固體物理實驗方法課件

電子顯微技術第一節(jié)透射電子顯微鏡2.1.1光學顯微鏡的解析度Airy斑：圖2-1兩個點光源成像時形成的Airy斑(a)Airy斑；(b)兩個Airy斑靠近到剛好能分辨的臨界距離時強度的疊加2.1.1光學顯微鏡的解析度點光源通過透鏡產(chǎn)生的Airy斑半徑R0：λ：照明光波長，n：透鏡物方介質(zhì)折射率，α：透鏡孔徑半角，M：透鏡放大倍數(shù)。兩個物點通過透鏡成像的情況：

兩個Airy斑的中心間距等於Airy斑的半徑時，可以分辨。分辨本領：

當Airy斑中心間距等於Airy斑半徑時，物平面上相應的兩個物點的間距(Δr0)定義為透鏡能分辨的最小間距，即透鏡解析度(分辨本領)。Reyleigh判據(jù)：2.1.1光學顯微鏡的解析度

對光學透鏡，當nsinα做到最大時(n1.5，α70°--

75°

)，上式簡化為2.1.1光學顯微鏡的解析度結論：

光學透鏡的分辨本領取決於照明源的波長，半波長是光學顯微鏡解析度的理論極限。人眼的分辨本領：0.2mm。2.1.1光學顯微鏡的解析度光學顯微鏡的分辨本領：0.2μm。光學顯微鏡的有效放大倍數(shù)：1000。2.1.1光學顯微鏡的解析度提高光學顯微鏡解析度的關鍵：降低照明光源的波長。紫外光(13nm~390nm)？物質(zhì)吸收！X射線？尚未有很好的能使X射線改變方向、發(fā)生折射和聚焦成像的物質(zhì)。2.1.1光學顯微鏡的解析度電子：具有短的物質(zhì)波長存在使其發(fā)生聚焦的物質(zhì)可以作為照明光源，構成電子顯微鏡。2.1.2電子波波長deBroglie:

運動的電子不僅具有粒子性，還具有波動性。電子波的波長：

(2-4)其中：h:普朗克常數(shù)，m：電子品質(zhì)，v：電子運動速度2.1.2電子波波長V和加速電源U之間的關係：其中：e：電子電荷即：

(2-5)2.1.2電子波波長將(2-5)和(2-4)式進行整理得：

(2-6)其中：c：光速電子運動速度很高時，對質(zhì)量m須進行相對論修正：2.1.2電子波波長由(2-6)式：即：加速電壓U越高，電子運動速度v越大。對應100～1000kV的加速電壓，電子波波長為0.00371nm~0.00087nm。表2-1:不同加速電壓下的電子波波長加速電壓U/kV電子波波長λ/nm加速電壓U/kV電子波波長λ/nm204060801000.008590.006010.004870.004180.0037112016020050010000.003340.002850.002510.001420.000872.1.3電磁透鏡

軸對稱的非均勻電場和磁場可以讓電子束折射，從而產(chǎn)生電子束的彙聚和發(fā)散，達到成像的目的。靜電透鏡：靜電場構成的透鏡。電磁透鏡：電磁線圈產(chǎn)生的磁場構成的透鏡。2.1.3電磁透鏡2.1.3.1靜電透鏡

將兩個同軸圓筒帶上不同的電荷(具有不同的電位)，兩圓筒之間形成一系列弧形等電位面族，散射的電子在圓筒內(nèi)運動時受電場力作用在等電位面處發(fā)生折射並彙聚於一點。圖2-2靜電透鏡結構示意圖電子運動軌跡等電位面2.1.3電磁透鏡2.1.3.1電磁透鏡圖2-3磁透鏡的聚焦原理示意圖2.1.3.1電磁透鏡電子沿線圈軸線運動時，電子運動方向與磁感應強度方向一致，電子不受力，以直線運動通過線圈。電子運動偏離軸線時，電子受磁場力作用，運動方向發(fā)生偏轉，最後彙聚在軸線上的一點。運動軌跡：圓錐螺旋曲線2.1.3.1電磁透鏡圖2-4置於軟鐵殼中的短線圈

實際電磁透鏡中為了增加磁感應強度，通常將線圈置於一個由軟磁材料製成的具有內(nèi)環(huán)形間隙的殼子中。使線圈的磁力線都集中在殼內(nèi)，磁感應強度得以加強。2.1.3.1電磁透鏡圖2-5有極靴電磁透鏡，(a)極靴組件分解；(b)有極靴電磁透鏡剖面；(c)3種情況下電磁透鏡軸向磁感應強度分佈

為了使線圈內(nèi)的磁場強度進一步加強，可以在電磁線圈內(nèi)加上一對磁性材料的錐形環(huán)，即極靴。2.1.3.1電磁透鏡不同點：光學透鏡的焦距固定不變電磁透鏡的焦距是可變的電磁透鏡成像時可應用公式：電磁透鏡焦距f的常用公式K：常數(shù)；Ur：經(jīng)相對論修正的電子加速電壓；IN：電磁透鏡的激磁安匝數(shù)。改變激磁電流可以方便地改變電磁透鏡的焦距電磁透鏡的焦距總是正值2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響當加速電壓200kV時,理論分辯率：0.00125nm實際解析度：0.45nm例：原因何在？球差像散色差2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響2.1.4.1球差圖2-6透鏡球差球差：因電磁透鏡近軸區(qū)域磁場和遠軸區(qū)域磁場對電子束的折射能力不同而產(chǎn)生。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響CS：球差係數(shù)；α：孔徑半角

球差是影響電磁透鏡解析度的主要因素，無法通過凸透鏡、凹透鏡的組合設計來補償或校正。

原先的物點由於球差的影響變成了一個半徑為△rS的漫散圓斑。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響2.1.4.2像散圖2-7像散像散：由透鏡磁場的非旋轉對稱性所引起。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響

在前後聚焦點之間有一個最佳聚焦位置，此時像平面上得到一個最小散焦斑，半徑為RA。將RA折算到物平面上得到一個半徑為△rA的散漫圓斑，△rA表示像散的大小：

橢圓磁場會使電子在不同方向上的聚焦能力出現(xiàn)差異，結果成像物點P通過透鏡後不能在像平面上聚焦成一點。

像散可以通過引入一個強度和方位可調(diào)的矯正磁場進行補償。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響2.1.4.3色差圖2-8色差色差：由於成像電子的能量不同或變化，從而在透鏡磁場中運動軌跡不同以致不能聚焦在同一點而引起。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響

不同能量的電子聚焦在不同的位置，像平面上也有一個最小的散焦斑RC。

將RC折算到物平面上，得到半徑為△rC的圓斑，△rC表示色散的大?。篊C：電磁透鏡的色差係數(shù)；△E/E：電子束的能量變化率；α：孔徑半角。2.1.4電磁透鏡的像差及其對解析度的影響小結：

像散、色差等可在設計、製造和使用過程中採取適當措施，基本加以消除。

在電磁透鏡中，球差對解析度的影響最重要，沒有一種簡便的方法能矯正它。2.1.5.1景深景深：成像時，像平面不動(像距不變)，在滿足成像清晰的前提下，物平面沿軸線前後可移動的距離。2.1.5電磁透鏡的景深和焦長圖2-9電磁透鏡景深物點位於O處：電子通過透鏡在O’處彙聚。以

