扫描电镜-刘东

1、刘东刘东扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)Scanning Electron Microscope 电子束与固体样品作用时产生的信号电子束与固体样品作用时产生的信号 扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜的构造和工作原理 扫描电子显微镜的主要性能扫描电子显微镜的主要性能 表面形貌衬度原理及其应用表面形貌衬度原理及其应用 原子序数衬度原理及其应用原子序数衬度原理及其应用 电子探针电子探针X射线显微分析射线显微分析扫描电子显微镜扫描电子显微镜(SEM)Scanning Electron Microscope1理解扫描电子显微镜的工作原理、结构与组成，理解扫描电子显微镜的工作原理、结构与组

2、成，掌握表征仪器性能的主要技术指标。掌握表征仪器性能的主要技术指标。2熟悉扫描电子显微镜的样品制备方法。熟悉扫描电子显微镜的样品制备方法。3掌握二次电子像、背散射电子像的像衬原理、掌握二次电子像、背散射电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用；了解其它电子像的像衬特点、分析方法及应用；了解其它电子像的像衬原理、特点、分析方法及应用。原理、特点、分析方法及应用。4了解波谱仪和能谱仪的工作原理，掌握它们的了解波谱仪和能谱仪的工作原理，掌握它们的应用特点。应用特点。5电子探针的点分析、线分析和面分析的应用电子探针的点分析、线分析和面分析的应用本章要求本章要求高分子物理近代研究方法，张俐娜等编，武汉大学

3、高分子物理近代研究方法，张俐娜等编，武汉大学出版社，出版社，2003。扫描电子显微镜分析技术，杜学礼等编，化学工业扫描电子显微镜分析技术，杜学礼等编，化学工业出版社，出版社，1986。电子显微镜的原理和使用，张宜等编，北京大学出电子显微镜的原理和使用，张宜等编，北京大学出版社，版社，1983。“Electron microscopy of thin crystals”, M. A. Hirsch，Krieger Publishing Co. Huntington, 1965.“Electron microscopy and analysis”, Peter J. Goodhew, John H

4、umphreys, Richard Beanland. Taylor & Francis, 2001. 参考书参考书SEM的特点和工作原理的特点和工作原理 1965年第一台商用年第一台商用SEM问世问世;SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点; 景深大景深大; 放大倍数连续调节范围大放大倍数连续调节范围大; 分辨本领比较高。分辨本领比较高。为什么要发明扫描电镜？为什么要发明扫描电镜？透射电镜的成像透射电镜的成像电子束电子束穿过穿过样品后获得样品样品后获得样品衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级）衬度的信号（电子束强度），利用电磁透镜（三级

5、）放大成像。放大成像。扫描电镜成像扫描电镜成像利用利用细聚焦电子束细聚焦电子束在样品表在样品表面扫描时激发出来的各种面扫描时激发出来的各种物理信号物理信号来调制成像的。来调制成像的。碳纤维碳纤维水泥水泥水泥熟料断面水泥熟料断面普通水泥浆体普通水泥浆体聚合物改性水泥浆体聚合物改性水泥浆体高分子材料制成的纳米筛高分子材料制成的纳米筛荷叶的自洁效应荷叶的自洁效应日本的氧化铝粗粉日本的氧化铝粗粉红血球红血球 头发末梢的分叉头发末梢的分叉牙斑牙斑花粉粒花粉粒用用载能粒子载能粒子作为入射束轰击样品，在与样品相互作作为入射束轰击样品，在与样品相互作用后便带有样品的结构信息，分为吸收和发射光谱。用后便带有样品

6、的结构信息，分为吸收和发射光谱。所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想所用波长应该与要分析的结构细节相应，例如要想分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的分析原子排列，必须用波长接近或小于原子间距的入射束。入射束。电子、光子和中子是最常见的束源。电子、光子和中子是最常见的束源。入射束入射束出射束出射束 物质物质微观结构分析基本原理微观结构分析基本原理高能电子束与样品作用产生各种信息：高能电子束与样品作用产生各种信息：二次电子、背散射电子、二次电子、背散射电子、吸收电子、特征吸收电子、特征X射线、射线、俄歇电子、透射电子等俄歇电子、透射电子等。1 电子束与固体样品作用时产生的信电子束与

7、固体样品作用时产生的信号号 一一. 背散射电子背散射电子产生产生：背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分：背散射电子是被固体样品中原子反弹回来的一部分 入射电子。入射电子。 包括：包括：弹性背散射电子弹性背散射电子被样品中被样品中原子核原子核反弹回来的入反弹回来的入 射电子，能量基本没有损失，能量很高。射电子，能量基本没有损失，能量很高。 非弹性背散射电子非弹性背散射电子被样品中被样品中核外电子核外电子撞击后撞击后 产生非弹性散射的入射电子，方向和能量均发生改产生非弹性散射的入射电子，方向和能量均发生改 变，经多次散射后仍能反弹出样品表面的入射电变，经多次散射后仍能反弹出样品表面的入射电

