电子显微分析四川大学分析测试中心.ppt

1、电子显微分析,四川大学分析测试中心,电镜的应用,微观形貌和结构 成分分析,电子光学,光的折射和光学透镜成像 （1）光的折射 （2）凸透镜的成像原理 （3）光学显微镜的原理,光的衍射和光学显微镜分辨本领理论极限 （1）光的衍射,结论： 埃利斑半径与照明光源波长成正。,（2）光学显微镜分辨本领理论极限 分辨率的定义设某成像装置所能区分开两点（或两条线）之间的最小距离为，则这一成像装置的最佳分辨率d 即为。 分辨率d 是衡量成像仪器的重要指标，也是各种因素的综合参数指征。 人眼睛的分辨率一般不高于0.2 mm ( d 0.2mm ) 。 理论极限：照明光源的半波长。,（3）放大倍率M 与分辨率d 的

2、关系 放大倍率M = 像长/ 物长 但必须保证在一定成像质量的前提下才有意义 有效放大倍率M= d（人眼）/ d（仪器）即，相对于人眼睛的分辨率，仪器所能提高分辨率的倍率 光镜M= d（人眼）/ d（光镜）= 0.2 mm / 0.2 m= 1000 电镜M= d（人眼）/ d（电镜）= 0.2 mm / 0.2 nm = 100万,结论： 突破光学显微镜分辨本领和有效放大倍数的极限，必须寻找一种即要波长短，又能使之聚焦成像的新型照明源。,电子的波动性及其波长,电子的波长与其加速电压平方根成反比，加速电压越高，电子波长越短。,电磁透镜的特点,结构复杂，要求几何尺寸与加工精度极高 易于调整 折射

3、率放大倍率；焦距会聚点 像差小，容易校正或消除 对电子束流的能量损耗小 能在极短的距离内产生较大的折射率，从而有效地缩短了镜体的总长度,电磁透镜的像差 （1）几何像差：由于透镜磁场几何缺陷引起 的，包括球差、像散和像畸变。 球差 产生机理； 影响； 像散 可以用消像散器适当地进行补偿。 像畸变 （2）色差 由于成像电子波长（或能量）变化引起电磁透镜焦距变化而产生的一种像差。,电子束与固体样品的相互作用,影响电镜分辨率的重要因素：束斑直径（spotsize）,结论：,二次电子：SEM；表面形貌；图像分辨率好，能量低。 背散射电子：SEM；成分形貌；图像分辨率低，能量分布广。 透射电子：TEM。

4、特征X射线：EDS，WDS；成分分析。 俄歇电子：电子能谱；表面成分分析。,电子显微镜的基础知识,电子显微镜的分类 透射电子显微镜（TEM） 以电子束照射样品，利用透过样品的电子束穿越电磁场透镜，形成放大影像。 扫描电子显微镜（SEM）以电子探针（极细的电子束）在样品上做不停的轰击扫描运动，将反射回来的“二次电子”收集成像。 分析型电子显微镜 将具有波谱（WDS）、能谱（EDS）等分析功能分析仪器与透射或扫描电镜结合起来，进行形态和成分分析的电子显微镜。,扫描隧道式电子显微镜（STM）用纳米级直径的金属探针、以极其接近的距离在样品表面上，做连续扫描运动，将隧道效应产生的微弱电流检测出来，并处理

5、成影像信息以供显示。 原子力显微镜（AFM） 针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过光学检测法或隧道电流检测法，可测得针尖对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。 环境扫描电镜（ESEM）,电子束的产生 电子束由电子枪产生（灯丝） 热电子发射：金属(W)、硼化物(LaB6)加热到高温时(2800K)，发射出热电子。 场发射：把单晶钨做成细的尖端（发射体），尖端表面在强的电场作用下（如107V/cm），发射电子。,图像的质量 视场选择正确，图像清晰。 衬度黑与白的对比程度，也称反差。 层次黑与白之间的过渡级数。 缩小光阑可以明显提高图像

6、的反差。 一般而言，反差与层次两者相互矛盾，以适中为宜。,电镜的工作条件 稳压稳流减少色差、降低各种像散、提高成像质量。 供水散热给大功率元器件、真空扩散泵降温。 防磁、防震、防尘、恒温、恒湿等。,透射电子显微镜（TEM）,5.1透射电镜的基本原理及结构 1、基本原理,2、结构,电子枪：电镜的“光源”，给样品提供照射亮度及区域均可调整、光亮均匀的照明,聚光镜：电镜的档次愈高，聚光镜的级数愈多，一般为2 3 级,成像系统 1）物镜（O） 紧贴在样品台下方，第一级成像元件，精度要求极高 强磁透镜，焦距很短 改变物镜电流，可以调整焦点，用以聚焦 以其重要性，常被谓之为电镜的“心脏” 2）中间镜（I）

7、和投影镜（P） 在物镜之下，常设有中间镜、第一、第二投影镜 共同配合完成放大作用，改变各级透镜的工作电流，可实现放大倍率的变换M= MOMI MP1MP2 工作台面板上有对应的旋钮，供使用者调整 电镜的工作放大倍率M= 各级中间镜和投影镜放大倍率之积,6.扫描电镜,6.3扫描电镜的特点,适用于粗糙表面和断口的分析观察,放大倍数变化范围大，一般为 15 200000 倍，最大可达 10 1000000 倍，对于多相、多组成的非均匀材料便于低倍下的普查和高倍下的观察分析。 具有相当的分辨率，一般为 2 6nm ，最高0.5nm 。 可以通过电子学方法有效地控制和改善图像的质量，如通过调制可改善图像