O’處為像平面。物點移到A處：聚焦點由O’處移到A’處，O’

像平面上的像點變成一個散焦斑。物點移到B處：聚焦點由O’處移到B’處，O’像平面上的像點同樣變成一個散焦斑。2.1.5電磁透鏡的景深和焦長如衍射效應為主，則散焦斑半徑R0折算到物平面上的尺寸只要不大於△r0，像平面上就能成清晰的像。軸線上AB兩點間的距離Df就是景深。景深計算公式：2.1.5電磁透鏡的景深和焦長其中：△r0：透鏡解析度；α：孔徑角。如果△r0=1nm，α＝10-2~10-3rad，則Dt＝200～2000nm。一般透鏡樣品的厚度在200nm，所以整個樣品厚度範圍內(nèi)的細節(jié)都能清楚分辨。2.1.5.2焦長2.1.5電磁透鏡的景深和焦長焦長：物點固定不變(物距不變)，在保持成像清晰的條件下，像平面沿透鏡軸線可移動的距離。圖2-10電磁透鏡焦長像平面沿軸線可移動的距離為DL，由圖2-10得：2.1.5電磁透鏡的景深和焦長其中：△r0：透鏡解析度；α：孔徑半角；M：放大倍數(shù)。如果：△r0＝1nm；α＝10-2～10-3rad；M=200，則：

DL＝8mm～80mm。透射電鏡的組成：2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構電子光學系統(tǒng)電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)迴圈冷卻系統(tǒng)控制系統(tǒng)2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構圖2－12JEM-2010F透鏡電鏡電子光學系統(tǒng)組成部分示意圖2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構2.1.6.1照明系統(tǒng)1.電子槍圖2-13電子槍(a)自偏壓回路；(b)電子槍的結構原理圖自偏壓回路：起限制和穩(wěn)定束流的作用。電子源：在陰極和陽極之間的某一個交叉點，在該點電子束彙聚成一個交叉點。2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構2.聚光鏡圖2-14雙聚光鏡系統(tǒng)光路第一聚光鏡：強激磁透鏡，將束斑縮小至1/10~1/50。第二聚光鏡：弱激磁透鏡,放大倍數(shù)2倍左右。2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構1.物鏡2.1.6.2成像系統(tǒng)

物鏡是透射電鏡最關鍵的部分，由它獲得第一幅放大的電子像，這幅像的任何缺陷都將被其他透鏡進一步放大，所以透射電鏡的分辨本領取決於物鏡的分辨本領。

物鏡應具有盡可能高的分辨本領，足夠高的放大倍數(shù)，盡可能小的像差。磁透鏡最大放大倍數(shù)為200倍，最佳理論分辨本領為0.1nm，目前實際達到0.2nm。2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構圖2-15阿貝成像原理2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構圖2-16成像光路系統(tǒng)，(a)高倍放大；(b)電子衍射2.1.6透鏡電子顯微鏡的結構1.中間鏡和投影鏡

中間鏡和投影鏡的構造和物鏡相同，但焦距較長。作用：將物鏡形成的一次像再進行放大，最後顯示在螢光屏上。2.2電子衍射電子衍射高能電子衍射(≥100kV)低能電子衍射(10~500V)電子束直徑分析電鏡<1~50nm普通電鏡≈1μm2.2電子衍射物相分析和結構分析確定晶體位向確定晶體缺陷的結構及其晶體學特徵電子衍射的主要應用：2.2電子衍射電子衍射和X射線衍射的比較：都遵循勞厄方程或布拉格方程所規(guī)定的衍射條件和幾何關係。但它們與物質(zhì)相互作用的物理本質(zhì)不同。X射線是一種電磁波，在它的電磁場影響下，物質(zhì)原子的外層電子開始振動，成為新的電磁波源，當X射線通過時，受到它的散射，而原子核及其正電荷則幾乎不受到影響。對X射線進行傅立葉分析，反映的是電子密度分佈。2.2電子衍射電子衍射和X射線衍射的比較：

電子是一種帶電粒子，物質(zhì)原子的核外電子都和一定的庫侖靜電場相聯(lián)系，當電子通過物質(zhì)時，便受到這種庫侖場的散射。對電子衍射進行傅立葉分析，反映的是晶體內(nèi)部靜電場的分佈狀況。2.2電子衍射X射線衍射強度和原子序數(shù)的平方(Z2)成正比，重原子的散射本領比輕原子大得多。用X射線進行研究時，如果物質(zhì)中存在重原子，就會掩蓋輕原子的存在。

電子散射的強度約與Z4/3成正比，重原子與輕原子的散射本領相差不十分明顯，使電子衍射有可能發(fā)現(xiàn)輕原子。2.2電子衍射

電子的波長比X射線的波長短得多，根據(jù)布拉格方程2dsinθ=nλ，電子衍射的衍射角2θ也小得多。

物質(zhì)對電子的散射比對X射線的散射幾乎強1萬倍，所以電子的衍射強度要高許多。因此使兩者要求的試樣尺寸大小不同，X射線樣品尺度是1mm，電子衍射樣品則是10-5～10-4mm。2.2電子衍射

兩者的曝光時間不同，X射線以小時計，電子衍射則以秒、分計。

兩者的穿透能力不同，電子射線的穿透能力比X射線弱得多。前者適用於研究微晶、表面、薄膜，後者適用於研究單晶、多晶塊體材料。2.2電子衍射

電子衍射遠不如X射線衍射精確，試樣製備比較麻煩。但電子衍射靈敏度高，能方便地將幾十納米大小的微小晶體的顯微像和衍射分析結合起來。2.2.1電子衍射原理2.2.1.1布拉格定律布拉格方程的一般形式因為所以電子波長≈10-2~10-3nm，晶體的晶面間距≈100～101nm2.2.1電子衍射原理2.2.1.2倒易點擴展與偏離向量圖2-2理論上獲得零層倒易截面比例圖像的條件(a)倒易點是一個幾何點，入射電子束和倒易向量垂直時不能產(chǎn)生衍射束；(b)傾斜θ角後，hkl陣點落在埃瓦爾德球面上產(chǎn)生衍射束。幾何學角度：2.2.1電子衍射原理

電子束方向與晶帶軸重合時，零層倒易截面上除原點O*以外的倒易陣點不可能與埃瓦爾德球相交，因此各晶面不會產(chǎn)生衍射。

為使晶帶中某一晶面(或幾個晶面)產(chǎn)生衍射，必須將晶體傾斜，使晶帶軸稍微偏離電子束的軸線方向，使零層倒易截面上倒易陣點和埃瓦爾德球面相交。實際情況：2.2.1電子衍射原理

即使晶帶軸和電子束的軸線嚴格保持重合(對稱入射)，仍可使g向量端點不在埃瓦爾德球面上的晶面產(chǎn)生衍射，衍射強度減弱但不為零，衍射方向的變化不明顯。原因：

衍射晶面位向與精確布拉格條件的允許偏差和樣品晶體的形狀和尺寸有關，即倒易陣點的擴展。2.2.1電子衍射原理薄片晶體倒易“桿”棒狀晶體倒易“盤”顆粒晶體倒易“球”圖2-3倒易陣點因樣品晶體的形狀和尺寸而擴展(G為陣點中心)2.2.1電子衍射原理圖2-4倒易桿和它的強度分佈

