材料導(dǎo)論第八章

新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院材料教研室Xinjiang

university材料分析測(cè)試方法新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室第八章掃描電鏡掃描電鏡工作原理、構(gòu)造和性能掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用波譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理電子探針?lè)治龇椒拔^(qū)成分分析技術(shù)OUTLINE新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡的歷史1935年,法國(guó)的卡諾爾提出掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想和工作原理。1942年,劍橋大學(xué)的馬倫首次制成世界第一臺(tái)掃描電鏡。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室Specimen

Chamber新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡照片展示注射針頭的掃描電鏡照片新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡照片展示新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室

不同倍率的果蠅掃描電鏡照片掃描電鏡照片展示可以用計(jì)算機(jī)將黑白照片處理成彩色新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡照片展示肺細(xì)支氣管粘膜杯狀細(xì)胞和纖毛細(xì)胞掃描電鏡照片新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡照片展示紅血球新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡照片展示培養(yǎng)細(xì)胞新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡的特點(diǎn)高分辨率新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡的特點(diǎn)很強(qiáng)的立體感新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡的特點(diǎn)放大倍率范圍廣新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡的特點(diǎn)樣品適應(yīng)性大應(yīng)用范圍廣新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室SEM

&法醫(yī)新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室SEM

&

science新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室

掃描電鏡能譜儀在涉槍案件中應(yīng)用的研究,山東公安叢刊,1996,3:57-58

微量金屬物證的掃描電鏡X射線能譜檢驗(yàn),刑事技術(shù),1997,4:16-17

掃描電鏡能譜儀在鎖具檢驗(yàn)中應(yīng)用的研究,刑事技術(shù),1999,5:25-26

導(dǎo)線物證的掃描電鏡及能譜鑒定方法,理化檢驗(yàn),2002,38(5):222-223

人發(fā)的掃描電鏡觀察及微量元素特征人發(fā)的掃描電鏡觀察及微量元素特征，電子顯●新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡（SEM）－食鹽的融化和結(jié)晶6.7Mbar(dry)17Mbar

16.6MbarDanilatos,

G.D.

(1986)

Environmental

scanning

electron

microscopy

in

colour.

J.

Microsc.16.9Mbar

6Mbar(dry)水蒸汽環(huán)境325.新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室

1電子槍發(fā)射出來(lái)的陰極電子經(jīng)聚焦后成為直徑為50um的點(diǎn)光源，并會(huì)聚成孔徑角較小，束斑為5-10um的電子束，在試樣表面聚焦。

2在末級(jí)透鏡上邊的掃描線圈作用下，電子束在試樣表面掃描。

3高能電子束與樣品物質(zhì)相互作用產(chǎn)生SE，BE，X射線等信號(hào)。這些信號(hào)分別被不同的接收器接收而成像。換言之，掃描電鏡是采用類(lèi)似電視機(jī)原理新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.1.1掃描電鏡工作基本原理電子與物質(zhì)相互作用新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室??新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室?1、電子光學(xué)系統(tǒng)<1>電子槍：作用是利用陰極與陽(yáng)極燈絲間的高壓產(chǎn)生高能量的電子束。目前大多數(shù)掃描電鏡采用熱陰極電子槍。<2>電磁透鏡：作用主要是把電子槍的斑。在樣品表面上和熒光屏上的同步掃描信號(hào)。8.1.2

掃描電鏡的主要結(jié)構(gòu)2、信號(hào)檢測(cè)，收集束和顯斑示逐放大漸系統(tǒng)縮小，是原來(lái)直徑約為50

nm作用是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生的物理信號(hào)，然后經(jīng)視頻放大作為顯像系統(tǒng)的調(diào)制信號(hào)。包的括二束次電斑子縮和背小反射成電子一收集個(gè)器，只顯有示系數(shù)統(tǒng)，u吸m收的電子細(xì)檢小測(cè)器束，X射線檢測(cè)器。3、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)作用是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作，防止樣品污染提供高的真空度。電源系統(tǒng)由?穩(wěn)壓，穩(wěn)流及相應(yīng)<的3安>掃全保描護(hù)電線路所圈組成：，其作作用用是是提供提掃描供電鏡入各射部分電所需子穩(wěn)定束電源。1、電子光學(xué)系統(tǒng)新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室2、信號(hào)檢測(cè)放大系統(tǒng)3、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)1、放大倍數(shù)

由于掃描電鏡的熒光屏尺寸是固定不變的，因此，放大倍率的變化是通過(guò)改變電子束在試樣表面的掃描幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。M=l/L

l:熒光屏長(zhǎng)度；L電子束在試樣上掃過(guò)的長(zhǎng)度?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)L來(lái)改變放大倍數(shù)。

