電子顯微分析物理基礎(chǔ)

第二章電子顯微分析

物理基礎(chǔ)

2學(xué)時(shí)透射電鏡4學(xué)時(shí)掃描電鏡2學(xué)時(shí)1第一頁，共65頁。第一頁，共65頁。電子束分析物理基礎(chǔ)目錄歷史背景電子產(chǎn)生---電子槍電子控制：電子光學(xué)電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用電子探測2第二頁，共65頁。第二頁，共65頁。電子發(fā)現(xiàn)1897-99年，J.J.湯姆生發(fā)現(xiàn)電子：1897測量陰極射線荷質(zhì)比，判定陰極射線的微粒要比普通分子原子小得多。光電效應(yīng)是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，但光電流的本質(zhì)未知。1899年，J.J.湯姆生用磁場偏轉(zhuǎn)法測光電流的荷質(zhì)比。熱電發(fā)射效應(yīng)是1884年愛迪生（T.Edison）發(fā)現(xiàn)。1899年，J.J.湯姆生同樣用磁場截止法測其荷質(zhì)比。β射線是1898年盧瑟福（E.Rutherford）發(fā)現(xiàn)，貝克勒爾用磁場和電場偏轉(zhuǎn)法測得β射線的荷質(zhì)比。J.J.湯姆生判斷：它們同樣的帶電粒子，這種帶電粒子比原子小千倍，是原子的組成部分，是物質(zhì)的更基本的單元。3第三頁，共65頁。第三頁，共65頁?；仡檮诎５墓适聞诎５闹R背景：理論物理：光學(xué)，輻射，X射線等，堅(jiān)信原子論。勞埃設(shè)想X射線是波而且波長非常短；勞埃進(jìn)一步設(shè)想晶體作為光柵（點(diǎn)陣常數(shù)為光柵常數(shù)），必定發(fā)生衍射。在勞埃的鼓勵(lì)下，索末菲的助教弗里德利和倫琴的博士生尼平在1912年4月實(shí)施了著名的晶體衍射實(shí)驗(yàn)，觀察到了有序衍射斑點(diǎn)。勞埃推導(dǎo)了勞埃方程，做出了該科學(xué)發(fā)現(xiàn)。4第四頁，共65頁。第四頁，共65頁。

科學(xué)思想、思路idea

閱讀文獻(xiàn)形成基本認(rèn)識提出關(guān)鍵的假設(shè)：科學(xué)思想、idea設(shè)計(jì)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)做出科學(xué)解釋既科學(xué)發(fā)現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)/科學(xué)研究的基本方法步驟

科學(xué)發(fā)現(xiàn)/科學(xué)研究中什么最重要？

5第五頁，共65頁。第五頁，共65頁。電子相關(guān)知識傳承1897-99年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1925年，德布羅意提出電子的波動(dòng)性。1927年，電子衍射實(shí)驗(yàn)證明了電子波動(dòng)性。測定比荷e/m實(shí)驗(yàn)裝置1906

電子的質(zhì)量9.10938215(45)×10-31kg，或5.4857990943(23)×10-4amu

1929Bell實(shí)驗(yàn)室戴維森-革末實(shí)驗(yàn)

1937UniversityofAberdeen喬治湯姆遜6第六頁，共65頁。第六頁，共65頁。電子的波長7第七頁，共65頁。第七頁，共65頁。顯微鏡光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡掃描探針顯微鏡超分辨光學(xué)顯微鏡8第八頁，共65頁。第八頁，共65頁。1931年魯斯卡發(fā)明創(chuàng)制了第一臺透射電子顯微鏡，并拍攝了金和銅的表面圖像，其放大倍數(shù)17倍。1939年，西門子公司生產(chǎn)出分辨本領(lǐng)優(yōu)于10nm的商品電子顯微鏡20世紀(jì)60年代開始超高壓TEM。1935年德國人Knoll提出掃描電鏡原理。1965年商用掃描電鏡1986電子顯微鏡9第九頁，共65頁。第九頁，共65頁。目錄歷史背景電子產(chǎn)生---電子槍電子光學(xué)

