電子顯微分析技術(shù)付大友演示文稿

電子顯微分析技術(shù)付大友演示文稿現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五優(yōu)選電子顯微分析技術(shù)付大友現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五眼睛是人類(lèi)認(rèn)識(shí)客觀世界的第一架“光學(xué)儀器”。但它的能力是有限的，如果兩個(gè)細(xì)小物體間的距離小于0.1mm時(shí)，眼睛就無(wú)法把它們分開(kāi)。光學(xué)顯微鏡的發(fā)明為人類(lèi)認(rèn)識(shí)微觀世界提供了重要的工具。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡因其有限的分辨本領(lǐng)而難以滿足許多微觀分析的需求。上世紀(jì)30年代后，采用電子束作為光源的電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)“電鏡”）的發(fā)明將分辨本領(lǐng)提高到納米量級(jí)，同時(shí)也將顯微鏡的功能由單一的形貌觀察擴(kuò)展到集形貌觀察、晶體結(jié)構(gòu)、成分分析等于一體。人類(lèi)認(rèn)識(shí)微觀世界的能力從此有了長(zhǎng)足的發(fā)展?，F(xiàn)在是3頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五電鏡的發(fā)展歷史1932年魯斯卡發(fā)明創(chuàng)制了第一臺(tái)透射電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)裝置(TEM)。相繼問(wèn)世了掃描透射電子顯微鏡(STEM)、掃描電子叢微鏡(SEM)以及上述產(chǎn)品與X射線分析系統(tǒng)(EDS、WDS)的結(jié)合，即各種不同類(lèi)型分析型電子顯微鏡。1986年，賓尼格和羅雷爾先后研制成功掃描隧道電子顯微鏡(STM)和原于力電子顯微鏡(AFM)，使人類(lèi)的視野得到進(jìn)一步的擴(kuò)展。▼▼▼現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五二、電子顯微技術(shù)內(nèi)容透射電子顯微鏡掃描電子顯微鏡電子探針◆◆◆現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五

透射電子顯微鏡是利用電子的波動(dòng)性來(lái)觀察固體材料內(nèi)部的各種缺陷和直接觀察原子結(jié)構(gòu)的儀器。在原理上模擬了光學(xué)顯微鏡的光路設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單化地可將其看成放大倍率高得多的成像儀器。一般光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。而透射電鏡的放大倍數(shù)在數(shù)千倍至一百萬(wàn)倍之間，有些甚至可達(dá)數(shù)百萬(wàn)倍或千萬(wàn)倍。2.1透射電子顯微鏡現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五電子與物質(zhì)的作用

散射、彈性散射、非彈性散射感應(yīng)電導(dǎo)入射電子二次電子背散射電子俄歇電子吸收電子特征X射線熒光透射電子試樣現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五吸收電子

隨著入射電子與樣品中原子核或核外電子發(fā)生非彈性散射次數(shù)的增多，其能量和活動(dòng)能力不斷降低以致最后被樣品所吸收的電子叫吸收電子。透射電子

它是入射電子束透過(guò)樣品而得到的電子。它僅僅取決于樣品微區(qū)的成分、厚度、晶體結(jié)構(gòu)及位向等?，F(xiàn)在是8頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五二次電子

入射電子射到試樣上使表面物質(zhì)發(fā)生電離，被激發(fā)的電子離開(kāi)試樣表面而形成二次電子，又稱(chēng)為次級(jí)電子；二次電子在電場(chǎng)的作用下呈曲線運(yùn)動(dòng)翻越障礙進(jìn)入監(jiān)測(cè)器，因而試樣表面凹凸的各種信息都能清晰成像。其強(qiáng)度與試樣表面的幾何形狀等有關(guān)，二次電子的能量比較低，一般小于50eV

。背散射電子

入射電子與試樣作用，產(chǎn)生彈性散射或非彈性散射后離開(kāi)試樣表面的電子；背散射電子基本上不受電場(chǎng)的作用而呈直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)入監(jiān)測(cè)器，其強(qiáng)度與試樣表面形貌和元素組成有關(guān)。背散射電子的能量比較高，其約等于入射電子能量E0?，F(xiàn)在是9頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五俄歇電子