如果減少掃描線圈的電流，電子束在試樣上的掃描幅度將減小，放大倍數(shù)將增大。調(diào)新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.1.3掃描電鏡的主要性能景深是指一個(gè)透鏡對(duì)高低不平的試樣各部位能同時(shí)聚焦成像的一個(gè)能力范圍。掃描電鏡的末級(jí)透鏡采用小孔徑角，長(zhǎng)焦距，所以可以獲得很大的景深。一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍，比透射電鏡的景深大10倍。，立體感強(qiáng)，形態(tài)逼真是SEM別適用于粗糙樣品表面的觀的突出

察和分析景深大特點(diǎn)，特。2、景深新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室分辨率是掃描電鏡的主要性能指標(biāo)之一。

對(duì)微區(qū)成分分析而言，它是指能分析的最小區(qū)域；

對(duì)成像而言，它是指能分辨兩點(diǎn)之間的最小距離；

分辨率大小由入射電子束直徑和調(diào)制信號(hào)類(lèi)型共同決定：電子束直徑越小，分辨率越高。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室3、分辨率?新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室??

1有較高的放大倍數(shù)，20-20萬(wàn)倍之間連續(xù)可調(diào)；有很大的景深，視野大，成像富有立體感，可直接觀察各種試樣凹凸不平表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)；試樣制備簡(jiǎn)單；可同時(shí)進(jìn)行顯微形貌觀察和微區(qū)成分分析。掃描電鏡的優(yōu)點(diǎn):項(xiàng)目掃描電鏡透射電鏡分辨本領(lǐng)70～100

?2

?放大倍數(shù)20～40萬(wàn)倍100萬(wàn)倍加速電壓1～50

KV幾十千伏～幾百千伏圖像特點(diǎn)景深長(zhǎng)、三維立體結(jié)構(gòu)景深小、兩維平面結(jié)構(gòu)樣品制備固定-脫水-臨界點(diǎn)干燥-噴涂金屬固定-脫水-包埋-超薄切片-重金屬染色樣品尺寸1cm350～100nm切片樣品損傷光斑直徑只有幾十埃的電子束在樣品上掃描，對(duì)樣品損傷極小大約1μm直徑電子束打到樣品上，造成一定程度損傷樣品成信號(hào)二次電子、背散射電子透射電子放大倍數(shù)調(diào)節(jié)用衰減器改變掃描線圈電流，進(jìn)行放大率調(diào)節(jié)調(diào)整中間鏡電流改變放大率決定分辨率因素入射電子束直徑?jīng)Q定圖像分辨率。

加速電壓、透鏡縮小率、電源穩(wěn)定度及像差決定電子束斑直徑加速電壓、電源穩(wěn)定度、像差、樣品厚度等影響分辨率新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡和透射電鏡比較(一)能夠直接觀察樣品表面的結(jié)構(gòu)，樣品的尺寸可大至120mm×80mm×50mm。(二)樣品制備過(guò)程簡(jiǎn)單，不用切成薄片。(三)樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉(zhuǎn)，因此，可以從各種角度對(duì)樣品進(jìn)行觀察。(四)景深大，圖象富有立體感。掃描電鏡的景深較光學(xué)顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。(五)圖象的放大范圍廣，分辨率也比較高。可放大十幾倍到幾十萬(wàn)倍，它基本上包括了從放大鏡、光學(xué)顯微鏡直到透射電鏡的放大范圍。分辨率介于光學(xué)顯微鏡與透射電鏡之間，可達(dá)1nm。(六)電子束對(duì)樣品的損傷與污染程度較小。(七)觀察形貌的同時(shí)，還可利用從樣品發(fā)出的其他信號(hào)作微區(qū)成分分析。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室掃描電鏡和光學(xué)顯微鏡及透射電鏡的區(qū)別SEM所取得的迅速發(fā)展表明，儀器本身性能（如分辨力、多功能等）的不斷提高固然重要，但樣品制備技術(shù)的改良和日趨完善，則對(duì)SEM的應(yīng)用與發(fā)展確實(shí)起到了積極促進(jìn)作用。同時(shí)，樣品制備的質(zhì)量如何，也是能否發(fā)揮SEM儀器最佳性能、拍出理想圖像照片的關(guān)鍵所在。因此，SEM生物樣品制備技術(shù)問(wèn)題，一直是電鏡工作者不斷創(chuàng)新的一個(gè)重要領(lǐng)域。生物樣品制備的基本操作程序新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.1.4掃描電鏡的樣品制備生物樣品的導(dǎo)電處理新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室生物樣品尤其是經(jīng)干燥處理的樣品,其表面電阻率很高,導(dǎo)電性能很差,當(dāng)接受電子束照射時(shí),易造成充電和放電效應(yīng),以至圖像模糊不清。此外生物樣品元素成分原子序數(shù)低,二次電子發(fā)射率低,也難得到反差適當(dāng)?shù)膱D像,為增加導(dǎo)電性能,提高二次電子發(fā)射率,必須對(duì)樣品進(jìn)行導(dǎo)電處理。掃描電鏡樣品可以是塊狀，也可以是粉末；樣品或樣品表面要求有良好的導(dǎo)電性，對(duì)于導(dǎo)電性差或不導(dǎo)電的樣品，需真空鍍膜（鍍金）。專用掃描電鏡，其樣品尺寸可以比較大：