在偏離布拉格角±Δθmax範圍內(nèi)，倒易桿都能和球面相接觸而產(chǎn)生衍射。2.2.1電子衍射原理偏離向量：偏離Δθ時，倒易桿中心至埃瓦爾德球面交截點的距離s稱為偏離向量。圖2-5倒易桿和埃瓦爾德球相交時的3種典型情況，(a)對稱入射Δθ<0,s<0；(b)滿足布拉格條件Δθ＝0；s=0(c)Δθ>0,s>0。2.2.1電子衍射原理偏離布拉格條件時，產(chǎn)生衍射的條件是：Δθ=Δθmaxs=smax=1/tΔθ>Δθmax倒易桿不再和埃瓦爾德球相交，因此無衍射產(chǎn)生。2.2.1.3電子衍射基本公式圖2-6電子衍射花樣的形成及衍射基本公式圖示

待測樣品放置於埃瓦爾德球的球心O處。入射電子束和樣品內(nèi)某一組晶面(hkl)相遇並滿足布拉格條件時，在k’方向上產(chǎn)生衍射束。樣品放置位置底片放置位置倒易向量2.2.1.3電子衍射基本公式

在試樣下方距離L處放一張底片，就可以把入射束和衍射同時記錄下來。O’：透射斑點或中心斑點。G’：衍射斑點，是倒易向量ghkl的端點G在底片上的投影。G：倒易空間；G’：正空間2.2.1.3電子衍射基本公式因θ非常小，所以ΔOO*GΔOO’G’，所以有又因為所以2.2.1.3電子衍射基本公式

對單晶樣品來說，衍射花樣簡單地就是落在埃瓦爾德球面上所有倒易陣點所構成的圖形的投影放大像，Lλ是放大倍數(shù)。

僅就花樣的幾何性質(zhì)而言，它與滿足衍射條件的倒易陣點圖形是完全相同的。因此，單晶花樣中的斑點可以直接被看成是相應衍射晶面的倒易陣點。2.2.1.3選區(qū)衍射選區(qū)衍射：在樣品上選擇一個感興趣的區(qū)域，並限制其大小，得到該微區(qū)電子衍射圖的方法。1.光欄選區(qū)衍射：先在明場像上找到感興趣的微區(qū)，將其移到螢光屏的中心，再用選區(qū)光欄套住微區(qū)而將其餘部分擋掉。2.微束選區(qū)衍射：用微細的入射束直接在樣品上選擇感興趣的部位獲得該微區(qū)衍射像。2.2.2單晶電子衍射花樣的標定

為了從電子衍射圖上獲得必要的晶體學資訊，首先要標定電子衍射圖中各斑點的指數(shù)hkl及晶帶軸指數(shù)[uvw]。電子衍射花樣幾何可能所屬的晶系平行四邊形三斜、單斜、正交、四方、六方、三方、立方矩形單斜、正交、四方、六方、三方、立方有心矩形單斜、正交、四方、六方、三方、立方正方形四方、立方正六角形六方、三方、立方2.2.2單晶電子衍射花樣的標定電子衍射圖示定過程中的三種情況：(1)已知晶體，嘗試標定。(2)晶體未知，但根據(jù)研究對象可確定一個範圍，可在這些範圍內(nèi)標定。(3)晶體點陣完全未知，是新物相。2.2.2.1查表標定法1.約化平行四邊形圖2-9約化四邊形，(a)銳角；(b)鈍角。

在底片透射斑點附近，取距透射斑點O最近的兩個不共線的斑點A，B。構成四邊形，如滿足下列約化條件：2.2.2.1查表標定法如R1、R2夾角為銳角

R1≤R2≤R3，R3＝R2－R160°≤φ<90°2)如R1、R2夾角為鈍角

R1≤R2≤R3，R3＝R2＋R190°≤φ<120°

則稱此四邊形為約化四邊形。2.2.2.1查表標定法(1)在底片上測量約化四邊形的邊長R1、R2、R3及夾角，計算R2/R1及R3/R1(2)用R2/R1、R3/R1及φ去查倒易點陣平面基本數(shù)據(jù)表。如與表中相應數(shù)據(jù)吻合，則可查到倒易面面指數(shù)(或晶帶軸指數(shù))uvw，A點指數(shù)h1k1l1及B點指數(shù)h2k2l2。1.標定步驟2.2.2.1查表標定法(3)由式(6-3)計算dEi，並與d值表或X射線粉末衍射卡片PDF上查得的dTi對比，以核對物相。1.標定步驟2.2.2.1查表標定法例1：試標定γ-Fe的電子衍射圖圖2-10γ-Fe電子衍射圖示定

2.2.2.1查表標定法(1)選約化四邊形OADB，測得R1＝9.3mm，R2=21.0mm，R3=21.0mm，φ＝75°，計算邊長比，得到2.2.2.1查表標定法(2)已知γ-Fe是面心立方點陣，查面心立方倒易點陣平面基本數(shù)據(jù)表(附錄15)。在表中第42行的第2和第4列找到相近的比值和夾角，查得因此A點標為，B點標為。2.2.2.1查表標定法C點按下式標定：因此C點標為。2.2.2.1查表標定法(3)核對物相：已知Lλ＝1.179mm·nmhklDEi=Lλ/RiDTi=(γ-Fe)022-0.12680.12686-200.05610.0567γ-Fe的dT值由附錄14查得。dT與γ-Fe

相符。最後標定結果如圖2-10(c)。2.2.2.2d值比較法標定步驟：按約化四邊形的要求，在透射斑點附近選3個衍射斑點A、B，C。測量它們的長度及夾角，並根據(jù)(2-3)式計算dEi。將dEi與卡片上或d值表中查得的dTi比較，如吻合記下相應的{hkl}。2.2.2.2d值比較法標定步驟：(3)從{hkl}中任選h1k1l1，作A點的指數(shù)，從{hkl}2中，通過試探選擇一個h2k2l2，核對夾角後，確定B點指數(shù)。由{hkl}3按自洽要求，確定C點指數(shù)。(4)確定晶帶軸[uvw]。2.2.2.2d值比較法[例2]：標定α-Fe電子衍射圖圖2-11α-Fe電子衍射圖示定2.2.2.2d值比較法在底片上取四邊形OADB，測得R1=8.7mm，R2=R3=15.00mm，φ＝74°(2)計算dEi，對照dTi，找出{hkl}i。已知Lλ=1.760mm·nm2.2.2.2d值比較法RiR1R2R3dEi＝Lλ/Ri0.20220.11730.1173dTi(α-Fe)0.20270.11700.1170{hkl}i0111121122.2.2.2d值比較法(3)標定一套指數(shù)

從{011}i中，任取110作為A點指數(shù)。列出{112}中各等價指數(shù)，共24個，即2.2.2.2d值比較法逐個核對與110的夾角，結果是4個等價指數(shù)與110的夾角為73.23°,與實測值相符。可從這四個指數(shù)中任取一個為B點指數(shù)。如取B點指數(shù)為。由向量疊加原理，C點指數(shù)為

屬於{112}晶面族，且各斑點指數(shù)自洽。2.2.2.2d值比較法(4)確定[uvw]最後標定結果見圖2-11。2.2.2.3標準花樣對照法標準花樣：各種晶體點陣一些主要晶帶的零層倒易截面。標準花樣對照法：將實際觀察記錄到的衍射花樣直接與標準花樣對比，寫出斑點的指數(shù)並確定晶帶軸的方向。注意點：