8、 子。子。u弹性背散射电子的能量弹性背散射电子的能量为数千电子伏到数万电子伏为数千电子伏到数万电子伏u非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，非弹性背散射电子的能量分布范围很宽，从数十电从数十电子伏到数千电子伏。子伏到数千电子伏。特点特点：背散射电子来自样品表层：背散射电子来自样品表层100nm到到1m的的深度范围，其产额能随深度范围，其产额能随样品原子序数样品原子序数的增大而增多。的增大而增多。作用作用：不仅能做形貌分析，还可定性作成分分析。不仅能做形貌分析，还可定性作成分分析。 二二. 二次电子二次电子产生产生：入射电子束轰击出来并离开样品表面的：入射电子束轰击出来并离开样品表面的 样品中的核

9、外电子样品中的核外电子。2. 特点特点： 能量较低（能量较低（50eV）；）； 一般在一般在表层表层510nm深度范围内深度范围内 发射出来，对样品表面形貌非常敏感。发射出来，对样品表面形貌非常敏感。3. 作用作用：样品表面形貌分析。：样品表面形貌分析。三三. 吸收电子吸收电子1. 产生产生：入射电子入射电子多次非弹性散射后能量消失，多次非弹性散射后能量消失， 最后被样品吸收。最后被样品吸收。 入射电子被样品吸收后也会产生电流强度。入射电子被样品吸收后也会产生电流强度。入射电子的电流强度入射电子的电流强度=（无透射电子时无透射电子时）逸出表面的背散射电子的电流强度逸出表面的背散射电子的电流强度

10、+二次电子电流强度二次电子电流强度+吸收电子的电流强度吸收电子的电流强度特点：样品中原子序数较大的元素产生的背散射特点：样品中原子序数较大的元素产生的背散射 电子的数目较多，相反，吸收电子的数电子的数目较多，相反，吸收电子的数量量 就较少；反之亦然。就较少；反之亦然。因此，吸收电子也因此，吸收电子也可可 反映原子序数衬度，可进行定性微区成反映原子序数衬度，可进行定性微区成分分 分析。分析。3. 作用：定性微区成分分析。作用：定性微区成分分析。 四四. 透射电子透射电子产生：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射产生：如果被分析的样品很薄，则有一部分入射 电子穿过薄样品而成为透射电子。此时，电子穿

11、过薄样品而成为透射电子。此时， 入射电子强度（入射电子强度（i）= 背散射电子背散射电子i +二次电子强度二次电子强度i +吸收电子吸收电子i +透射电子透射电子i 特点特点： 只有样品的厚度小于入射电子的有效只有样品的厚度小于入射电子的有效穿入深穿入深 度时，才会产生。度时，才会产生。 随样品厚度增加（质量厚度随样品厚度增加（质量厚度t），透），透射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品射电子数目减小，吸收电子数量增加，当样品厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。厚度超过有效穿透深度后，无透射电子。3. 作用作用：配合电子能量分析器来进行微区成分分配合电子能量分析器来进行微区成分分析。析。 五

12、五. 特征特征X射线射线产生产生：当入射电子的能量足够大，使样品原子的内：当入射电子的能量足够大，使样品原子的内 层电子被激发或电离，此时外层电子向层电子被激发或电离，此时外层电子向内层内层 跃迁以填补内层电子的空位，跃迁以填补内层电子的空位，从而辐射从而辐射出具出具 有原子序数特征的特征有原子序数特征的特征X射线射线。2. 特点特点：反映了样品中原子序数特征。：反映了样品中原子序数特征。3. 应用应用：微区成分分析（元素）。：微区成分分析（元素）。 六六. 俄歇电子俄歇电子产生产生：入射电子激发样品的特征：入射电子激发样品的特征X射线过程中，外射线过程中，外层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不

13、是以层电子向内层跃迁时辐射出来的能量不是以X射线射线的形式发射出去，而被外层的的形式发射出去，而被外层的另一个电子吸收而摆另一个电子吸收而摆脱原子核的束缚而逃离出来脱原子核的束缚而逃离出来，这个被电离的电子称，这个被电离的电子称为为俄歇电子俄歇电子。特征特征： 俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序俄歇电子能量很低，并且具有反映原子序数的特征能量；数的特征能量； 只有距离表面只有距离表面1nm左右范围内逸出的俄歇左右范围内逸出的俄歇电子才具备特征能量。电子才具备特征能量。作用作用：表面层成分分析。表面层成分分析。u除此之外，在固体中电子能量损失的除此之外，在固体中电子能量损失的40%80%最最终