25mm

20mm。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.2掃描電鏡在材料研究中的應(yīng)用新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室1、斷口分析2、高倍金相組織觀察與分析3、斷裂過(guò)程的動(dòng)態(tài)研究8.2.1表面形貌襯度及其應(yīng)用表面形貌襯度表面形貌襯度是利用二次電子信號(hào)而得到的一種像襯度。由于二次電子信號(hào)主要來(lái)自樣品表層5-10nm深度范圍，它的強(qiáng)度與原子序數(shù)沒(méi)有明確的關(guān)系，而僅對(duì)微區(qū)刻面相對(duì)于入射電子束的位向十分敏感，且二次電子像分辨率比較高，所以特別適用于顯示形貌襯度。8.2.2原子序數(shù)襯度及其應(yīng)用原子序數(shù)襯度又稱為化學(xué)成分襯度，它是利用對(duì)樣品微區(qū)原子序數(shù)或化學(xué)成分變化敏感的物理信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)得到的一種顯示微區(qū)化學(xué)成分差別的像襯度。這些信號(hào)主要有背散射電子、吸收電子和特征X射線等。（1）背散射電子像襯度新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室背散射系數(shù)隨原子序數(shù)變化趨勢(shì)（2）吸收電子像襯度新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室Morphology新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室聲化學(xué)法合成的硒Se納米線39新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室水熱法所得Se納（微）米棒40新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室溶劑熱和低溫液相法制得的Se微/納米管41新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室抗壞血酸為還原劑制備Se納米線42新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室抗壞血酸為還原劑制備Te納米線43新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室44水熱法制備的Cu2O納米晶新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室取向碳納米管陣列膜形貌的SEM照片新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室

波譜儀是電子探針的重要組成部分，電子探針激發(fā)出各個(gè)元素的特征x射線。波譜儀利用晶體衍射把不同波長(zhǎng)的X射線分開(kāi)，不同波長(zhǎng)的X射線將在各自滿足布拉格方程的2θ方向上被檢測(cè)器接收。8.3波譜儀WDS結(jié)構(gòu)及工作原理Wavelength

Dispersive

Spectrometer波譜儀的特點(diǎn)：波長(zhǎng)分辨率很高X射線利用率很低波譜儀不適于束流低、x射線弱的情況下使用新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室在波譜儀中，x射線信號(hào)來(lái)自樣品表層的一個(gè)極小的體積，可將其看作點(diǎn)光源，由此點(diǎn)光源發(fā)射的x射線是發(fā)散的，能夠到達(dá)分光晶體表面，只是其中極小的一部分，信號(hào)很微弱增強(qiáng)信號(hào)采取措施：-----聚焦圓晶面彎曲把分光晶體的衍射晶面彎成曲率半徑等于2R(R為羅蘭圓半徑)的曲面--晶體內(nèi)表面任意點(diǎn)A、B、C上接收到的X射線相對(duì)于點(diǎn)光源來(lái)說(shuō),入射角都相等表面磨制將晶體表面磨成曲率半徑等于R的曲面--這樣的布置可以便A、B、C三點(diǎn)的衍射束正好聚焦在D點(diǎn)。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.4能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理（EDS）能量色散譜儀簡(jiǎn)稱能譜儀(EDS或EDX)，是利用特征X射線能量不同來(lái)進(jìn)行成