攝取衍射斑點圖像時，應儘量將斑點調(diào)得對稱。往往只憑一個晶帶的一張衍射斑點不能充分確定其晶體結構，需要同時攝取不同方向的多張衍射斑點，才能準確確定晶體結構。2.2.3多晶電子衍射圖示定

多晶電子衍射圖是一系列的同心圓環(huán)，圓環(huán)的半徑與衍射面的面間距有關。2.2.3.1d值比較法標定步驟：測量圓環(huán)半徑Ri。由(2-3)式計算dEi，並與已知的晶體粉末衍射卡片或d值表上的dTi比較，確定各環(huán){hkl}i。2.2.3多晶電子衍射圖示定【例】Au多晶電子衍射圖示定圖2-14Au多晶電子衍射圖示定已知工作電壓為200kV(λ=0.0251),相機長度為680mm,故儀器常數(shù)Lλ=1.707mm·nm。

先從大到小將圓環(huán)編號，算出各環(huán)的Ri，dEi，再對照Au的dTi寫出各環(huán)的{hkl}i。編號12345RidEi=Lλ/RidTi{hkl}i7.50.22760.235461118.50.20080.2039200212.40.13770.1441902214.40.11850.1229711319.00.08980.091190242.2.3多晶電子衍射圖示定2.2.3.2R2比值規(guī)律對比法1各晶系R2值遞減規(guī)律(1)立方系由立方系晶面間距公式，得其中記N＝h2+k2+l22.2.3多晶電子衍射圖示定由(2-1)式得：即其中：R：衍射環(huán)半徑由消光規(guī)律可知：體心立方N246810121416{hkl}1102002112203102223214002.2.3多晶電子衍射圖示定金剛石立方N3811161924{hkl}110200211220310222N3481112161920{hkl}1112002203112224331420面心立方2.2.3多晶電子衍射圖示定2.標定步驟測量各環(huán)直徑Di，算出半徑Ri。計算Ri2，Ri2/R12。將Ri2/R12乘以2或3，使比值接近整數(shù)。和已知各晶系R2值序列比較，寫出相應的{hkl}i。2.2.3多晶電子衍射圖示定2.3電子顯微圖像衍射譜：樣品的晶體結構和取向資訊。透射斑和衍射斑成像：黑白襯度圖像。需要研究的是：圖像為何產(chǎn)生不同的襯度，襯度像與物的對應關係。2.3電子顯微圖像物鏡光欄的插入模式：圖2-15各種電子顯微鏡觀察方法中物鏡光欄插入模式(a)明場方法；(b)暗場方法；(c)高分辨電子顯微鏡方法。2.3電子顯微圖像明場像：以物鏡光欄套住透射斑，擋掉所有衍射斑的成像。暗場像：以光欄套住一個衍射斑，擋掉透射斑和其他衍射斑的成像。2.3電子顯微圖像振幅襯度：

明、暗場操作方式時，光欄擋住部分電子波，使其不能參加像平面上的成像，從而導致像平面上出現(xiàn)振幅差異的現(xiàn)象(包含質(zhì)厚襯度和衍射襯度)。相位襯度：讓透射束和多個衍射束共同到達像平面干涉成像，此時的襯度由衍射波和透射波的相位差引起，所以稱為相位襯度。2.3.1質(zhì)厚襯度原理質(zhì)厚襯度：

因非晶樣品中不同原子對入射電子的不同散射，而引起的像平面上的振幅差異。圖2-16電子受原子的散射，(a)被原子核彈性散射；(b)被核外電子非彈性散射。2.3.1質(zhì)厚襯度原理2.3.1.1原子散射截面電子穿越非晶薄樣品與原子核相互作用與核外電子相互作用與原子核相互作用引起電子改變方向，能量基本不發(fā)生變化(彈性散射)。散射角α與瞄準距離rn、原子核的電荷Ze、入射電子加速電壓U的關係：2.3.1質(zhì)厚襯度原理散射截面σ：

設想在原子核周圍有一個面積為σ的圓盤，盤面垂直於入射電子束，每個入射電子射中圓盤就偏轉而離開原入射方向，未射中圓盤的電子則不受影響直接通過，σ就稱為散射截面。孤立原子核的散射截面：其中：αn：臨界角，rn：臨界半徑。2.3.1質(zhì)厚襯度原理核外電子的非彈性散射截面σe：單個原子的散射截面σ0：2.3.1質(zhì)厚襯度原理注意：透射電鏡利用原子核對入射電子的彈性散射進行成像。核外電子對入射電子的非彈性散射構成了圖像的背景，降低圖像的襯度，對圖像分析不利。2.3.1質(zhì)厚襯度原理2.3.1.2小孔徑角成像小孔徑角成像：

通過在物鏡背焦平面上沿徑向插入一個小孔徑物鏡光欄來實現(xiàn)成像。圖2-16小孔徑角成像2.3.1質(zhì)厚襯度原理投射到螢光屏或照相底片上不同區(qū)域的電子強度的差別電子顯微鏡圖像的襯度入射電子透過樣品時碰到的原子數(shù)目樣品原子核庫侖電場強度背散射到物鏡光欄外的電子的數(shù)目通過物鏡光欄參與成像的電子強度2.3.1質(zhì)厚襯度原理試樣中取一個截面為單位面積的柱體，單位柱體高度中電子受到的散射與這段柱體包含的原子數(shù)有關，散射截面是：N：單位體積包含的原子數(shù)；ρ：密度；A：原子量；N0：阿伏加德羅常數(shù)；σ0：原子散射截面2.3.1質(zhì)厚襯度原理n個入射電子穿越dt厚度的樣品後，有dn個電子被散射到光欄以外，電子的減小率是：如入射電子總數(shù)是n0，樣品厚度是t，則通過樣品參與成像的電子數(shù)目是：2.3.1質(zhì)厚襯度原理因為電子束強度因此有說明:通過物鏡光欄參與成像的電子束強度I隨Qt乘積的增大而呈指數(shù)衰減。Qt＝1時，有t=1/Q=tctc:臨界厚度。認為t≤tc的樣品是透明的，I＝I0/eI0/32.3.1質(zhì)厚襯度原理品質(zhì)厚度：兩邊乘以t，得定義：ρt為品質(zhì)厚度。當Qt＝1時，有

ρ

tc：臨界品質(zhì)厚度2.3.1質(zhì)厚襯度原理質(zhì)厚襯度運算式IA：強度為I0的入射電子，通過樣品A區(qū)域後，進入物鏡光欄參與成像的電子強度。IB：強度為I0的入射電子，通過樣品B區(qū)域後，進入物鏡光欄參與成像的電子強度。圖2-17質(zhì)厚襯度原理2.3.1質(zhì)厚襯度原理定義：ΔIA/IB為圖像中A區(qū)域的襯度。於是：因為：所以有不同區(qū)域的Qt值差別越大，圖像襯度越高。2.3.1質(zhì)厚襯度原理

