2022年现代材料分析测试技术 材料分析测试技术.ppt 文档全文预览.docx

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1、2022年现代材料分析测试技术 材料分析测试技术.ppt 文档全文预览 本部分的主要目的： 介绍透射电镜分析、扫描电镜分析、表面成分分析及相关技术的基本原理，了解透射电镜样品制备和分析的基本操作和步骤，驾驭扫描电镜在材料探讨中的应用技术。在介绍基本原理的基础上，侧重分析技术的应用！ 讲课18学时，试验：4学时，考试2学时。 主要要求： 1)驾驭透射电镜分析、扫描电镜分析和表面分析技术及其在材料探讨领域的应用； 2）了解电子与物质的交互作用以及电磁透镜辨别率的影响因素； 3）了解透射电镜的基本结构和工作原理，驾驭电子衍射分析及衍射普标定、薄膜样品的制备及其透射电子显微分析； 4）了解扫描电镜的基

2、本结构及其工作原理，驾驭原子序数衬度、表面形貌衬度及其在材料领域的应用；了解波谱仪、能谱仪的结构及工作原理，初步驾驭电子探针分析技术； 5）对表面成分分析技术有初步了解； 6）了解电子显微技术的新进展及试验方法的选择； 参考书： 1）常铁军， 祁欣 主编。材料近代分析测试方法 哈尔滨工业高校出版社； 2）周玉，武高辉 编著。 材料分析测试技术材料X射线与电子显微分析 哈尔滨工业高校出版社。19101版 3）黄孝瑛 编著。 透射电子显微学 上海科学技术出版社。11017版 4）进藤 大辅， 及川 哲夫 合著. 材料评价的分析电子显微方法 冶金工业出版社。2001年版 5）叶恒强 编著。 材料界面

3、结构与特性 科学出版社，11019版 1.1 引言 眼睛是人类相识客观世界的第一架“光学仪器”。但它的实力是有限的，假如两个细小物体间的距离小于0.1mm时，眼睛就无法把它们分开。 光学显微镜的独创为人类相识微观世界供应了重要的工具。随着科学技术的发展，光学显微镜因其有限的辨别本事而难以满意很多微观分析的需求。 上世纪30年头后，电子显微镜的独创将辨别本事提高到纳米量级，同时也将显微镜的功能由单一的形貌视察扩展到集形貌视察、晶体结构、成分分析等于一体。人类相识微观世界的实力从今有了长足的发展。 光学显微镜的辨别率 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点及其四周区域的光波发生相互

4、干涉作用，产生衍射效应。一个志向的物点，经过透镜成像时，由于衍射效应，在像平面上形成的不再是一个像点，而是一个具有肯定尺寸的中心亮斑和四周明暗相间的圆环所构成的Airy斑。如图1-1所示。 测量结果表明Airy斑的强度大约84%集中在中心亮斑上，其余分布在四周的亮环上。由于四周亮环的强度比较低，一般肉眼不易辨别，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。依据衍射理论推导，点光源通过透镜产生的Airy斑半径R0的表达式为： 图1-1 两个电光源成像时形成的Airy斑 (a)Airy斑； (b)两个Airy斑靠近到刚好能分开的临界距离是强度的叠加 通常把两个Airy斑中心

5、间距等于Airy斑半径时，物平面上相应的两个物点间距定义为透镜能辨别的最小间距，即透镜辨别率。由式1-1得： 有效放大倍数 上式说明，光学透镜的辨别本事主要取决于照明源的波长。半波长是光学显微镜辨别率的理论极限。可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高辨别率是200nm。 一般地，人眼的辨别本事是大约0.2mm，光学显微镜的最大辨别率大约是0.2m。把0.2m放大到0.2mm让人眼能辨别的放大倍数是1010倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的辨别率在0.2m时，其有效放大倍数是1010倍。 光学显微镜的放大倍数可以做的更高，但是，高出的部分对提高辨别率没有贡献，仅仅是

6、让人眼视察更舒适而已。所以光学显微镜的放大倍数一般最高在1010-1500之间。 如何提高显微镜的辨别率 依据式，要想提高显微镜的辨别率，关键是降低照明光源的波长。 顺着电磁波谱朝短波长方向找寻，紫外光的波长在13-390nm之间，比可见光短多了。但是大多数物质都剧烈地汲取紫外光，因此紫外光难以作为照明光源。 更短的波长是X射线。但是，迄今为止还没有找到能使X射线变更方向、发生折射和聚焦成象的物质，也就是说还没有X射线的透镜存在。因此X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光源，由此形成电子显微