電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用探測器10第十頁，共65頁。第十頁，共65頁。電子產(chǎn)生熱激發(fā)電子場激發(fā)電子,陰極射線熱電子和場電子主要用于電鏡的電子源光（激發(fā)）電子光電子主要用于光電子分析的探測信號電子激發(fā)電子詳見電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用11第十一頁，共65頁。第十一頁，共65頁。熱電子電子槍加熱燈絲(W燈絲)或晶體(LaB6),在燈絲尖端產(chǎn)生電子云使用帶有光闌的陽極吸引電子,并加速,形成電子束特征:電子云直徑(發(fā)射源直徑)大,需要大的聚焦電子能量分布(色差)較大低加速電壓時(shí),光闌遮擋了大量電子,有效束流很小Cross-over陰極陽極W絲或LaB612第十二頁，共65頁。第十二頁，共65頁。晶體(LaB6)燈絲熱發(fā)射電子槍13第十三頁，共65頁。第十三頁，共65頁。場發(fā)射電子槍使用強(qiáng)電場直接將電子從燈絲尖端拉出特征:發(fā)射源直徑即燈絲尖端直徑,比W燈絲小103量級.電子能量分布(色差)非常小.電子束亮度大,比W燈絲大103量級.因此可以實(shí)現(xiàn)更小的成象束斑和低加速電壓下成象.W/ZrO2發(fā)射極陽極(提取極)抑制極真實(shí)電子源14第十四頁，共65頁。第十四頁，共65頁。場發(fā)射電子槍冷場發(fā)射槍：陰極為單晶鎢絲，尖端半徑約100nm，陰極尖附近的電場可達(dá)103V/um,不必加熱可發(fā)射電子。Schottky（肖特基）場發(fā)射電子槍：陰極為ZrO/W，工作時(shí)需要加熱到1800K。15第十五頁，共65頁。第十五頁，共65頁。電子槍特性比較燈絲材料 鎢絲 LaB6晶體 鎢絲 鎢絲表面鍍ZrO2工作溫度 2700K 2000K 300K 1800K尖端半徑 ~100um ~10um <0.1um ~0.5um(虛擬)發(fā)射源直徑 ~104nm ~104nm ~3nm ~20nm陽極電場 很小 <104V/cm 107~108V/cm 106~107V/cm W燈絲 LaB6燈絲 冷場 Schottky16第十六頁，共65頁。第十六頁，共65頁。電子槍特性比較亮度 <105 <106 107~109 5x1081nm束斑電流 0.1pA 1pA 100~1000pA 500pA最大束流 1000nA 1000nA 3nA 300nA能量分辨率(最小) 1.5eV 0.8eV 0.26eV 0.30eV能量分辨率(3nA束流) 2.0eV 1.0eV 0.7eV 0.5eVFlashing Never Never EveryfewHours Never W燈絲 LaB6燈絲 冷場 Schottky17第十七頁，共65頁。第十七頁，共65頁。目錄歷史背景電子產(chǎn)生---電子槍電子控制：電子光學(xué)電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用探測器18第十八頁，共65頁。第十八頁，共65頁。幾何光學(xué)透鏡使光線聚焦旋轉(zhuǎn)對稱面焦點(diǎn)、焦距、物距、像距電子光學(xué)電磁透鏡（電場和磁場）旋轉(zhuǎn)對稱的電場或磁場產(chǎn)生的等位面焦點(diǎn)、焦距、物距、像距聚焦折射面光學(xué)參量19第十九頁，共65頁。第十九頁，共65頁。電子在靜電場中的運(yùn)動(dòng)電場對電子作用力的方向總是沿著電子所處的等電位面的法線，從低電位指向高電位電子沿等電位面切線方向電場力的分量為零，即

v1sin

=v2sin電子在等電位面的折射B等電位面AV1V2v1v2電場中等電位面是對電子折射率相同的表面20第二十頁，共65頁。第二十頁，共65頁。電子在靜電場中的運(yùn)動(dòng)因?yàn)椋簐=(2eV/m)1/2v1sin

=v2sin所以有：sin/sin

=(V2/V1)1/2=nn—折射率當(dāng)電子由低電位區(qū)進(jìn)入高電位區(qū)時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)軌跡趨向于法線21第二十一頁，共65頁。第二十一頁，共65頁。靜電透鏡Electrostaticlens靜電透鏡：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對稱的等電位面簇的裝置它可使電子束聚焦成像有二極式、三極式22第二十二頁，共65頁。第二十二頁，共65頁。靜電透鏡的特點(diǎn)不總是會聚透鏡需要很強(qiáng)的電場，在鏡筒中易導(dǎo)致?lián)舸┖突」夥烹娊咕嗖荒芴淘陔娮语@微鏡中，用于電子槍中使電子束會聚23第二十三頁，共65頁。第二十三頁，共65頁。電子在磁場中的運(yùn)動(dòng)電荷在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)受到磁場的作用力洛侖茲力