肉眼能分辨的最低襯度不應小於5％，如是同樣的材料，則材料必須具有的最小厚度差是相鄰區(qū)域厚度差別越大，圖像襯度越高。2.3.1質(zhì)厚襯度原理衍射理論：通過對入射電子波在晶體樣品內(nèi)受到的散射過程的分析，計算在樣品底表面射出的透射束和衍射束的強度分佈。2.3.2衍射襯度2.3.2衍射襯度衍射理論預示晶體中某一特定結構細節(jié)的圖像襯度特徵實際觀察到的衍射圖像與一定的結構特徵相聯(lián)系，加以分析、詮釋和判斷。明場像：以透射光束所成的像。暗場像：以衍射光束所成的像。2.3.2衍射襯度圖2-18衍射襯度成像原理，(a)明場像；(b)暗場像；(c)中心暗場像2.3.1質(zhì)厚襯度原理晶粒衍射愈強襯度愈暗明場像：

暗場像：

對應光闌的衍射愈多襯度愈亮2.3.2.1衍射運動學理論特點：忽略入射波與衍射波之間的動力學相互作用?；炯僭O：入射電子在樣品內(nèi)只受到不多於一次的散射。入射波在樣品內(nèi)傳播的過程中，強度的衰減可以忽略。2.3.1質(zhì)厚襯度原理2.3.2.1衍射運動學理論要求的實驗條件：足夠薄的樣品，使入射電子受到多次散射的機會減小到可以忽略的程度。使衍射晶面處於足夠偏離布拉格條件的位向。2.3.2.1衍射運動學理論兩個近似的處理方法：雙光束近似：如果入射波的強度為I0＝1，則透射波強度為(1-Ig)。柱體近似：樣品底表面作為(x,y,0)處的衍射波振幅φg(t)，只是由樣品平面內(nèi)位於座標(x,y)處，高度等於t，截面足夠小的一個晶體柱內(nèi)原子或晶胞的散射振幅疊加而得。2.3.2.1衍射運動學理論圖2-18雙光束近似和柱體近似採用第2個近似的根據(jù)：入射在樣品上表面座標為(x,y,0)處的電子束所激發(fā)產(chǎn)生的衍射束，到達底面時只與透射束相距1nm左右。2.3.2.1衍射運動學理論圖2-19晶體柱OA的衍射強度(S>0)2.3.2.1衍射運動學理論理想晶體的衍射強度計算柱體下表面處的衍射波振幅φg：

晶體下表面的衍射振幅等於上表面到下表面各層原子面在衍射方向k’上的衍射波振幅疊加的總和。其中：，r：r處原子面散射波相對於晶體上表面位置散射波的相位角差；n：單位面積原子內(nèi)含有的晶胞數(shù)。2.3.2.1衍射運動學理論令偏離布拉格條件時，衍射向量K’為：則得：ξg：精確符合布拉格條件時透射波與衍射波之間能量交換或強度振盪的深度週期。

2.3.2.1衍射運動學理論因此，相位角可表示為：其中：g·r是整數(shù)，s//r//z。且r＝z，因此有則：2.3.2.1衍射運動學理論其中積分部分為：代入(7-16)式，得2.3.2.1衍射運動學理論衍射強度：

理想晶體的衍射強度Ig隨樣品的厚度t和衍射晶面與精確的布拉格位向之間偏離參量s而變化。2.3.2.1衍射運動學理論3.缺陷晶體的衍射強度

缺陷存在時，會在缺陷附近某個區(qū)域內(nèi)點陣發(fā)生畸變。比如圖7-7中的晶柱OA也將發(fā)生某種畸變，柱體內(nèi)位於z深度處的體積元dz因此而發(fā)生位移R，座標向量由理想位置r變?yōu)閞’,2.3.2.1衍射運動學理論晶體發(fā)生畸變後，位於r’處的體積元dz的散射振幅為因為ghkl·r等於整數(shù)，s·R數(shù)值很小，又因s和r接近於平行，因此s·r＝sr，所以2.3.2.1衍射運動學理論因此(7-14)式可改為令2.3.2.1衍射運動學理論

和理想晶體的運算式(7-15)相比較，(7-22)式中出現(xiàn)了附加的位相因數(shù)e-iα。

附加相位因數(shù)e-iα的引入將使缺陷附近物點的衍射強度區(qū)別於無缺陷的區(qū)域，從而使缺陷在衍襯圖像中產(chǎn)生相應的襯度。2.3.2.2衍射圖像的基本特徵1.等厚條紋和等傾條紋

衍射強度隨樣品的厚度t發(fā)生週期性振盪，振盪週期tg＝1/s。2.3.2.2衍射圖像的基本特徵圖7-8等厚條紋的形成機理和舉例圖7-9等傾條紋的形成機理和舉例等傾條紋襯度出現(xiàn)在薄膜晶體發(fā)生彈性應變(彎曲)的樣品內(nèi)，

假定薄膜的厚度t是均勻的，由於彈性應變，偏離參量s因彎曲而發(fā)生變化，在某一位向，s＝0的地方衍射最大，其兩側|s|逐漸增大，衍射強度相應地發(fā)生週期性振盪振盪週期是sg＝1/t

由於同一條紋表明衍射晶面的s處處相等(相對於入射束傾斜程度相同)，它們被稱為等傾條紋，也稱為彎曲消光輪廓。峰值強度衰減很快，大多情況只能看到主峰條紋；如果傾斜樣品，等傾條紋將發(fā)生位置的變化，由此可方便地進行鑒別。

由於同一條紋表明衍射晶面的s處處相等(相對於入射束傾斜程度相同)，它們被稱為等傾條紋，也稱為彎曲消光輪廓。峰值強度衰減很快，大多情況只能看到主峰條紋；如果傾斜樣品，等傾條紋將發(fā)生位置的變化，由此可方便地進行鑒別。2.3.3相位襯度相位襯度：讓透射光束和一部分衍射光束共同在像平面上干涉成像，如果樣品晶體的厚度較薄，電子波的振幅變化可以忽略時，圖像的襯度是電子波相位不同所引起的，這個襯度稱為相位襯度。高解析度像：以這種方式成像，可以獲得高解析度的晶格點陣像和晶格結構像，這種像也稱為高解析度像。

高分辨透射電子顯微術的成像方式是讓透射波和各級衍射波共同在像平面干涉成像。對於薄試樣透射波和各級散射波達到像平面時，振幅幾乎沒有變化，只有相位差的區(qū)別，因此不能用振幅襯度來解釋圖像。2.3.3相位襯度2.3.3.1高分辨透射電子顯微術的相襯原理高分辨成像的兩個過程：電子波與物樣相互作用，電子波被物樣調(diào)製，在物樣的下表面形成透射波。透射波經(jīng)透鏡成像，經(jīng)多級放大後顯示在螢光屏上。2.3.3相位襯度1透射波函數(shù)q(r)的近似運算式

在不考慮相對論修正的情況，由高壓v加速的電子波波長為電子通過晶體勢場φ(r)時，波長將隨電子的位置而變化，即

設電子沿正向運動，經(jīng)試樣中的一薄層dz後，由於晶體勢場的調(diào)製作用，電子波產(chǎn)生一相位差，即或寫成式中：是相互作用常數(shù)。電子波經(jīng)整個試樣所產(chǎn)生的相位差為φ(x,y)：試樣的晶體勢場在z方向上的投影。對於很薄的試樣，可認為電子波穿過試樣無振幅改變而僅有相位的變化，故透射波函數(shù)是在試樣極薄的情況下，將透射函數(shù)q(x,y)展開，並忽略高階項，則有2.物鏡成像過程和襯度傳遞函數(shù)傅立葉光學：一個物的波函數(shù)經(jīng)透鏡成像的過程中，在物鏡後焦面形成衍射波，這相當於一次傅立葉變換。