7、镜。 依据德布罗意的观点，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像。电子波的波长取决于电子运动的速度和质量，即 式中，h为普郎克常数：h=6.62610-34J.s；m为电子质量；v为电子运动速度，它和加速电压U之间存在如下关系： 即 式中e为电子所带电荷，e=1.610-19C。 将式和式整理得： 假如电子速度较低，其质量和静止质量相近，即mm0.假如加速电压很高，使电子速度极高，则必需经过相对论校正，此时： 式中 c光速 表1-1是依据上式计算出的不同加速电压下电子波的波长。 可见光的波长在390-760nm之间，从计算出的电子波波长可以看出，在常用的101-200k

8、V加速电压下，电子波的波长要比可见光小5个数量级。 表 1-1 不同加速电压下的电子波波长 电磁透镜 电子波和光波不同，不能通过玻璃透镜会聚成像。但是轴对称的非匀称电场和磁场则可以让电子束折射，从而产生电子束的会聚与发散，达到成像的目的。人们把用静电场构成的透镜称之“静电透镜”；把电磁线圈产生的磁场所构成的透镜称之“电磁透镜”。电子显微镜中用磁场来使电子波聚焦成像的装置就是电磁透镜。 电子在磁场中运动，当电子运动方向与磁感应强度方向不平行时，将产生一个与运动方向垂直的力使电子运动方向发生偏转。 图1-2是一个电磁线圈。当电子沿线圈轴线运动时，电子运动方向与磁感应强度方向一样，电子不受力，以直线

9、运动通过线圈；当电子运动偏离轴线时，电子受磁场力的作用，运动方向发生偏转，最终会聚在轴线上的一点。电子运动的轨迹是一个圆锥螺旋曲线。 短线圈磁场中的电子运动显示了电磁透镜聚焦成像的基本原理。实际电磁透镜中为了增加磁感应强度，通常将线圈置于一个由软磁材料制成的具有内环形间隙的壳子里。 此时线圈的磁力线都集中在壳内，磁感应强度得以加强。狭缝的间隙越小，磁场强度越强，对电子的折射实力越大。为了使线圈内的磁场强度进一步增加，可以在电磁线圈内加上一对磁性材料的锥形环，这一装置称为极靴。增加极靴后的磁线圈内的磁场强度可以有效地集中在狭缝四周几毫米的范围内。 电磁线圈与极靴 电磁透镜的像差及其对辨别率的影响

10、 按式最佳的光学透镜辨别率是波长的一半。对于电磁透镜来说，目前还远远没有达到辨别率是波长的一半。以日本电子JEM200F场放射透射电镜为例，其加速电压是200KV，若辨别率是波长的一半，那么它的辨别率应当是0.00125nm；事实上它的点辨别率是0.19nm，与理论辨别率相差约150多倍。 什么缘由导致这样的结果呢？原来电磁透镜也和光学透镜一样，除了衍射效应对辨别率的影响外，还有像差对辨别率的影响。由于像差的存在，使得电磁透镜的辨别率低于理论值。电磁透镜的像差包括球差、像散和色差。 一、球差 球差是因为电磁透镜的中心区域磁场和边缘区域磁场对入射电子束的折射实力不同而产生的。离开透镜主轴较远的电

11、子比主轴旁边的电子被折射程度大。 原来的物点是一个几何点，由于球差的影响现在变成了半径为rS的漫散圆斑。我们用rS表示球差大小，计算公式为： 二、像散 像散是由透镜磁场的非旋转对称引起的像差。当极靴内孔不圆、上下极靴的轴线错位、制作极靴的磁性材料的材质不均以及极靴孔四周的局部污染等都会引起透镜的磁场产生椭圆度。 将RA折算到物平面上得到一个半径为rA的漫散圆斑，用rA表示像散的大小，其计算公式为： 三、色差 色差是由于成像电子的能量不同或改变，从而在透镜磁场中运动轨迹不同以致不能聚焦在一点而形成的像差。 最小的散焦斑RC。同样将RC折算到物平面上，得到半径为rC的圆斑。色差rC由下式来确定：

12、式中：Cc为色散系数，E/E为电子束能量改变率。当Cs和孔径半角肯定时，电子束能量改变率取决于加速电压的稳定性和电子穿过样品时发生非弹性散射的程度。样品很薄时，可以忽视后者。 衍射效应的辨别率和球差造成的辨别率 比较式和，可以发觉孔径半角对衍射效应的辨别率和球差造成的辨别率的影响是相反的。 提高孔径半角可以提高辨别率r0，但却大大降低了rS。因此电镜设计中必需兼顾两者。唯一的方法是让rS=r0，考虑到电磁透镜中孔径半角很小，则 那么rS=r0， 即： 整理得： 将上式代入， 依据式和，透射电镜孔径半角通常是10-2-10-3rad；目前最佳的电镜辨别率只能达到0.1nm左右。 景 深 电磁透镜