14、转化为热量，还有一些其他信号产生，例如阴终转化为热量，还有一些其他信号产生，例如阴极荧光、电子束感生效应和电动势等信号。极荧光、电子束感生效应和电动势等信号。扫描电镜（扫描电镜（SEM）构成构成电子光学系统电子光学系统信号收集处理、图像信号收集处理、图像显示和记录系统显示和记录系统真空系统真空系统电源系统电源系统2 扫描电子显微镜构造和工作原理扫描电子显微镜构造和工作原理 一一. 电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）1. 电子枪电子枪 功能：发射电子并加速，功能：发射电子并加速，加速电压低于加速电压低于TEM。2. 电磁透镜电磁透镜 功能：功能：只作为聚光镜，而不能放大成像。只作为聚光镜，

15、而不能放大成像。 将电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径为将电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径为50m的束斑缩小成只有的束斑缩小成只有数个纳米数个纳米的细小斑点。的细小斑点。 构成：构成：由两级聚光镜构成，缩小电子束光斑。由两级聚光镜构成，缩小电子束光斑。 照射到样品上的照射到样品上的电子束直径电子束直径决定了其分辨率。决定了其分辨率。3. 扫描线圈扫描线圈v作用作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。v电子束在样品上的扫电子束在样品上的扫描动作和显像管上的描动作和显像管上的扫描动作严格同步扫描动作严格同步，由同一扫描发生器控由同一扫描发生器

16、控制。制。 v扫描的两种方式扫描的两种方式v光栅扫描（相貌分析）光栅扫描（相貌分析） v角光栅扫描（电子通角光栅扫描（电子通道花样分析）道花样分析）4. 样品室样品室作用：作用：放置样品，安置信号探测器。放置样品，安置信号探测器。特点：特点：能容纳较大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜能容纳较大的试样，并在三维空间进行移动、倾斜和旋转和旋转；带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验，以便进行断裂过程中的动态和进行机械性能试验，以便进行断裂过程中的动态原位观察。原位观察。 二二. 信号的收集和图像显示系统信号的收集和图像显示系统信号电

17、子信号电子进入闪烁体后转变为进入闪烁体后转变为可见光信号可见光信号光光电倍增器放大电倍增器放大电流信号电流信号经视频放大器放大经视频放大器放大调制信号调制信号显像管成像显像管成像样品形貌像的形成：样品形貌像的形成：由于镜筒中的电子束和显像管中由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而电子束是同步扫描的，而荧光屏上的每一点的亮度是荧光屏上的每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样因此样品上各点的状态各不相同，所以接受的信号也不相同，品上各点的状态各不相同，所以接受的信号也不相同，故可在荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图故可在

18、荧光屏上看到反映试样各点状态的扫描电子图像。像。 三三. 真空系统真空系统 镜筒内要保持一定的真空度，镜筒内要保持一定的真空度，目的是防止样品污目的是防止样品污染、极间放电，保证灯丝的工作寿命等等问题染、极间放电，保证灯丝的工作寿命等等问题。一般。一般情况下要求保持情况下要求保持10-410-5Torr的真空度。的真空度。四、电源系统四、电源系统作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。作用：为扫描电子显做镜各部分提供所需的电源。由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成。由稳压、稳流及相应的安全保护电路组成。分辨率分辨率 电子束和固体物质作用时激发的信号电子束和固体物质作用时激发的信号有有二次电

19、子、背散射电子、吸收电子、特二次电子、背散射电子、吸收电子、特征征X射线、俄歇电子射线、俄歇电子，这些信号均可调制成这些信号均可调制成形貌像，各种信号成像时分辨率各不相同。形貌像，各种信号成像时分辨率各不相同。3 扫描电子显微镜的主要性能扫描电子显微镜的主要性能各种信号的成像分辨率（单位：各种信号的成像分辨率（单位：nm）信号信号二次电子二次电子背散射电子背散射电子分辨率分辨率51050200吸收电子吸收电子特征特征X射线射线俄歇电子俄歇电子100100010010005101. 为什么各种信号分辨率不同？为什么各种信号分辨率不同？ 因为各种信号成像的分辨率与入射电子束因为各种信号成像的分辨率

20、与入射电子束激发该信号时，在样品中的作用（活动）体积有关，激发该信号时，在样品中的作用（活动）体积有关，作用体积大小相当于一个成像检测单元（即像点）。作用体积大小相当于一个成像检测单元（即像点）。 电子束进入样品后会造成一个滴状作用体积，由于俄歇电子束进入样品后会造成一个滴状作用体积，由于俄歇电子和二次电子是在样品浅表层内逸出，故作用体积小，分辨电子和二次电子是在样品浅表层内逸出，故作用体积小，分辨率高。率高。 背散射电子能量较高，可从较深的部位弹射出表面，故作背散射电子能量较高，可从较深的部位弹射出表面，故作用体积较大，分辨率降低。用体积较大，分辨率降低。 特征特征X射线是在更深的部位激发出