如果物鏡是一個理想透鏡，無像差，則從後焦面到像平面的過程又是一次傅立葉變換，於是有表明像是物的準確複現(xiàn)。對於相位體而言，這時的像強度為：

這結果表明，對應理想透鏡，相位體的像不可能產(chǎn)生任何襯度。襯度傳遞函數(shù)：物鏡像差、離焦量、物鏡光欄等對像的影響，相當於在物鏡後焦平面上給衍射波乘上一個因數(shù)，該因數(shù)定義為襯度傳遞函數(shù)S(u,v)。式中：，△f和Cs分別為物鏡的離焦量和球差係數(shù)，A(u,v)表示物鏡光欄的作用；r：物鏡光欄半徑。於是,後焦面上的衍射波可以表示為近似假設於是這樣到達像平面上的波是Q’(u,v)的傅立葉變換*：表示卷積上式表明像平面上的波是被襯度函數(shù)S(u,v)調(diào)製的透射波。像的強度應該是波函數(shù)的平方：將此式展開運算，並略去σφ(x,y)的高階項，可得在一個合適的欠焦值△f下，sinχ(u,v)可在相當大的空間範圍內(nèi)接近於－1，這時有由此可知，像的襯度與投影勢成比例關係，像是試樣晶體勢場的直接投影。這時的像強度分佈稱為最佳欠焦像。像的襯度為

由圖7-16可見，總可以找到一個最佳欠焦值△f，使sinχ曲線在較寬的一段的值接近於－1的平臺。謝爾策聚焦值，即最佳欠焦值為此時，因此電鏡的解析度是3.關於sinχ函數(shù)和電鏡解析度圖7-16加速電壓200kV(虛線)和400kV(實線)電子顯微鏡在謝爾策聚焦條件下，物鏡的襯度傳遞函數(shù)(假定球差係數(shù)分別為0.8mm和1.0mm。)4.離焦條件對襯度的影響弱相位體成像：在滿足謝爾策欠焦條件下，像襯度直接代表了物的投影勢，反映了相位體中原子及其排列狀態(tài)。若不滿足謝爾策欠焦條件，像襯度就要改變，不再與投影勢成正比。5.厚相位體成像

樣品厚度大於5nm時，(7-34)式給出的強度公式不再適用。對於厚試樣必須考慮試樣中的多次散射引起的相位變化。厚試樣中動力學衍射效應已不能忽略。多片層法：將厚樣品理解為由許多薄層疊加而成。投影電荷密度近似：利用微分方程在不考慮球差係數(shù)Cs情況下，求出像的強度分佈。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析掃描電鏡的成像原理：以電子束作為照明源，把聚焦很細的電子束以光柵狀掃描方式照射到試樣上，產(chǎn)生各種與試樣性質(zhì)有關的資訊，加以收集和處理，從而獲得微觀形貌放大像。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析特點分辨本領高。放大倍數(shù)範圍大，連續(xù)可調(diào)。圖像景深大?？芍苯佑^察起伏較大的粗糙表面。試樣製備簡單?？蛇M行綜合分析。2.4.1電子束與固體樣品相互作用時產(chǎn)生的物理信號圖8-1電子束和固體樣品作用時產(chǎn)生的各種物理信號2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.1電子束與固體樣品相互作用時產(chǎn)生的物理信號2.4.1.1背散射電子背散射電子彈性背散射電子非彈性背散射電子2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析背散射電子：被固體樣品中的原子核反彈回來的那部分入射電子。彈性背散射電子：被樣品中原子核反彈回來的散射角大於90°的那部分入射電子。能量範圍數(shù)千到數(shù)萬電子伏特。非彈性背散射電子：入射電子和核外電子撞擊後產(chǎn)生非彈性散射而造成，不僅能量變化，而且方向也發(fā)生變化。能量範圍數(shù)十到數(shù)千電子伏特。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

背散射電子的產(chǎn)生深度範圍在100nm到1000nm。背散射電子的產(chǎn)額隨原子序數(shù)的增加而增加，利用背散射電子作為成像信號不僅能分析樣品的形貌特徵，也可顯示原子序數(shù)襯度，定性地進行成分分析。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.1.2二次電子

二次電子：被入射電子轟擊出來的核外電子。

二次電子來自表面5～50nm的區(qū)域，能量為0～50eV。它對試樣表面非常敏感，能有效地顯示試樣表面的微觀形貌。產(chǎn)生二次電子的面積與入射電子的照射面積相近，所以二次電子的解析度較高，可達5～10nm。

二次電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化不明顯，而主要取決於形貌。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.1.3吸收電子

吸收電子：進入樣品後，經(jīng)多次非彈性散射，能量耗盡，最後被樣品吸收的電子。

入射電子束與樣品發(fā)生作用，如逸出表面的背散射電子或二次電子數(shù)量任一項增加，將會引起吸收電子相應的減少。將吸收電子信號作為調(diào)製圖像的信號，則其襯度與二次電子像和背散射電子像的反差是互補的。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

入射電子束射入一個含有多元素的樣品時，由於二次電子產(chǎn)額不受原子序數(shù)影響，因此產(chǎn)生背散射電子較多的部位其吸收電子的數(shù)量就較少。因此吸收電流像可以反映原子序數(shù)襯度，同樣也可以用來進行定性的微區(qū)成分分析。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.1.4透射電子樣品厚度小於入射電子的有效穿透深度有一定數(shù)量的入射電子能夠穿過薄樣品而成為透射電子2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

入射電子穿透樣品的過程中將與原子核或核外電子發(fā)生有限次數(shù)的彈性或非彈性散射。因此，檢測到的透射電子信號中，除了有能量與入射電子相當?shù)膹椥陨⑸潆娮油猓€有各種不同能量損失的非彈性散射電子。有些特徵能量損失△E的非彈性散射電子和分析區(qū)域的成分有關可以用特徵能量損失電子配合電子能量分析器進行微區(qū)成分分析2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.1.5特徵X射線特徵X射線：原子的內(nèi)層電子受到激發(fā)以後，在能級躍遷過程中直接釋放的具有特徵能量和波長的一種電磁波輻射。X射線的波長和原子序數(shù)之間服從莫塞萊定律：Z：原子序數(shù)；K，σ：常數(shù)。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

利用原子序數(shù)和特徵能量之間的對應關係，可以進行成分分析。用X射線探測器測到了樣品微區(qū)中存在某一特徵波長，就可以判定該微區(qū)中存在相應的元素。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.1.6俄歇電子俄歇電子：原子內(nèi)層電子躍遷過程中釋放的能量△E將另一個核外電子打出，脫離原子成為二次電子，這種二次電子稱為俄歇電子。俄歇電子是由試樣表面極有限的幾個原子層中發(fā)出可用於表層化學成分分析。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.3.2掃描電子顯微鏡的結構和工作原理2.3.2.1掃描電子顯微鏡的結構圖8-2掃描電子顯微鏡,(a)實物照片2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-2掃描電子顯微鏡，(b)結構原理框圖2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析1.電子光學系統(tǒng)電子槍電磁透鏡掃描線圈樣品室2.信號收集和顯示系統(tǒng)信號檢測器前置放大器顯示裝置3.真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.2.2掃描電子顯微鏡的工作原理電子光學系統(tǒng)將電子束彙聚成一個細的電子束聚焦在樣品表面。掃描裝置使電子束在樣品表面掃描。高能電子束與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電子等。接收器接收相應的信號，以逐點掃描的方式顯示在顯像管上。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.2.3掃描電子顯微鏡的主要性能放大倍數(shù):