F=qv×B

V與B同向，F(xiàn)為0，電子作勻速運(yùn)動(dòng)V與B垂直，電子運(yùn)動(dòng)速度的大小不變，只改變方向，電子在與磁場垂直的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)V與B斜交成一定角度時(shí)，電子的軌跡是一螺旋線24第二十四頁，共65頁。第二十四頁，共65頁。磁透鏡Magneticlens旋轉(zhuǎn)對稱的磁場對電子束有聚焦成像作用。電子光學(xué)系統(tǒng)中，用于使電子束聚焦的磁場是非勻強(qiáng)磁場，其等磁位面形狀與靜電透鏡的等電位面或光學(xué)玻璃透鏡的界面相似磁透鏡：產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)對稱磁場的線圈裝置短線圈：簡單磁透鏡，磁場強(qiáng)度小，焦距長，物與像都在場外包殼磁透鏡：環(huán)狀間隙處有較強(qiáng)的磁場極靴磁透鏡（電鏡中使用）：極靴附近磁場很強(qiáng)，對電子的折射能力大，透鏡焦距短25第二十五頁，共65頁。第二十五頁，共65頁。電子穿過透鏡磁場時(shí)，速度不變，方向連續(xù)偏轉(zhuǎn)，形成復(fù)雜的空間軌道－－圓錐螺旋近軸運(yùn)動(dòng)。26第二十六頁，共65頁。第二十六頁，共65頁。磁透鏡的特點(diǎn)分辯本領(lǐng)大場深（景深）大焦深長焦距總是正的，總是會聚透鏡改變激磁電流，焦距和放大倍數(shù)變化，因此，磁透鏡是可變焦距或可變放大倍率的會聚透鏡27第二十七頁，共65頁。第二十七頁，共65頁。磁透鏡的焦距和放大倍數(shù)磁透鏡的物距(objectdistance)、像距(Imagedistance)、焦距(Focallength）、放大倍數(shù)（Magnification）之間的關(guān)系為：磁透鏡的焦距式中：k－常數(shù)V－加速電壓

(IN)－安匝數(shù)I－通過線圈導(dǎo)線的電流，

N－線圈每cm長度的圈數(shù)28第二十八頁，共65頁。第二十八頁，共65頁。磁透鏡和靜電透鏡比較磁透鏡靜電透鏡1.改變線圈中的電流可方便控制焦距和放大率；2.無擊穿，供給磁透鏡線圈的電壓為60-100V；3.像差小。1.需改變很高的加速V才可改變焦距和放大率；2.靜電透鏡需數(shù)萬伏電壓，常會引起擊穿；3.像差較大。29第二十九頁，共65頁。第二十九頁，共65頁。像差A(yù)berration由于電磁透鏡并不完全滿足理想的成像條件，從物面上一點(diǎn)散射出的電子束并不一定全部會聚在一點(diǎn)，或者物面上的各點(diǎn)并不按比例成像于同一平面內(nèi)，結(jié)果圖像模糊不清，或者與原有的幾何形狀不完全相似，這種現(xiàn)象稱為像差30第三十頁，共65頁。第三十頁，共65頁。磁透鏡的主要像差球差(Sphericalaberration)

由于近軸區(qū)和遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力不同造成玻璃光學(xué)來說：因?yàn)橥哥R是球面而無法理想聚焦，由于凹凸鏡球差性質(zhì)相反，可以組合消除球差。電磁透鏡用縮小光闌色差(Chromaticaberration)由于成像電子的波長（能量）不同引起的一種像差組合不同的焦距的透鏡來減小色差，改變電流軸上像散

(Axialastigmatism)