13、的景深是指当成像时，像平面不动，在满意成像清楚的前提下，物平面沿轴线前后可移动的距离 当物点位于O处时，电子通过透镜在O处会聚。让像平面位于O处，此时像平面上是一像点；当物点沿轴线渐移到A处时，聚焦点则从O沿轴线移到了A处，由于像平面固定不动，此时位于O处的像平面上渐渐由像点变成一个散焦斑。假如衍射效应是确定电磁透镜辨别率的限制因素，那么散焦斑半径R0折算到物平面上的尺寸只要不大于r0，像平面上就能成一幅清楚的像。 轴线上AB两点间的距离就是景深Df。 由图1-9的几何关系可推导出景深的计算公式为： 焦长 焦长是指物点固定不变，在保持成像清楚的条件下，像平面沿透镜轴线可移动的距离。 当物点位于

14、O处时，电子通过透镜在O处会聚。让像平面位于O处，此时像平面上是一像点；当像平面沿轴线前后移动时，像平面上渐渐由像点变成一个散焦斑。只要散焦斑的尺寸不大于R0，像平面上将是一幅清楚的像。此时像平面沿轴线前后可移动的距离为DL：由图中几何关系得： 2. 电子与物质的交互作用 2.1 散射 2.2 高能电子与样品物质交互 作用产生的电子信息 2.1 散射 定义：当一束聚焦电子沿肯定方向射到样品上时，在样品物质原子的库仑电场作用下，入射电子方向将发生变更，这种现象称为散射。 弹性散射：电子只变更方向，基本无能量改变 分类： 非弹性散射：电子变更方向，能量不同程度衰 减。 衰减部分 热、光、X射线、二

15、次电子等 图2-1 入射电子与原子的交互作用产生的各种信息的示意图 2.1.1 原子核对电子的弹性散射 2.1.2 原子核对电子的非弹性散射 2.1.3 核外电子对入射电子的非弹性散射 * 核外电子对入射电子的散射作用是非弹性散射。散射过程中入射电子的能量损失部分转变为热，部分使物质中原子发生电离或形成自由载流子，并伴随着产生各种有用信息，如二次电子、俄歇电子、特征X射线、特征能量损失电子、阴极发光、电子感生电导等。 *核外电子对入射电子的散射作用是非弹性散射在电子衍射及透射电镜成像时，由于引起色差而增加背景强度及降低图像衬度，是有害的。但这种非弹性散射中产生的电离、阴极发光及电子云的集体振荡

16、等物理效应，可以从不同侧面反映样品的形貌、结构及成份特征，为一系列电子显微分析仪器供应了重要的信息来源。 2.2 高能电子与样品物质交互作用产生的电子信息 2.2.1 二次电子 (SE) *当入射电子与原子核外电子发生相互作用时，会使原子失去电子而变成离子-电离，这个脱离原子的电子称为二次电子。假如被电离出来的二次电子来自原子中的价电子，则称为价电子激发；假如被电离出来的二次电子来自原子中的内层电子，则称为芯电子激发。 入射电子使固体中价电子激发到费米能级以上或游离时损失的能量较小，而使内层电子激发或游离时损失的能量相当大。所以价电子的激发几率远大于内层电子的激发几率。 *二次电子的主要特点：

17、 * 对样品表面形貌敏感 * 空间辨别率高 由于只有在接近表面约10nm以内的二次电子才能逸出表面，成为可以接收的信号；此时，入射束无明显的侧向扩展，因而这种信号反映的是一个与入射束直径相当的、很小体积范围内的形貌特征，从而具有很高空间辨别率。目前，扫描电镜中二次电子像的辨别率一般在3-6nm之间。 * 信号收集效率高 二次电子本身能量低，简单受电场的影响，只要在检测器上加5-10kV的正电压就可以使样品上方的绝大部分二次电子进入检测器。 2.2.2 背散射电子 (BE) 入射电子在样品内遭到散射，变更前进方向，在非弹性散射状况下，还会损失一部分能量。在这种弹性和非弹性散射过程中，有些入射电子