21、来的，其作用体积更大，射线是在更深的部位激发出来的，其作用体积更大，所以分辨率比背散射电子更低。所以分辨率比背散射电子更低。2. 影响影响SEM分辨率的因素分辨率的因素u电子束束斑大小；电子束束斑大小；u检测信号的类型；检测信号的类型；u检测部位的原子序数。检测部位的原子序数。3. SEM分辨率的测定：分辨率的测定： 和和TEM类似，类似，将图像上恰好能分辨开的两将图像上恰好能分辨开的两物点距离除以放大倍数。物点距离除以放大倍数。 例如：用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像例如：用真空蒸镀金膜样品表面金颗粒的像间距除以放大倍数，即为此放大倍数下的分辨间距除以放大倍数，即为此放大倍数下的分辨率。率。

22、二二. 放大倍数放大倍数 2020万倍万倍SEM的放大倍数为：的放大倍数为：显像管中电子束在荧光屏上最显像管中电子束在荧光屏上最大扫描幅度和镜筒中电子束在试样上最大扫描幅度大扫描幅度和镜筒中电子束在试样上最大扫描幅度的比值：的比值： Ac荧光屏上扫描幅度荧光屏上扫描幅度 As电子束在样品扫过电子束在样品扫过 的幅度的幅度2. 如何改变放大倍数如何改变放大倍数由于观察图像的荧光屏宽度由于观察图像的荧光屏宽度是固定的，只要减小电子束在样品上扫描长度（扫是固定的，只要减小电子束在样品上扫描长度（扫描面积为矩形），即可得到高放大倍数。描面积为矩形），即可得到高放大倍数。csAMA介于光学显微镜和透射电

23、镜之间介于光学显微镜和透射电镜之间u扫描电镜的场深是指电子束在试扫描电镜的场深是指电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围。当一束微细的电子束深度范围。当一束微细的电子束照射在表面粗糙的试样上时，由照射在表面粗糙的试样上时，由于电子束有一定发散度，发散半于电子束有一定发散度，发散半角为角为，除了焦平面处，电子束，除了焦平面处，电子束将展宽，设可获得清晰图像的束将展宽，设可获得清晰图像的束斑直径为斑直径为d，由图中几何关系可，由图中几何关系可得得：三三.场深场深MDmmdMdtgdD2 . 0 2 . 0d 则，区分的最小距离时，即能的大小相当于荧光屏上若四四.

24、 样品制备样品制备1对试样的要求对试样的要求u 试样可以是块状或粉末颗粒试样可以是块状或粉末颗粒，在真空中能保持稳定，含有水，在真空中能保持稳定，含有水分的试样应先烘干除去水分。表面受到污染的试样，要在不破分的试样应先烘干除去水分。表面受到污染的试样，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。u 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，以免破坏断口，以免破坏断口或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵或表面的结构状态。有些试样的表面、断口需要进行适当的侵蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵

25、蚀后应将表面或断口清洗蚀，才能暴露某些结构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘干。干净，然后烘干。 u对磁性试样要预先去磁对磁性试样要预先去磁，以免观察时电子束受到磁场的影响。，以免观察时电子束受到磁场的影响。u 试样大小要适合仪器。试样大小要适合仪器。2块状试样块状试样 对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，对于块状导电材料，除了大小要适合仪器样品座尺寸外，基本上不需要进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，基本上不需要进行什么制备，用导电胶把试样粘结在样品座上，即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较差的即可放在扫描电镜中观察。对于块状的非导电或导电性较

26、差的材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。材料，要先进行镀膜处理，在材料表面形成一层导电膜。以避以避免电荷积累，影响图象质量免电荷积累，影响图象质量，并可防止试样的热损伤。，并可防止试样的热损伤。3、粉末试样的制备、粉末试样的制备 先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末样先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜，撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末，再镀上一层导电膜，即可上电镜观察。即可上电镜观察。4、镀膜、镀膜镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，另一种是离子溅射镀膜镀膜的方法有两种，一是真空镀膜，另一种是离子溅

27、射镀膜。通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一离子溅射镀膜的原理是：在低气压系统中，气体分子在相隔一定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，定距离的阳极和阴极之间的强电场作用下电离成正离子和电子，正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极间形成辉光放电，在正离子飞向阴极，电子飞向阳极，二电极间形成辉光放电，在辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表辉光放电过程中，具有一定动量的正离子撞击阴极，使阴极表面的原子被逐出，称为溅射面的原子被逐出，称为溅射

28、，如果阴极表面为用来镀膜的材料如果阴极表面为用来镀膜的材料（靶材），需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上，则被正（靶材），需要镀膜的样品放在作为阳极的样品台上，则被正离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在试样上，形成一定厚度离子轰击而溅射出来的靶材原子沉积在试样上，形成一定厚度的镀膜层。的镀膜层。SEM原理与原理与TEM的主要区别的主要区别 1） 在在SEM中电子束并不像中电子束并不像TEM中一样是静态的中一样是静态的,在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电在扫描线圈产生的电磁场的作用下，细聚焦电子束在样品表面扫描。子束在样品表面扫描。 2）由于不需要穿过样品，由于不需要穿过样品，SEM的加速电