由于磁透鏡不是理想的旋轉(zhuǎn)對稱的磁場引起的像差縮小光闌31第三十一頁，共65頁。第三十一頁，共65頁。32第三十二頁，共65頁。第三十二頁，共65頁。電磁透鏡的場深（景深）和焦深（焦長）理想情況下，只有物平面和焦平面場深（景深,Depthoffield）在不影響透鏡的成像分辨率的前提下，物平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離反映了試樣可在物平面上、下沿透鏡軸移動(dòng)的距離焦深(Depthoffocus)在不影響透鏡的成像分辨率的前提下，像平面可沿透鏡軸移動(dòng)的距離反映了觀察屏或照相底板可在像平面上、下沿透鏡軸移動(dòng)的距離33第三十三頁，共65頁。第三十三頁，共65頁。34第三十四頁，共65頁。第三十四頁，共65頁。高景深大焦長的優(yōu)點(diǎn)對于一定的光源來講，孔徑半角越小，景深越大；對于電磁透鏡來講，α都很小，一般為10-2~10-3rad，所以電磁透鏡的景深很大，為Df=(200~2000)Δr0；如果電磁透鏡的分辨本領(lǐng)是0.1nm，景深20~200nm。電磁透鏡的景深大，對于圖像的記錄是非常有利的。同理，電磁透鏡的焦深大，對于圖像的聚焦操作（尤其是高放大倍數(shù)下）是非常有利的。35第三十五頁，共65頁。第三十五頁，共65頁。目錄歷史背景電子產(chǎn)生---電子槍電子控制：電子光學(xué)電子與固態(tài)物質(zhì)的相互作用探測器36第三十六頁，共65頁。第三十六頁，共65頁。電子與物質(zhì)作用產(chǎn)生的各種信號二次電子俄歇電子特征能量損失電子X射線背散射電子透射電子吸收電子等等37第三十七頁，共65頁。第三十七頁，共65頁。38第三十八頁，共65頁。第三十八頁，共65頁。電子散射electronscattering當(dāng)一束聚焦電子沿一定方向射入試樣內(nèi)時(shí)，在原子的庫侖電場作用下，入射電子方向或者速度改變，稱為散射Scattering原子對電子的散射分為：彈性散射(Elasticscattering)：電子只改變方向，能量基本不變非彈性散射(Inelasticscattering)：方向改變，能量減小39第三十九頁，共65頁。第三十九頁，共65頁。電子散射electronscattering原子對電子的散射分為：原子核對電子的彈性散射彈性散射電子的能量等于或接近入射電子的能量，是透射電鏡中成像和衍射的基礎(chǔ)原子核對電子的非彈性散射能量損失轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，無特征波長，形成連續(xù)輻射，影響分析的靈敏度和準(zhǔn)確度核外電子對電子的非彈性散射單電子激發(fā)、等離子激發(fā)、聲子激發(fā)，躍遷40第四十頁，共65頁。第四十頁，共65頁。單電子激發(fā)-二次電子入射電子和原子的核外電子碰撞，將核外電子激發(fā)到空能級或脫離原子核成為二次電子，這種單電子激發(fā)的過程又稱為電離入射電子在試樣內(nèi)產(chǎn)生二次電子是一個(gè)級聯(lián)過程。一個(gè)能量為20KeV的入射電子在硅中可產(chǎn)生約3000個(gè)二次電子，但并不是所有的二次電子都能逸出樣品表面41第四十一頁，共65頁。第四十一頁，共65頁。單電子激發(fā)-二次電子二次電子（SecondaryElectron，SE）的特點(diǎn)能量較低，小于50eV僅在試樣表面10nm層內(nèi)產(chǎn)生逸出時(shí)需克服幾個(gè)eV的逸出功對試樣的表面狀態(tài)非常敏感，顯示表面微區(qū)的形貌結(jié)構(gòu)非常有效SEM中的主要成像信號42第四十二頁，共65頁。第四十二頁，共65頁。等離子激發(fā)plasmaexciatiaon晶體是處于點(diǎn)陣固定位置的正離子和彌散在整個(gè)空間的價(jià)電子云組成的電中性體，因此，可以把晶體看作是等離子體入射電子會引起價(jià)電子的集體震蕩入射電子經(jīng)過晶體時(shí)，其路徑旁的價(jià)電子受斥作徑向發(fā)散運(yùn)動(dòng)，在路經(jīng)附近產(chǎn)生帶正電的區(qū)域及較遠(yuǎn)處的帶負(fù)電區(qū)域43第四十三頁，共65頁。第四十三頁，共65頁。等離子激發(fā)-特征能量損失電子等離子振蕩的波長較長，一般超過100nm，價(jià)電子集體振蕩的能量是量子化的,約十幾eV入射電子激發(fā)等離子后損失能量△