18、累计散射角超过90，这些电子将重新从样品表面逸出，称为背散射电子。 背散射电子的特点： *对样品物质的原子序数敏感 *辨别率及信号收集率低 2.2.3 透射电子。依据卢瑟福的经典散射模型，散射角n的大小取决于瞄准距离rn 、核电荷数Ze和入射电子的能量E0. 原子核的正电荷 入射电子的能量 瞄准距离 散射角 弹性散射是电子衍射和成像的基础，原子对入射电子在n角方向的弹性散射振幅是 由于非弹性散射，入射不但变更方向，而且能量有不同程度损失，速度减慢，损失的能量转化为X射线。 因为二次电子产额SE与入射电子束相对于样品表面的入射角之间存在下列关系： 式中：SE=ISE/Ip 在Ip不变的条件下，当

19、样品表面不平常，入射束相对于样品表面的入射角发生改变，使二次电子的强度相应变更，假如用检测器收集样品上方的二次电子并使其形成反映样品上各照耀点信息强度的图像，则可将样品表面形貌特征反映出来，形成所谓“形貌衬度”图像。 各种信息的作用深度 用背散射电子像可以视察未腐蚀试样的抛光面元素分布或相分布，并可确定元素定性、定量分析点。日本电子公司的电子探针在试样上方安装了二个对称分布的半导体探测器，如图所示，A和B为二个相同的背散射电子探测器。将A和B所探测的信号进行电路上的相加或相减处理后，能分别得到试样表面成份信息(a) 和形貌信息(b)。 这对试样定性、定量分析点的确定及杂质和相组成的视察非常有用

20、。 有时不用腐蚀试样就可以分析和视察试样组成。现在背散射电子成分像可以区分出平均原子序数相差0.1以下的二种相。 背散射电子成份像和形貌像的分别 MgO+SrTiO3复相陶瓷的二次电子像(a)和背散射电子像 二次电子像 2000 背散射电子像 2000 和分别为MgO+SrTiO3复相陶瓷在同一个微区的二次电子像和背散射电子像，二次电子像形貌很难辨别出MgO和SrTiO3相的亮度差别，而背散射电子像中可以明显的分辩出MgO相和SrTiO3相。 背散射电子的强度还与试样中的晶面取向及入射电子的入射方向有关。利用这种特性可以视察单晶和大晶体颗粒的生长台阶和生长条纹。生长台阶和生长条纹的高差一般都很

21、小，但背射电子像已有明显衬度。下图 即 对于光学透镜，当n?sin做到最大时，式简化为： 透镜辨别率 电子波波长 000087 1010 0006101 30 000142 500 000859 20 000251 200 00122 10 000373 101 00173 5 000418 80 00194 4 000487 60 00224 3 000536 50 00274 2 000601 40 00388 1 电子波波长/nm 加速电压/kV 电子波波长/nm 加速电压/kV 说明：经相对论校正 图1-2电磁透镜的聚焦原理示意图 图1-4 有极靴电磁透镜 (a)极靴组件分解； (b)

22、有极靴电磁透镜剖面； (c)三种状况下电磁透镜 轴向磁感应强度分布 电磁透镜成像 光学透镜成像时，物距L1、像距L2和焦距f三者之间满意如下关系： 电磁透镜成像时也可以应用式。所不同的是，光学透镜的焦距是固定不变的，而电磁透镜的焦距是可变的。电磁透镜焦距f常用的近似公式为： 式中K是常数，Ur是经相对论校正的电子加速电压，是电磁透镜的激磁安匝数。 由式可以发觉，变更激磁电流可以便利地变更电磁透镜的焦距。而且电磁透镜的焦距总是正值，这意味着电磁透镜不存在凹透镜，只是凸透镜。 式中 Cs表示球差系数。 通常，物镜的球差系数值相当于它的焦距大小，约为1-3mm,为孔径半角。从式中可以看出，减小球差可

23、以通过减小球差系数和孔径半角来实现。 球差是像差影响电磁透镜辨别率的主要因素，它还不能象光学透镜那样通过凸透镜、凹透镜的组合设计来补偿或矫正。 据说日本电子已经制造了带球差校正器的透射电镜，但一个球差校正器跟一台场放射透射电镜的价格差不多。 No Fringe Un-corrected Corrected Si (111)3 grain boundary TEM Cs Corrector -Si34 2nm 2200FS + STEM Cs corrector 2nm STEM Cs Corrector Without Corrector (Cs:1.0 mm) DFI image 像散是可以消退的像差，可以通过引入一个强度和方位可调的矫正磁场来进行补偿。产生这个矫正磁场的装置叫消像散器。 引起电子能量波动的缘由有两个，一是电子加速电压不稳，致使入射电子能量不同；二是电子束照耀试样时和试样相互作用，部分电子产生非弹性散射，致使能量改变。 透镜球差系数、色差系数与激磁电流的关系 * * * 第14页 共14页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页第 14 页 共 14 页