29、压远比的加速电压远比TEM低；在低；在SEM中加速电压一般在中加速电压一般在200V 到到50 kV范围内。范围内。 3） 样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。样品不需要复杂的准备过程，制样非常简单。 如何获得扫描电镜的像衬度如何获得扫描电镜的像衬度 ？ 主要利用样品表面微区特征（如形貌、原子序主要利用样品表面微区特征（如形貌、原子序数或化学成分等）的差异，在电子束的作用下产生数或化学成分等）的差异，在电子束的作用下产生的的物理信号强度不同物理信号强度不同，导致显像管荧光屏上不同区，导致显像管荧光屏上不同区域的亮度差异，从而获得一定衬度的图像。域的亮度差异，从而获得一定衬度的图像。4 表面

30、形貌衬度原理及其应用表面形貌衬度原理及其应用2221IIIIIC一一. 二次电子成像原理二次电子成像原理二次电子能量较低，只能从样品表面层二次电子能量较低，只能从样品表面层510nm深深度范围内激发出来；度范围内激发出来；其数量和原子序数没有明显的关系其数量和原子序数没有明显的关系，但对微区表面，但对微区表面的形状十分敏感；如图所示，随入射束与试样表面法的形状十分敏感；如图所示，随入射束与试样表面法线夹角增大，二次电子产额增大。线夹角增大，二次电子产额增大。大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次电子大的面，入射束靠表面近，逸出表面的二次电子数目多，数目多，在荧光屏上的亮度大在荧光屏上的亮度大

31、小的面，对应的荧光屏的亮度小小的面，对应的荧光屏的亮度小u根据上述原理画出根据上述原理画出二次电二次电子形貌衬度的示意图子形貌衬度的示意图 u对于实际样品，表面形貌对于实际样品，表面形貌要比上面衬度的情况复杂要比上面衬度的情况复杂得多，但形成二次电子衬得多，但形成二次电子衬度的原理是相同的。度的原理是相同的。 实际样品中二次电子的激发过程示意图实际样品中二次电子的激发过程示意图1)凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处凸出的尖棱，小粒子以及比较陡的斜面处SE产额较多产额较多，在荧，在荧光屏上这部分的亮度较大光屏上这部分的亮度较大 2)平面上的平面上的SE产额较小，亮度较低产额较小，亮度较低。 3

32、)在在深的凹槽底部深的凹槽底部尽管能产生较多二次电子，但其不易被控制尽管能产生较多二次电子，但其不易被控制到，因此到，因此相应衬度也较暗相应衬度也较暗。二二. 二次电子形貌衬度的应用二次电子形貌衬度的应用（一）样品表面形貌观察（一）样品表面形貌观察（二）断口分析（二）断口分析（三）（三）材料变形与断裂动态过程的原位观察材料变形与断裂动态过程的原位观察（一）（一） 样品表面形貌观察样品表面形貌观察烧结体烧结自然表面观察烧结体烧结自然表面观察晶粒细小的正方相，晶粒细小的正方相， t-ZrO2晶粒尺寸较大的单相晶粒尺寸较大的单相 立方相，立方相，c-ZrO2双向混合组织，正方双向混合组织，正方 相晶

33、粒细小，立方相相晶粒细小，立方相 晶粒大。晶粒大。a.片状珠光体片状珠光体 b.回火组织回火组织+碳化物碳化物金相表面观察金相表面观察Al2O3+15%ZrO2复复合陶瓷烧结表面合陶瓷烧结表面Al2O3晶粒晶粒有棱角大有棱角大晶粒；晶粒；ZrO2颗粒颗粒白色白色球状小颗粒。球状小颗粒。（二）（二） 断口分析断口分析（1 1）沿晶断口沿晶断口 （2 2）韧窝断口韧窝断口（3 3）解理断口）解理断口（4 4）复合材料断口）复合材料断口（三）（三） 材料变形与断裂动态过程的原位观察材料变形与断裂动态过程的原位观察双相钢双相钢F+M双相钢拉伸过程的动态原位观察：双相钢拉伸过程的动态原位观察：（a）图）

34、图：F首先产生裂纹，首先产生裂纹，M强度高，裂纹强度高，裂纹 扩展至扩展至M受阻，加大载荷，受阻，加大载荷， M前方前方F产生裂纹；产生裂纹；（b）图）图：载荷进一步加大，：载荷进一步加大， M才断裂，裂纹连接才断裂，裂纹连接 继续扩展。继续扩展。 2. 复合材料复合材料 Al3Ti/（Al-Ti）复）复合材料断裂过程原位观合材料断裂过程原位观察察： Al3Ti为增强相，裂为增强相，裂纹受纹受Al3Ti颗粒时受阻而颗粒时受阻而转向，沿着颗粒与基体转向，沿着颗粒与基体的界面扩展，有时颗粒的界面扩展，有时颗粒也断裂。也断裂。背散射电子衬度原理及其应用背散射电子衬度原理及其应用5 原子序数衬度原理及