分分析的儀器，目前已成為掃描電鏡或透射電鏡普遍應(yīng)用的附件，它與主機(jī)共用電子光學(xué)系統(tǒng)，在觀察分析樣品的表面形貌或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能譜儀可以探測(cè)到感興趣的某一微區(qū)的化學(xué)成分。1.工作原理X射線光子由鋰漂移硅Si(Li)檢測(cè)器收集，當(dāng)光子進(jìn)入檢測(cè)器后，在Si(Li)晶體內(nèi)激發(fā)出一定數(shù)目的電子—空穴對(duì)，產(chǎn)生一個(gè)空穴對(duì)的最低平均能量

，因此由一個(gè)x射線光子造成的電子—空穴對(duì)的數(shù)目N。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室EDAX能譜儀新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室JEM能譜儀能譜儀圖片新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室Si（Li）晶體厚3-5mm，直徑3-10mm，它是一個(gè)P-N結(jié)型二極管。它的前方有一個(gè)7-8μm的鈹窗，整個(gè)探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷阱內(nèi)。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室能譜儀中最關(guān)鍵的部分，決定了能譜分析元素范圍和精度。目前大多使用鋰漂移Si（Al)探測(cè)器。將接收的X射線光子變成電脈沖信號(hào)。每產(chǎn)生一對(duì)電子一空穴對(duì)，要消耗掉X光子3.8eV能量，因此每一個(gè)能量為E的入射光子產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)數(shù)目N=?E／3.8。8.4.1半導(dǎo)體脈高度分析器（探頭，MCA)多道脈沖高度分析器有一個(gè)由許多存儲(chǔ)單元（稱為通道）組成的存儲(chǔ)器。與X光子能量成正比的時(shí)鐘脈沖數(shù)按大小分別進(jìn)入不同存儲(chǔ)單元、每進(jìn)入一個(gè)時(shí)鐘脈沖數(shù)，存儲(chǔ)單元記一個(gè)光子數(shù)，因此通道地址和X光子能量成正比，而通道的計(jì)數(shù)為X光子數(shù)。最終得到以通道（能量）為橫坐標(biāo)、通道計(jì)數(shù)（強(qiáng)度）為縱坐標(biāo)的X射線能量色散譜，并顯示于顯像管熒光屏上。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室8.4.2多道脈沖高度分析器（MCA）入射x射線光子的能量越高，N就越大。利用加在晶體兩端的偏壓收集電子—空穴對(duì)．經(jīng)前置放大器轉(zhuǎn)換成電流脈沖，電流脈沖的高度取決于N的大小。電流脈沖經(jīng)主放大器轉(zhuǎn)換成電壓脈沖進(jìn)入多道脈沖高度分析器。脈沖高度分析器技高度把脈沖分類(lèi)并進(jìn)行計(jì)數(shù)，這樣就可以描出一張?zhí)卣鱴射線技能量大小分布的圖譜。上圖為含Ba硫鋁酸鹽水泥的水化產(chǎn)物照片，下側(cè)的是照片中1、2點(diǎn)的能譜成分分析圖譜新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室1、分析元素范圍能譜儀分析的元素范圍為：有Be窗口的范圍為11Na-92U。無(wú)窗或超薄窗口的為4Be-92U。2、分辨率能譜儀的分辨率是指分開(kāi)或識(shí)別相鄰兩個(gè)譜峰的能力，可用能量色散譜的譜峰半高寬來(lái)衡量，也可用ΔE/E的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。半高寬越小，表示能譜儀的分辨率越高。目前能譜儀的分辨率達(dá)到130eV左右。3、探測(cè)極限能譜儀能測(cè)出的元素最小百分濃度稱為探測(cè)極限，與分析的元素種類(lèi)、樣品的成分等有關(guān)，能譜儀的探測(cè)極限約為0.1-0.5%。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室能譜儀的主要性能指標(biāo)①分析速度快，全譜一次收集，分析一個(gè)樣品只需幾分鐘至幾十分鐘②不破壞樣品，分辨率高。③可以把樣品的成分和形貌乃至結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起進(jìn)行綜合分析能譜化學(xué)成分分析優(yōu)點(diǎn)在電鏡中看到的形貌及需要分析的區(qū)域(點(diǎn)或面)。EDS譜線實(shí)時(shí)收集的結(jié)果，縱坐標(biāo)是X射線光子的計(jì)數(shù)率CPS，橫坐標(biāo)是元素的能量值（KeV）。新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室EDS譜線收集完畢后定量計(jì)算的結(jié)果，給出了重量和原子百分比。8.5電子探針儀的分析方法及應(yīng)用新疆大學(xué)材料化學(xué)教研室四種基本方法：定點(diǎn)定性分析、線掃描分析、面掃描分析和定點(diǎn)定量分析。