E，△E隨不同元素及成分而異，為特征能量損失，損失能量后的電子稱為特征能量損失電子。元素BeMgAlGeCSiMgO△EpeV19.010.515.616.57.51710.544第四十四頁，共65頁。第四十四頁，共65頁。等離子激發(fā)在TEM中，可以用能量分析器把具有不同能量的透射電子分開，得到電子能量損失譜（ElectronEnergyLossSpectroscopy,EELS）

，進(jìn)行成分分析；也可選擇有特征能量的電子成像45第四十五頁，共65頁。第四十五頁，共65頁。聲子激發(fā)(Phononexcitation）

電子入射進(jìn)入晶體時(shí)，引起一個(gè)或多個(gè)被碰撞的原子或離子反沖，導(dǎo)致晶格的局部振動(dòng)。入射電子會損失部分能量（很小，約零點(diǎn)幾個(gè)eV）。當(dāng)晶格回復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)，以聲子發(fā)射的形式將能量釋放出來，這種現(xiàn)象稱為聲子激發(fā)入射電子與晶格的作用可以看作是電子激發(fā)聲子或吸收聲子的碰撞過程，碰撞后入射電子的能量變化甚微，但動(dòng)量改變可以相當(dāng)大，可以發(fā)生大角度的散射.46第四十六頁，共65頁。第四十六頁，共65頁。躍遷（Transition）內(nèi)層電子被運(yùn)動(dòng)的電子轟擊脫離了原子后，原子處于高度激發(fā)態(tài)，它將躍遷到能量較低的狀態(tài)。可以是輻射躍遷（特征X射線發(fā)射，陰極射線熒光），也可以是非輻射躍遷（俄歇電子發(fā)射）。47第四十七頁，共65頁。第四十七頁，共65頁。背散射電子Back-ScatteredElectronBSE定義電子射入試樣后，受到原子的彈性和非彈性散射，有部分電子的總散射角大于90°,重新從試樣表面逸出，稱為背散射電子，這個(gè)過程稱為背散射48第四十八頁，共65頁。第四十八頁，共65頁。背散射電子BSE彈性背散射電子、單次非彈性散射電子、多次非彈性散射電子49第四十九頁，共65頁。第四十九頁，共65頁。背散射電子BSE因能量探測器只能區(qū)分不同能量的電子，所以，習(xí)慣上把能量低于50eV的電子稱為二次電子，能量大于50eV的電子歸為背散射電子在掃描電鏡和電子探針儀(EMPA)中可應(yīng)用背散射電子成像，稱為背散射電子像（Back-ScatteredElectronImage，BEI），利用二次電子成像，稱為二次電子像（SecondElectronImage,SEI)50第五十頁，共65頁。第五十頁，共65頁。背散射電子產(chǎn)額(yield)背散射電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增大而增大51第五十一頁，共65頁。第五十一頁，共65頁。BEI的特點(diǎn)襯度與成分密切相關(guān)，可進(jìn)行成分的定性、定量分析BEI的分辨率較低52第五十二頁，共65頁。第五十二頁，共65頁。BEISEISEI和BEI比較SEI具有高的分辨率53第五十三頁，共65頁。第五十三頁，共65頁。透射電子Transmittedelectron

當(dāng)試樣厚度小于入射電子的穿透深度時(shí)，入射電子將穿透試樣，從另一表面射出，成為透射電子透射電子主要是彈性散射電子透射電子是透射電子顯微鏡（TEM）的成像信號54第五十四頁，共65頁。第五十四頁，共65頁。吸收電子(Absorbedelectron)入射電子經(jīng)多次非彈性散射后能量損失殆盡，不再產(chǎn)生其它效應(yīng)，一般稱為被試樣吸收，這種電子稱為吸收電子試樣的厚度越大，密度越大，原子序數(shù)越大，吸收電子越多，吸收電流就越大55第五十五頁，共65頁。第五十五頁，共65頁。56第五十六頁，共65頁。第五十六頁，共65頁。電子與物質(zhì)的相互作用體積入射電子射入試樣后經(jīng)多次的散射后完全失掉方向性，向各個(gè)方向散射的幾率相同，稱為擴(kuò)散或漫散射。電子與物質(zhì)的相互作用有一定的體積范圍，此范圍稱為相互作用體積(Interactionvolume)

57第五十七頁，共65頁。第五十七頁，共65頁。58第五十八頁，共65頁。第五十八頁，共65頁。電子與物質(zhì)的相互作用體積對于輕元素，相