35、其应用原子序数衬度原理及其应用1、背散射电子的衬度原理及应用、背散射电子的衬度原理及应用 v背散射电子背散射电子 1）形貌分析形貌分析来自样品表层几百来自样品表层几百nm范围范围 2）成分分析成分分析产额与原子序数有关产额与原子序数有关 BE形貌衬度特点形貌衬度特点1）用）用BE进行形貌分进行形貌分析时，其分辨率远析时，其分辨率远比比SE像低。像低。2）图象衬度很强，衬）图象衬度很强，衬度太大会失去细节度太大会失去细节的层次。的层次。BE能量高，以能量高，以直线轨迹直线轨迹逸出样品表面，对于逸出样品表面，对于背向检测器背向检测器的样的样品表面，因检测器品表面，因检测器无法收集无法收集到到BE而

36、变成一片阴影，因此，其而变成一片阴影，因此，其图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。因图象衬度很强，衬度太大会失去细节的层次，不利于分析。因此，此，BE形貌分析效果远不及形貌分析效果远不及SE，故一般不用，故一般不用BE信号。信号。2. 背散射电子原子序数衬度原理背散射电子原子序数衬度原理 原子序数衬度：是利用对样品微区原子序数或化原子序数衬度：是利用对样品微区原子序数或化 学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的，学成分变化敏感的物理信号作为调制信号得到的， 表示微区化学成分差别的像衬度。表示微区化学成分差别的像衬度。对微区原子序数或化学成分的变化敏感信号：对微区原子序数或化

37、学成分的变化敏感信号： 背散射电子、吸收电子、特征背散射电子、吸收电子、特征X射线、俄歇电子等射线、俄歇电子等。 背散射电子原子序数衬度原理背散射电子原子序数衬度原理 Z40时，背散射电子的产时，背散射电子的产额随样品原子序数的增大而增额随样品原子序数的增大而增加加，因而，样品上原子序数较，因而，样品上原子序数较高的区域，产生较强的信号，高的区域，产生较强的信号，荧光屏上图像较亮，这样可以荧光屏上图像较亮，这样可以根据背散射电子像亮暗衬度来根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区域原子序数的相对判断相应区域原子序数的相对高低，对试样进行化学成分的高低，对试样进行化学成分的定性分析。定性分析。背散射

38、电子产额背散射电子产额背散射电子成像背散射电子成像ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射系耐火材料的背散射电子成分像，电子成分像，1000由于由于ZrO2相平均原子相平均原子序数远高于序数远高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以图中相，所以图中白白色相为斜锆石色相为斜锆石，小的白，小的白色粒状斜锆石与灰色莫色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为来石混合区为莫来石莫来石斜锆石共析体斜锆石共析体，基体灰，基体灰色相为莫来石。色相为莫来石。MgOMgOSrTiO3SrTiO3（a）二次电子图像）二次电子图像 （b）背散射电子图像）背散射电子图像两种图像的对比两种图像的对比 背散射电子原子序数衬

39、度分析对样品的要求：背散射电子原子序数衬度分析对样品的要求： 磨平抛光，但不侵蚀磨平抛光，但不侵蚀 对既要分析形貌又要分析成分的样品：对既要分析形貌又要分析成分的样品： 采用一对检测器检测同一点的背散射电子，将信采用一对检测器检测同一点的背散射电子，将信号处理，号处理， 两个信号相加为成分像；两个信号相加为成分像； 信号相减为形貌像。信号相减为形貌像。两个信号相加为成分像；信号相减为形貌像。两个信号相加为成分像；信号相减为形貌像。二二. 吸收电子衬度原理及应用吸收电子衬度原理及应用吸收电子原子序数衬度原理：吸收电子原子序数衬度原理： 吸收电子是被样品吸收的入射电子，故其产吸收电子是被样品吸收的

40、入射电子，故其产额与背散射电子相反，即：样品原子序数越小，额与背散射电子相反，即：样品原子序数越小，背散射电子越少，吸收电子越多，故吸收电子像背散射电子越少，吸收电子越多，故吸收电子像和背散射电子像衬度刚好相反，也可进行成分分析。和背散射电子像衬度刚好相反，也可进行成分分析。吸收电子成像吸收电子成像铁素体基体球墨铸铁拉伸断口的背散射电子像和吸收电子像铁素体基体球墨铸铁拉伸断口的背散射电子像和吸收电子像背散射电子像，黑色团状物为石墨背散射电子像，黑色团状物为石墨吸收电子像，白色团状物为石墨吸收电子像，白色团状物为石墨6.电子探针电子探针X射线显微分析（射线显微分析（EPMA） vEPMA的构造与

41、的构造与SEM大体相似，大体相似，只是增加了接收记只是增加了接收记录录X射线的谱仪射线的谱仪。vEPMA使用的使用的X射线谱仪有射线谱仪有波谱仪波谱仪和和能谱仪能谱仪两类。两类。 v利用利用被聚焦成小于被聚焦成小于1m的高速电子束的高速电子束轰击样品表面，轰击样品表面，由由X射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和射线波谱仪或能谱仪检测从试样表面有限深度和侧向扩展的微区体积内产生的侧向扩展的微区体积内产生的特征特征X射线的波长和强射线的波长和强度度，得到，得到1m3微区的定性或定量的微区的定性或定量的化学成分化学成分。工作原理工作原理u具有足够能量的细电子束轰击试样表面，激发特征具有足够能量