8、反差，使图像各部分亮暗适中。 可进行多种功能的分析。与 X 射线谱仪配接，可在观察形貌的同时 进行微区成分分析；配有光学显微镜和单色仪等附件时，可观察阴极荧 光图像和进行阴极荧光光谱分析等。 可使用加热、冷却和拉伸等样品台进行动态试验，观察在不同环境 条件下的相变及形态变化等。,6.4扫描电镜的样品处理,1.要求试样可以是块状或粉末颗粒。 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，要在不破坏试样表面结构的前提下进行适当清洗，然后烘干。 新断开的断口或断面，一般不需要进行处理，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 蚀，才能暴露某些结

9、构细节，则在侵蚀后应将表面或断口清洗干净，然后烘 干。 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。 试样大小要适合仪器专用样品座的尺寸，不能过大，样品座尺寸各仪器 不均相同，一般小的样品座为 3 5mm ，大的样品座为 30 50mm ，以分别用来放置不同大小的试样，样品的高度也有一定的限制，一般在 5 10mm 左右。,2.镀膜镀膜的方法有两种 真空镀膜。 离子溅射镀膜。,离子溅射镀膜与真空镀膜相比，其主要优点是：（ 1 ）装置结构简单，使用方便，溅射一次只需几分钟，而真空镀膜则要半个小时以 上。（ 2 ）消耗贵金属少，每次仅约几毫克。（ 3 ）对同一种镀膜材料，离子溅射镀膜质量

10、好，能形成颗粒更细、更致密、更均匀、附着力更强的膜。,环境扫描电镜（ESEM）,1 与SEM的区别： 低真空的“环境”状态 含水样品 非导电样品可以不经表面镀膜处理 2 原理 气体放大原理,3 应用 含水的样品及非导体 在足够气压下，水的蒸发速度降低，潮湿样品不会很快失去水分而变形； 样品室中的环境气体在入射电子和信号电子的碰撞下产生大量的电子和正离子，正离子会与表面积累的电子迅速作用，消除荷电现象。 动态观察 原位观察 高温台（KYKY1500：1200 ）,扫描隧道显微镜（STM）,1原理及结构 扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM）由Binn

11、ig等1982年发明。 根据量子力学原理中的隧道效应而设计。当原子尺度的针尖在不到一个纳米的高度上扫描样品时，此处电子云重叠，外加一电压（2mV2V），针尖与样品之间产生隧道效应而有电子逸出，形成隧道电流。,电流强度和针尖与样品间的距离有函数关系，当探针沿物质表面按给定高度扫描时，因样品表面原子凹凸不平，使探针与物质表面间的距离不断发生改变，从而引起电流不断发生改变。将电流的这种改变图像化即可显示出原子水平的凹凸形态。 扫描隧道显微镜的分辨率很高，横向为0.10.2nm，纵向可达0.01nm。它的优点是三态（固态、液态和气态）物质均可进行观察，而普通电镜只能观察制作好的固体标本。,这种扫描方式

12、可用于观察表面形貌起伏较大的样品，且可通过加在 z 向驱动器上的电压值推算表面起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。,一般不能用于观察表面起伏大于1nm的样品。,8.3 STM与SEM、TEM的各项性能指标比较,STM恒电流工作方式观测超细金属微粒,铂粒子之间的沟槽被探针扫描过的曲面所盖，在形貌图上表现得很窄，而铂粒子的粒径却因此而被增大了。,4 局限性 1.在STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。,在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测

13、超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。 2. STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图象对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补 STM这方面的不足。,原子力显微镜(AFM),1原理及结构 原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）是由IBM 公司的Binnig与史丹佛大学的Quate 于1986年所发明的，其目的是为了使非导电样品的表面结构也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。,基本原理：将一个对微

14、弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触，由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力，通过在扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面原子间作用力的等位面而在垂直于样品的表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法，可测得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的信息。,10.电子探针X射线显微分析,10.1 X射线的基础知识 X射线的产生 1）自由电子 2）电子定向高速运动 3）电子运动途中遇到障碍物突然减速 X射线谱 1）连续X射线谱 2）特征X射线谱,基本原理就是光电效应。,特征X射线的波长与材料元素成分相关； 特征X射线谱不止一条；,10.2波谱分析（WDX） 应用：成分分析 原理,特征X射线的波长决定原子序数Z,布拉格定律：,结构,限制条件：,对于不同波长的特征X射线，需要选用相应的分光晶体。所以一般的仪器都有若干快可换的分光晶体。,10.2 能谱分析（EDX、EDS）,特征X射线的波长决定原子序数Z,波长与光子能量的关系：,探测器的作用 1.电子轰击样品产生特征X射线； 2.特征X射线进入探测器，在晶体内产生电子空穴对； 3.晶体内产生的电荷由场效应晶体管放大并转换成电压台阶信号；