件是什么?答：在简单双光束条件下，入射波只被激发成为透射波和衍射波的情况下，由于透射波和衍射波强烈的动力

13、学相互作用结果，使I0和Ig在晶体深度方向上发生周期性的振荡，此振荡的深度周期叫消光距离，记作xg。（“消光”的意义指的是，尽管满足衍射条件，但由于动力学相互作用而在晶体一定深度处衍射波和透射波的实际强度为0）物理参数：晶胞体积，晶胞散射振幅（结构因子），入射角，电子波波长第 十一 章扫描电子显微镜1. 电子束入射固体样品表面会激发哪些信号?它们有哪些特点和用途?答：样品在电子束的轰击下会产生：背散射电子，二次电子，吸收电子，透射电子，特征X射线，俄歇电子。1、背散射电子是指被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子。用Ib示背散射电子流。 特点：1) 弹性背散射电子远比非弹性背散

14、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（通道花样）2、二次电子在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。用IS表示二次电子流。 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510nm深度范围；3) 对样品表面化状态十分敏感，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：入射电子进入样品后，经多次非弹

15、性散射，能量损失殆尽，最后被样品吸收。用IA示吸收电子流。若样品足够厚，透射电子流IT=0，则有IA=I0 -（I b+IS） (I0入射电子流)1) 吸收电子信号调制成图像，其衬度恰好和S、E或B、E信号调制图像衬度相反 2) 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，因Se产额与原子序数无关，则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；3) 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：如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。用IT示透射电子流。 1) 透射电子信号由微区的厚度，成分和晶体结构决定 2) 透

16、射电子包括：弹性散射电子和非弹性散射电子（各种不同能量损失，特征能量损失E,与区域成分有关）可利用特征能量损失E电子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、特征X射线：指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。 特征X射线的波长和原子序数间的关系服从莫塞莱定律。（Z原子序数，K、常数）特点：1) 用特征值进行成分分析2) 来自样品较深的区域 6、俄歇电子：如果原子内层电子在能级跃过程中释放出来的能量E并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层的另一个电子发射出去（或空位层的外层电子发射出去），这一个被电离

17、的电子称为俄歇电子。每种原子都有自己的特定壳层能量，所以它们的俄歇电子能量也各有特征值。1) 各元素的俄歇电子能量值很低，501500ev ； 2) 来自样品表面12nm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。 2. 扫描电镜的分辨率受哪些因素影响?用不同的信号成像时，其分辨率有何不同?所谓扫描电镜的分辨率是指用何种信号成像时的分辨率?答：影响分辨率的三大因素：1) 电子束束斑大小2) 检测信号类型3) 检测部位原子序数SEM的

18、分辨率高低与检测信号种类有关。因为SE或AE信号的分辨率最高，因此，SEM的分辨率是指二次电子像的分辨率。 3. 扫描电镜的成像原理与透射电镜有何不同?答：SEM是由电子光学系统，信号收集处理、图像显示和纪录系统，真空系统三部组成。 透射电镜成像是平行光照射到一个光栅时，通过聚光镜中间镜投影镜，放大倍数是三镜的乘积。扫描电镜成像是通过聚光镜会聚电子枪发射出来的电子束，扫描线圈对试样表面进行逐点扫描，并与试样相互作用激发出各种信号（如二次电子），这些信号通过后续的同步检测、放大后，最终在设于镜体外的显像管（CRT）荧光屏上形成一幅反映试样表面形貌、组成及其他信息的扫描图像。区别：TEM的放大倍数

19、M=物镜*中间镜*投影镜；SEM是通过扫描电圈，逐点扫描逐点成像，荧光屏与物镜上是对应的，时间与空间是一致的。一次性透射，同时成像M=Ac/As（Ac为在荧光屏上的幅度，As为在扫描镜上的幅度）第 十二 章电子探针显微分析1电子探针仪与扫描电镜有何异同？电子探针仪如何与扫描电镜和透射电镜配合进行组织结构与微区化学成分的同位分析?2.波谱仪和能谱仪各有什么优缺点?答：能谱仪与波谱仪相比具有以下优点（与波谱仪相比） 1) 能谱仪探测X射线的效率高。其灵敏度比波谱仪高约一个数量级。2) 在同一时间对分析点内所有元素X射线光子的能量进行测定和计数，在几分钟内可得到定性分析结果，而波谱仪只能逐个测量每种元素特征波长。 3) 结构简单，稳