42、的细电子束轰击试样表面，激发特征x射线，其波长为：射线，其波长为：uK，为常数为常数， 与样品材料的与样品材料的Z有关，测出有关，测出 ，即，即可确定相应元素的可确定相应元素的Z 。u某种元素的某种元素的特征特征x射线强度射线强度与该元素在样品中的浓与该元素在样品中的浓度成比例，测出度成比例，测出x射线射线I，就可计算出该元素的相对，就可计算出该元素的相对含量。含量。)(1ZK电子探针结构示意图电子探针结构示意图 74 u波谱仪全称为波长分散谱仪波谱仪全称为波长分散谱仪(Wavelength-Dispersive Spectrometer，WDS)。u 检测特征检测特征X射线的波长射线的波长

43、u样品被激发的特征样品被激发的特征X射线射线照射到连续转动的分光晶体照射到连续转动的分光晶体上实现分光上实现分光(色散色散)，即不同，即不同波长的波长的X射线将在各自满足射线将在各自满足布拉格方程的布拉格方程的2 方向上被方向上被(与分光晶体以与分光晶体以2:1的角速度的角速度同步转动的同步转动的)检测器接收。检测器接收。 一）波谱仪一）波谱仪 当每个当每个X射线光子照到检测器上时，将产生一个电压脉冲，射线光子照到检测器上时，将产生一个电压脉冲，经放大后接至单通道分析器，筛选脉冲高度并转化为标准脉冲，经放大后接至单通道分析器，筛选脉冲高度并转化为标准脉冲，然后用计数器计数存于计算机中。然后用计

44、数器计数存于计算机中。波谱仪波谱仪(WDS)原理图原理图X射线波谱仪射线波谱仪光源、发射的光源、发射的x射线会聚焦在射线会聚焦在x射线射线探测器的接受狭缝处；聚焦圆的中探测器的接受狭缝处；聚焦圆的中心心O固定固定，通过弯晶面聚焦圆转动通过弯晶面聚焦圆转动来改变衍射角的大小，探测器也随来改变衍射角的大小，探测器也随着在聚焦圆上运动。着在聚焦圆上运动。弯晶在某一方向上做直线运动，弯晶在某一方向上做直线运动，X射线出射角不变，晶体通过自转射线出射角不变，晶体通过自转改变改变角光源、弯晶和接受狭缝角光源、弯晶和接受狭缝始终聚焦圆周上。始终聚焦圆周上。回转式波谱仪回转式波谱仪直进式波谱仪直进式波谱仪波长

45、色散谱波长色散谱波谱仪的特点波谱仪的特点u波谱仪的突出优点是波谱仪的突出优点是波长分辨率很高波长分辨率很高。如：它可将波长十分。如：它可将波长十分接近的接近的VK (0.228434nm)、CrK 1(0.228962nm)和和CrK 2(0.229351nm) 3根谱线清晰地分开。根谱线清晰地分开。u但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半但由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它射线光源的距离就会变大，它对对X射线光源所张的立体角就会很小，因此对射线光源所张的立体角就会很小，因此对X射线光源发

46、射线光源发射的射的X射线光量子的收集率也就会很低，致使射线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信号的射线信号的利用率极低。利用率极低。 2dsin = u此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，难以在低束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。这是波谱仪的两个缺点。 二）能谱仪二）能谱仪 u能谱仪全称为能量分散谱仪能谱仪全称为能量分散谱仪(Energy Dispersive X-ray Spectrometer ，EDS, EDX)u功能：化学元素定性、定量和分布影像分析功能：化学元素定性、定量

47、和分布影像分析u每种元素具有自己特定的每种元素具有自己特定的x射线特征波长，而特征波长的大小射线特征波长，而特征波长的大小则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量则取决于能级跃迁过程中释放出的特征能量E。能谱仪就是能谱仪就是利用不同元素利用不同元素x射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分射线光子特征能量不同这一特点来进行成分分析的，析的，其强度决定元素的含量。其强度决定元素的含量。 E=h=hc/ u通过检测器将所有波长通过检测器将所有波长(能量能量)的的X射线光子几乎同时接收进来，射线光子几乎同时接收进来，不同的不同的X射线光子能量产生的射线光子能量产生的电子电子空穴对数空穴对数不同。不同。