如電子束在樣品表面掃描的幅度為As，在螢光屏上陰極射線同步掃描的幅度為Ac，在掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)是商品化的掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)可以從20倍到20萬倍連續(xù)調(diào)節(jié)。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析解析度:成分分析：能分析的最小區(qū)域成像：能分辨兩點之間的最小距離解析度俄歇電子和二次電子：束斑直徑就是一個成像檢測單元的大小，所以解析度相當於束斑的直徑，約為5～10nm

。二次電子像的解析度電子束的直徑掃描電鏡的解析度2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析背散射電子：解析度低於二次電子，一般為50～200nm。X射線：解析度低於背散射電子，約為幾個μm。解析度：通過測定圖像中兩可分辯的顆粒間的最小距離來確定掃描電鏡的解析度。商品化掃描電鏡二次電子解析度：1nm。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-3各種信號發(fā)生的深度和廣度2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析3.景深：景深：對高低不平的試樣各部位能同時聚焦成像的能力範圍。圖8-4掃描電子顯微鏡的景深示意圖2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

圖8-4中，掃描電鏡中電子束最小截面圓(P點)經(jīng)透鏡聚焦後成像於A處，試樣置於A點所在的像平面。景深：試樣沿透鏡軸在A點前後移到而仍可達到聚焦的一段最大距離。β：電子束孔徑角。掃描電鏡的景深：光學顯微鏡的100～500倍，透射電子顯微鏡的10倍。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.3表面形貌襯度原理及其應用表面形貌襯度：因表面形貌差別而形成的襯度。形貌襯度的形成的起因：

某些信號的強度是試樣表面傾角的函數(shù)。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-5樣品傾斜對二次電子產(chǎn)額的影響

將待測平面傾斜，入射電子束與表面法線間交角越大，二次電子產(chǎn)額就越大。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-6二次電子像的形貌襯度的形成示意圖

入射電子束A、B、C三個小刻面的夾角不同，結果可看到，C小刻面的像最亮，B刻面的像最暗。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-7CVD金剛石塗層的形貌像2.4.3.2表面形貌襯度的應用1材料表面形態(tài)組織觀察2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-8退火金膜的金粒大小2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-9鋼的晶間斷裂2斷口形貌觀察2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-10鋼的韌性斷口(韌窩)2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-11解理斷口2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-11準解理斷口2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-13典型的金屬磨損表面形貌的掃描電鏡照片，(a)金屬滑動磨損表面形貌，(b)金屬磨粒磨損表面形貌3磨損表面形貌觀察2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-14α-Si3N4納米線4納米結構材料形態(tài)觀察2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-15SnO2納米帶2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析原子序數(shù)襯度：試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)(或化學成分)差別而形成的襯度。2.4.4原子序數(shù)襯度原理及其應用背散射電子像、吸收電子像的襯度都含有原子序數(shù)襯度，特徵X射線像的襯度也是原子序數(shù)襯度。掃描電鏡圖像的襯度定義：C：信號襯度；i1，i2：試樣上掃描時從任何兩點探測到的信號強度。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-16試樣原子序數(shù)對背散射電子和二次電子發(fā)射的影響，(a)單一原子序數(shù)試樣，(b)不同原子序數(shù)試樣2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.5電子探針X射線顯微分析電子探針X射線顯微分析成分分析顯微分析和掃描電鏡的區(qū)別：檢測器部分使用了X射線譜儀。常用的X射線譜儀能譜儀(EnergyDispersiveSpectrometer)波譜儀(WavelengthDispersiveSpectrometer)2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.5.1電子探針儀的結構與工作原理圖8-17電子探針儀的結構示意圖2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.5.2波譜儀的結構和工作原理圖8-18X射線波譜儀的結構示意圖2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析X射線波譜儀記錄和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)機械傳動裝置X射線探測器分光晶體使射線源、彎曲晶體表面和檢測器窗口位於同一圓周上收集單一波長衍射束聚焦2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析X射線聚焦方法圖8-19兩種X射線聚焦方法衍射斑點不在同一點衍射斑點在同一點2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析約翰型不完全聚焦法

當某一波長的X射線自點光源S處發(fā)出時，晶體內(nèi)表面上任意點A、B、C上接收到的X射線相對於點光源來說，入射角都相等，由此A、B、C各點的衍射線都能在D點附近聚焦。

因A、B、C三點的衍射線並不恰在一點，因此這是一種近似的聚焦方式。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析詹森型完全聚焦法

把衍射晶面曲率半徑彎成2R的晶體，表面磨製成和聚焦圓表面相合，這樣可使A、B、C三點的衍射束正好聚焦在D點。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析1.分光晶體良好的衍射性能強的反射能力和好的解析度能彎曲成一定的弧度在真空中不發(fā)生變化2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析表8-1波譜儀常用的分光晶體基本參數(shù)和可檢測的範圍晶體化學分子式和(縮寫)反射晶面晶面間距d/A可檢測波長範圍/A可檢測元素範圍A氟化鋰LiF2000.1030.89～3.5K系：20Ca－37RbL系：51Sb－92U異成四醇C5H12O1()PET0024.3752.0～7.7K系：14Si－26FeL系：37Rb－85TbM系：72Hf－92U鄰苯二酸銣(或鉀)C3H5O4Rb(RAP)C3H6O4K(KAP)1010(13,32)13.065.8～23.0K系：9F－15PL系：24Cr－40ZrM系：57La－79Au內(nèi)豆蔻酸鉛(C14H27O2)2M*(MYR)－4017.6～70K系：5B－9FL系：20Ca－25Mn硬脂酸鉛(C18H35O2)2M*(STE)－5022～88K系：5B－8OL系：20Ca－23V一四烷酸鉛(C24H47O2)2M*(LIG)－6529～114K系：4Be－2NL系：20Ca－21Sc*M表示Pb或Ba等重要元素。這3種都是多層皂膜晶體，適用於Z<10的輕元素及超輕元素分析2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.X射線探測器對探測器的要求：高的探測靈敏度與波長的正比性好短的回應時間探測器的種類：流氣正比計數(shù)管充氣正比計數(shù)管閃爍計數(shù)管一個X光子一個電脈衝信號2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.X射線計數(shù)和記錄系統(tǒng)脈衝信號轉換成X射線強度的顯示方式：在儀錶上顯示計數(shù)率的讀數(shù)。在記錄儀上繪出計數(shù)率隨波長的變化。在顯像管上得到X射線掃描像。用定標器列印出一定時間間隔內(nèi)的脈衝計數(shù)。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-21BaTiO2的波長色散譜2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-22Si(Li)X射線能譜儀的結構示意圖2.4.5.3能譜儀(EDS)的結構和工作原理2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析1.能譜儀(EDS)的結構探針器前置放大器脈衝信號處理單元模數(shù)轉換器多道分析器小型電腦顯示和記錄系統(tǒng)2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-23鋰漂移矽Si(Li)探測器的結構2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.能譜儀的工作原理通道地址和X光子能量相聯(lián)系，通道的計數(shù)為X光子數(shù)。