如果入射電子把外層電子打進(jìn)內(nèi)層，原子被激發(fā)；為釋放能量而電離出次外層電子，叫俄歇電子。每種元素都有自己的特征俄歇能譜，因此可以利用俄歇電子能譜進(jìn)行輕元素分析。特征X射線原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)之后，外層電子填充到內(nèi)層上，多余的能量以輻射形式放出，產(chǎn)生特征X射線。各種元素都有自己的特征X射線，可用來(lái)進(jìn)行微區(qū)成分分析。現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五樣品質(zhì)量厚度越大，則透射系數(shù)越小，而吸收系數(shù)越大；樣品背散射系數(shù)和二次電子發(fā)射系數(shù)的和也越大，但達(dá)一定值時(shí)保持定值?，F(xiàn)在是12頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五透射電子顯微鏡（簡(jiǎn)稱(chēng)透射電鏡，TEM），根據(jù)其分析目的不同可分為：高分辨電鏡（HRTEM）透射掃描電鏡（STEM）分析型電鏡（AEM）等等。入射電子束（照明束）也有兩種主要形式：平行束：透射電鏡成像及衍射會(huì)聚束：掃描透射電鏡成像、微分析及微衍射。透射電鏡的儀器現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五日立透射電鏡儀器現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五成像原理與光學(xué)顯微鏡類(lèi)似。它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見(jiàn)光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。由于電子波長(zhǎng)極短，同時(shí)與物質(zhì)作用遵從布拉格（Bragg）方程，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，使得透射電鏡自身在具有高的像分辨本領(lǐng)的同時(shí)兼有結(jié)構(gòu)分析的功能。

透射電鏡的工作原理現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五電子槍聚光鏡試樣物鏡中間象投影鏡觀察屏光源中間象物鏡試樣聚光鏡目鏡毛玻璃照相底板現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五1、分辨率（分辨能力）

能分清兩個(gè)點(diǎn)的中心距離的最小尺寸。電子顯微鏡成象的三大要素現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五a、人眼分辨能力：約0.1~0.2mm。b、光學(xué)顯微鏡的分辨率：

——分辨率；——可見(jiàn)光波長(zhǎng)；nsin——透鏡孔徑值。而當(dāng)可見(jiàn)光波長(zhǎng)為500nm時(shí)，=0.2umc、電子顯微鏡的分辨率：BCs??

B—常數(shù)；Cs

—球差系數(shù)；—電子波長(zhǎng)?，F(xiàn)在是18頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五2、像襯度

像襯度是圖像上不同區(qū)域間明暗程度的差別。

透射電鏡的像襯度來(lái)源于樣品對(duì)入射電子束的散射?？煞譃椋?/p>

質(zhì)厚襯度：非晶樣品襯度的主要來(lái)源振幅襯度

衍射襯度：晶體樣品襯度的主要來(lái)源相位襯度

現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)=

光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)為2000；

電子顯微鏡的放大倍數(shù)：可達(dá)106~107數(shù)量級(jí)。3、放大倍數(shù)現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五樣品制備

TEM樣品可分為間接樣品和直接樣品。

要求：（1）供TEM分析的樣品必須能夠讓電子束透過(guò)，通常樣品觀察區(qū)域的厚度以控制在100~200nm以內(nèi)。（2）所制得的樣品還必須具有代表性以真實(shí)反映所分析材料的某些特征。因此，樣品制備時(shí)不可影響這些特征，如已產(chǎn)生影響則必須知道影響的方式和程度。

現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五高分子微球的TEM照片“高爾夫”型微球的TEM照片現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五2.2掃描電子顯微鏡

掃描電子顯微鏡的簡(jiǎn)稱(chēng)為掃描電鏡，英文縮寫(xiě)為SEM(ScanningElectronMicroscope)。它是用細(xì)聚焦的電子束轟擊樣品表面，通過(guò)電子與樣品相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等對(duì)樣品表面或斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。現(xiàn)在SEM都與能譜（EDS）組合，一般很少帶波譜儀（WDS），可以進(jìn)行成分分析。所以，SEM也是顯微結(jié)構(gòu)分析的主要儀器，已廣泛用于材料、冶金、礦物、生物學(xué)等領(lǐng)域。現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五S-4700冷場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡電子槍聚光鏡物鏡樣品室現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五探測(cè)系統(tǒng)

+250kv+12kv聚焦極閃爍體光光電倍增管電流放大電壓2e現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五樣品在電子束轟擊下產(chǎn)生的信號(hào)IoISEIBSEISC樣品e-X-rayLight樣品發(fā)熱掃描電鏡中的樣品現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五

入射電子與樣品相互作用后，使樣品原子較外層電子（價(jià)帶或?qū)щ娮樱╇婋x產(chǎn)生的電子，稱(chēng)二次電子。

二次電子能量比較低，習(xí)慣上把能量小于50eV電子統(tǒng)稱(chēng)為二次電子，僅在樣品表面5nm－10nm的深度內(nèi)才能逸出表面，這是二次電子分辨率高的重要原因之一。