48、Si(Li)检检测器将它们接收后经过积分，再经放大整形后送入多道脉冲测器将它们接收后经过积分，再经放大整形后送入多道脉冲高度分析器，然后在荧光屏以脉冲数高度分析器，然后在荧光屏以脉冲数-脉冲高度曲线显示，这脉冲高度曲线显示，这就是就是X射线能谱曲线。射线能谱曲线。Elem Wt % At %- C K 0.55 1.53 O K 25.47 53.62 ClK 0.66 0.63 FeK 73.33 44.22 Total 100.00 100.00 能谱仪的主要组成部分能谱仪的主要组成部分u 锂漂移硅固态检测器锂漂移硅固态检测器Li(Si) 检测器检测器u预放大器预放大器u主放大器主放大器u

49、多道分析器多道分析器u数据输出系统数据输出系统v 以以Si(Li)检测器为探头的能谱仪实际上是一整套复杂的检测器为探头的能谱仪实际上是一整套复杂的电子学装置。电子学装置。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温探头必须始终保持在液氦冷却的低温状态状态，否则晶体内，否则晶体内Li的浓度分布状态就会因扩散而变化。的浓度分布状态就会因扩散而变化。Si(Li)X射线能谱仪的原理射线能谱仪的原理 Si(Li)检测器检测器Si(Li)检测器探头结构示意图检测器探头结构示意图目前最常用的是目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测检测器，即器，即锂漂移硅

50、固态锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质为施主杂质的的n-i-p型二极管。型二极管。Si(Li)能谱仪的优点：能谱仪的优点： (1)分析速度快分析速度快 能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的能谱仪可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光射线光子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍子信号，故可在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为窗口的探测器可探测的元素范围为11Na92U，20世纪世纪80年代推向市年代推向市场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析场的新型窗口材料可使能谱仪能够分析Be以上的轻元素，探测

51、元素以上的轻元素，探测元素的范围为的范围为4Be92U。 (2)灵敏度高灵敏度高 X射线收集立体角大。由于能谱仪中射线收集立体角大。由于能谱仪中Si(Li)探头可以放探头可以放在离发射源很近的地方在离发射源很近的地方(10 左右左右)，无需经过晶体衍射，信号强度，无需经过晶体衍射，信号强度几乎没有损失，所以灵敏度高几乎没有损失，所以灵敏度高(可达可达104 cps/nA，入射电子束单位强，入射电子束单位强度所产生的度所产生的X射线计数率射线计数率)。此外，能谱仪可在低入射电子束流。此外，能谱仪可在低入射电子束流(10-11 A)条件下工作，这有利于提高分析的空间分辨率。条件下工作，这有利于提高

52、分析的空间分辨率。 (3)谱线重复性好谱线重复性好 由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦由于能谱仪没有运动部件，稳定性好，且没有聚焦要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比要求，所以谱线峰值位置的重复性好且不存在失焦问题，适合于比较粗糙表面的分析工作。较粗糙表面的分析工作。 Si(Li)能谱仪的缺点：能谱仪的缺点： (1) 能量分辨率低，峰背比低。能量分辨率低，峰背比低。由于能谱仪的探头直接对着样品，所由于能谱仪的探头直接对着样品，所以由背散射电子或以由背散射电子或X射线所激发产生的荧光射线所激发产生的荧光X射线信号也被同时检射线信号也被同时检测到，从而使得测到，从而

53、使得Si(Li)检测器检测到的特征谱线在强度提高的同时，检测器检测到的特征谱线在强度提高的同时，背底也相应提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特背底也相应提高，谱线的重叠现象严重。故仪器分辨不同能量特征征X射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率射线的能力变差。能谱仪的能量分辨率(130 eV)比波谱仪的能比波谱仪的能量分辨率量分辨率(5 eV)低。低。v 峰背比的定义峰背比的定义：多道脉冲高度分析器的中间道的计数减去背底的：多道脉冲高度分析器的中间道的计数减去背底的计数，然后再除以背底的计数。背底是由峰值两侧的计数来估计计数，然后再除以背底的计数。背底是由峰值两侧的计数来估计的。的。(2)

54、 工作条件要求严格。工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在探头必须始终保持在液氦冷却的低温液氦冷却的低温状态状态，即使是在不工作时也不能中断，否则晶体内，即使是在不工作时也不能中断，否则晶体内Li的浓度分布的浓度分布状态就会因扩散而变化，导致探头功能下降甚至完全被破坏。状态就会因扩散而变化，导致探头功能下降甚至完全被破坏。 波谱议和能谱仪比较波谱议和能谱仪比较波谱仪波谱仪能谱仪能谱仪在在SEM中用能谱仪作元素分析的优点中用能谱仪作元素分析的优点能谱分析的基本工作方式能谱分析的基本工作方式 一、一、定点分析定点分析，即对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进，即对样品表面选定微区作定点的

55、全谱扫描，进行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析；分析；二、二、线扫描分析线扫描分析，即电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所，即电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析；含元素质量分数的定性或半定量分析；三、三、面扫描分析面扫描分析，即电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特，即电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像。得该元素质量分数分布的扫描图像。 u下图给出了下图给出了ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体定点成分分析结果，陶瓷析出相与基体定点成分分析结果，可见析出相（可见析出相（t相）相）Y2O3含量低，而