每一個能量為E的入射光子產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)目N＝3.8。每入射一個X射線光子，探測器輸出一個電荷脈衝，其高度正比於入射的X射線光子能量。

電荷脈衝以時鐘脈衝形式進入多道分析器。多道分析器有一個由許多存儲單元組成的記憶體，與X光子能量成正比的時鐘脈衝按大小分佈進入不同的存儲單元。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-24FeNiCu合金的掃描像及其能量色散譜2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.5.4.波譜儀和能譜儀的比較操作特性波譜儀(WDS)能譜儀(EDS)分析方式用幾塊分光晶體順序進行分析用Si(Li)EDS進行多元素同時分析分析元素範圍Z≥4Z≥11(鈹窗)Z≥6(無窗)解析度與分光晶體有關，約5eV與能量有關，145eV～150eV(5.9keV)幾何收集效率改變，<0.2%<2%量子效率改變，<30%約100％，(2.5keV~15keV)暫態(tài)接收範圍譜儀能分辯的範圍全部有用能量範圍最大計數(shù)速率約50000c/s(在一條譜線上)與解析度有關，使在全譜範圍內(nèi)得到最佳分辯時，<2000c/s2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析操作特性波譜儀(WDS)能譜儀(EDS)分析精度(濃度>10%,Z>10)±1%~5％≤±5％對表面的要求平整、光滑較粗糙表面也適用典型數(shù)據(jù)收集時間>10min2~3min譜失真少主要包括逃逸峰、峰重疊、脈衝堆積、電子束散射、鈹窗吸收效應等最小束斑直徑約200nm約5nm探測極限0.01~0.1%0.1%~0.5%對試樣的損傷大小2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析波譜儀：優(yōu)點：分析的元素範圍廣探測極限小解析度高適應於精確的定量分析缺點：要求試樣表面平整光滑分析速度慢較大的束流2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析能譜儀：優(yōu)點：分析速度快束流小和細對試樣要求不嚴格缺點：元素分析範圍小探測極限小解析度小2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.5.5電子探針儀的分析方法及應用1電子探針儀的分析方法(1)定點定性分析(2)線掃描分析(3)面掃描分析(4)定點定量分析2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(1)定點定性分析定點定性分析：

對試樣某一選定點(區(qū)域)進行定性成分分析，以確定該點區(qū)域記憶體在的元素，稱為定點定性分析。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析①能譜定性分析：根據(jù)經(jīng)驗及譜線所在的能量位置估計某一個峰或幾個峰是某個元素的特徵X射線峰；當無法估計可能是什麼元素時，根據(jù)譜峰所在位置的能量查找元素各系譜線的能量卡片或能量圖來確定是什麼元素。對於試樣中的主要元素的鑒別容易做到正確可靠，但對試樣中的次要元素的鑒別容易因譜的干擾、失真、譜線的多重性等而導致錯誤。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析②波譜定性分析：由於波譜儀的解析度高，波譜的峰背比至少是能譜的10倍，因此對一給定的元素，可以在譜中出現(xiàn)更多的譜線。應注意一級衍射線和高級衍射線的重疊。如：SKα(n=1)線存在於0.5372nm處，而CoKα(n=1)存在與0.1789nm處，但CoKα(n=3)的三級衍射存在於3×0.1789nm＝0.5367nm處，因此SKα(n=1)和CoKα(n=3)線靠得太近而無法區(qū)分。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(2)線掃描分析使聚焦電子束在試樣觀察區(qū)內(nèi)沿一選定直線(穿越粒子或介面)進行慢掃描，X射線譜儀處於探測某一元素特徵X射線狀態(tài)。顯像管射線束的橫向掃描與電子束在試樣上的掃描同步，用譜儀探測到的X射線信號強度調(diào)製顯象管射線束的縱向位置，就可以得到反映該元素含量變化的特徵X射線強度沿試樣掃描線的分佈。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-25BaF2晶界的線掃描分析，(a)形貌像及掃描線的位置，(b)O及Ba元素在掃描線位置上的分佈。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析

線掃描分析對於測定元素在材料相界和晶界上的富集和貧化非常有效，在垂直於擴散介面的分析上進行線掃描，可以很快顯示濃度與擴散距離的關係曲線，可相當精確的測定擴散係數(shù)和啟動能。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(3)面掃描分析聚焦電子束在試樣上作二維光柵掃描，X射線譜儀處在能探測某一個元素特徵X射線的狀態(tài)，用譜儀輸出的脈衝信號調(diào)製同步掃描的顯象管亮度，在螢光屏上得到由許多亮點組成的圖像。根據(jù)圖像上亮點的疏密和分佈，可確定該元素在試樣中的分佈情況。譜儀調(diào)整到其他元素的X射線的特徵X射線狀態(tài)時，可得到其他元素的X射線掃描像。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析圖8-26Ni-P合金磨痕表面黏附Fe的面分佈成分分析的照片，(a)形貌像，(b)Fe元素的X射線面分佈像2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(4)定量分析在穩(wěn)定的電子束照射下，由譜儀得到的X射線譜在扣除了背景計數(shù)率之後，各元素的同類特徵譜線的強度值應與他們的濃度相對應。譜線的強度除與元素含量有關外，還與試樣的化學成分有關，譜儀對不同波長隨x射線探測的效率有所不同。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.電子探針的應用(1)組分不均勻合金試樣的微區(qū)成分分析(2)擴散對試樣中成分梯度的測定(3)相圖低溫等溫截面的測定(4)金屬/半導體介面反應產(chǎn)物2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析2.4.6掃描電子顯微鏡的發(fā)展(1)場發(fā)射掃描電子顯微鏡①進一步提高電子束照明源的工作穩(wěn)定性，減小其閃爍雜訊。②進一步提高在低加速電壓下對大試樣觀察和分析的解析度。③開拓同低能掃描電子顯微術有關功能的新儀器技術。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(2)低真空掃描電鏡①可在氣相或液相存在的環(huán)境中觀察樣品，避免乾燥損傷和真空損傷。②可連續(xù)觀察材料反應動力學過程。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析(3)低電壓掃描電子顯微鏡

①有利於減小試樣的荷電效應。②可以避免表面閔行試樣的高能電子的輻照損傷。③有利於減輕邊緣效應，使原來圖像中浸沒於異常亮的區(qū)域中的形貌細節(jié)得意顯現(xiàn)。④有利於二次電子發(fā)射，改善圖像品質(zhì)，提高作為試樣表面圖像的真實性。⑤可兼作顯微分析和表面分析。⑥入射電子與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的二次電子發(fā)射強度是隨著工作電壓的降低而增加，且對被分析試樣的表面狀態(tài)和溫度更敏感，因此有可能用於新的領域。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析習題：請通過查找書籍資料，給出一個利用透射電鏡對材料的結構進行分析的例子，其中有對晶體晶面指數(shù)的標定，說明標定的原理。2.4掃描電子顯微鏡與電子探針顯微分析習題：

1.為什麼說斑點花樣是相應倒易面放大投影？繪出fcc(111)*倒易面。(P110，12題)2.為什麼TEM既能選區(qū)成像又能選區(qū)衍射？怎樣才能做的兩者所選區(qū)域的一致性。(P110,13題)3.請說明衍襯成像原理。(P135，3題)第六章核子物理方法第六章核子物理方法引