掃描電鏡圖象現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五1、二次電子象

二次電子象是表面形貌襯度，它是利用對(duì)樣品表面形貌變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)節(jié)信號(hào)得到的一種象襯度。因?yàn)槎坞娮有盘?hào)主要來(lái)處樣品表層5－10nm的深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒(méi)有明確的關(guān)系，便對(duì)微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束的方向卻十分敏感，二次電子像分辨率比較高，所以適用于顯示形貌襯度。注意在掃描電鏡中，二次電子檢測(cè)器一般是裝在入射電子束軸線垂直的方向上?，F(xiàn)在是28頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五2、背散射電子像

背散射電子是指入射電子與樣品相互作用(彈性和非彈性散射)之后，再次逸出樣品表面的高能電子，其能量接近于入射電子能量(E。)。

背射電子的產(chǎn)額隨樣品的原子序數(shù)增大而增加，所以背散射電子信號(hào)的強(qiáng)度與樣品的化學(xué)組成有關(guān)，即與組成樣品的各元素平均原子序數(shù)有關(guān)。現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五背散射電子的信號(hào)強(qiáng)度I與原子序數(shù)Z的關(guān)系為

式中Z為原子序數(shù)，C為百分含量(Wt%)

背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù)Z大的部位而形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度?，F(xiàn)在是30頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五MgO+SrTiO3復(fù)相陶瓷的二次電子像(a)和背散射電子像（b）

（a）二次電子像2000×（b）背散射電子像2000×（a）和（b）分別為MgO+SrTiO3復(fù)相陶瓷在同一個(gè)微區(qū)的二次電子像和背散射電子像，二次電子像形貌很難分辨出MgO和SrTiO3相的亮度差別，而背散射電子像中可以明顯的分辯出MgO相（灰色）和SrTiO3相（白色）?，F(xiàn)在是31頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五

掃描電鏡樣品的處理和制備化學(xué)刻蝕法離子刻蝕法金屬涂層法現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五金屬涂層法

應(yīng)用對(duì)象是導(dǎo)電性較差的樣品，如高聚物材料，在進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀察之前必須使樣品表面蒸發(fā)一層導(dǎo)電體，目的在于消除荷電現(xiàn)象利提高樣品表面二次電子的激發(fā)量，并減小樣品的輻照損傷，金屬涂層法包括真空蒸發(fā)鍍膜法和離子濺射濁。

應(yīng)用對(duì)象是包含合晶相和非晶相兩個(gè)組成部分的樣品。它是利用離子轟擊樣品表而時(shí)，由于兩相被離子作用的程度不同，而暴露出晶區(qū)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。離子刻蝕現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五化學(xué)刻蝕法

應(yīng)用對(duì)象同于離子刻蝕法，包括溶劑和酸刻蝕兩種方法。酸刻蝕是利用某些氧化性較強(qiáng)的溶液，如發(fā)煙硝酸、高錳酸鉀等處理樣品表面，使其個(gè)一相氧化斷鏈而溶解，而暴露出晶相的結(jié)構(gòu)。溶劑刻蝕是用某些溶劑選擇溶解高聚物材料中的一個(gè)相，而暴露出另一相的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在是34頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五微區(qū)定性和定量分析

與常規(guī)的定性、定量分析方法不同的是，掃描電子顯微鏡系統(tǒng)是在微觀形貌觀測(cè)的基礎(chǔ)上，針對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行特定的定性或定量分析。掃描電子顯微鏡的工作內(nèi)容微區(qū)形貌觀測(cè)①二次電子像可得到物質(zhì)表面形貌反差的信息，即微觀形貌像。②背反射電子像可得到不同區(qū)域內(nèi)平均原子序數(shù)差別的信息，即組成分布像。③X射線元素分布像可得到樣品表面元素及其X射線強(qiáng)度變化的分布圖像?，F(xiàn)在是35頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五一種(上圖)抗氧化能力較差(國(guó)內(nèi))；另一種(下圖)抗氧化能力較強(qiáng)(國(guó)外)兩者的微雙形態(tài)呈明顯的不同氯化亞銅微觀形態(tài)的觀測(cè)掃描電子顯微鏡的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五在18900倍下對(duì)PVC糊樹(shù)脂近行觀測(cè)應(yīng)用實(shí)例

在26000倍下觀測(cè)碳酸鈣粉末現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五納米聚合物顆粒的形貌觀察現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有40頁(yè)\編輯于星期五2.3電子探針（AFM）

當(dāng)探針與樣品表面間距小到納米級(jí)時(shí)，按照近代量子力學(xué)的觀點(diǎn)，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子具有特殊的作用力，并且該作用力隨著距離的變化非常顯著。當(dāng)探針在樣品表面來(lái)回掃描的過(guò)程中，順著樣品表面的形狀而上下移動(dòng)。獨(dú)特的反饋系統(tǒng)始終保持探針的力和高度恒定，一束激光從懸臂梁上反射到感知器