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1、1 第二篇材料电子显微分析 第八章电子光学基础 第九章透射电子显微镜 第十章电子衍射 第十一章晶体薄膜衍衬成像分析 第十二章高分辨透射电子显微术 第十三章扫描电子显微镜 第十四章电子背散射衍射分析技术 第十五章电子探针显微分析 第十六章其他显微结构分析方法 2 扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜完全不同 扫描电子显微镜的成像原理与透射电镜完全不同 不是利不是利 用电磁透镜聚焦成像 用电磁透镜聚焦成像 而是利用细聚焦电子束在样品表面而是利用细聚焦电子束在样品表面 扫描 用探测器接收被激发的各种物理信号调制成像扫描 用探测器接收被激发的各种物理信号调制成像 目前 扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已
2、优于目前 扫描电子显微镜二次电子像的分辨率已优于 3nm 高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率已达到高性能的场发射枪扫描电子显微镜的分辨率已达到 1nm 左左 右 相应的放大倍数可高达右 相应的放大倍数可高达30万倍万倍 与光学显微镜相比 与光学显微镜相比 扫描电子显微镜不仅图像分辨率高 扫描电子显微镜不仅图像分辨率高 而且景深大 因此在断口分析方面显示出十分明显的优势而且景深大 因此在断口分析方面显示出十分明显的优势 扫描电子显微镜开始发展于扫描电子显微镜开始发展于20世纪世纪 60年代 随其性能不断年代 随其性能不断 提高和功能逐渐完善 提高和功能逐渐完善 目前在一台扫描电镜上可同时实现
3、目前在一台扫描电镜上可同时实现 组织形貌 微区成分和晶体结构的同位分析 组织形貌 微区成分和晶体结构的同位分析 现已成为材现已成为材 料科学等研究领域不可缺少的分析工具料科学等研究领域不可缺少的分析工具 第十三章 扫描电子显微镜 3 第十三章 扫描电子显微镜 本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 电子束与固体样品作用时产电子束与固体样品作用时产 生的信号生的信号 第二节第二节 扫描电子显微镜的构造和工扫描电子显微镜的构造和工 作原理作原理 第三节第三节 扫描电子显微镜的主要性能扫描电子显微镜的主要性能 第四节第四节 表面形貌衬度原理及其应用表面形貌衬度原理及其应用 第五节第五节 原子序数衬度
4、原理及其应用原子序数衬度原理及其应用 4 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 样品对入射电子束的作用主要是散射 其中包括弹性散样品对入射电子束的作用主要是散射 其中包括弹性散 射和非弹性散射 这一过程产生的信号主要有 背散射电子 射和非弹性散射 这一过程产生的信号主要有 背散射电子 吸收电子和透射电子 还有韧致辐射吸收电子和透射电子 还有韧致辐射 连续连续X射线射线 入射电子对样品的作用主要是原子电离 这一作用产生的信入射电子对样品的作用主要是原子电离 这一作用产生的信 号主要有 二次电子 特号主要有 二次电子 特 征征 X射线和俄歇电子 此射线和俄歇电子 此 外还有阴极荧光等信号外还有阴
5、极荧光等信号 以下将分别介绍各种物理以下将分别介绍各种物理 信号及其特点 以及所反信号及其特点 以及所反 映的样品性质和用途映的样品性质和用途 图图13 1 所示为电子束与样所示为电子束与样 品作用产生的主要信号品作用产生的主要信号 图图13 1 电子束与固体样品作用产生的信号电子束与固体样品作用产生的信号 5 一 背散射电子一 背散射电子 被样品原子散射 散射角大于被样品原子散射 散射角大于90 而散射到样品表面以外而散射到样品表面以外 的一部分的一部分入射电子称为背散射电子 入射电子称为背散射电子 包括弹性背散射电子和包括弹性背散射电子和 非弹性散射背散射电子非弹性散射背散射电子 产生于样
6、品产生于样品表层几百纳米的深度范围表层几百纳米的深度范围 能量范围较宽 从能量范围较宽 从几十到几万电子伏特几十到几万电子伏特 产额随样品平均原子序数增大而增大产额随样品平均原子序数增大而增大 所以背散射电子像的所以背散射电子像的 衬度可反映对应样品位置的平均原子序数衬度可反映对应样品位置的平均原子序数 背散射电子像主要用于背散射电子像主要用于定性分析材料的成分分布定性分析材料的成分分布和和显示相的显示相的 形状和分布形状和分布 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 6 二 吸收电子二 吸收电子 入射电子进入样品后 经多次非弹性入射电子进入样品后 经多次非弹性散射使其能量消耗散射使其能量消耗
7、 殆尽 最后被样品吸收 这部分殆尽 最后被样品吸收 这部分入射电子称吸收电子入射电子称吸收电子 产生于样品产生于样品表层约表层约1微米的深度范围微米的深度范围 产额随样品平均原子序数增大而减小产额随样品平均原子序数增大而减小 因为 在入射电子束 因为 在入射电子束 强度一定的情况下 对应背散射电子产额大的区域吸收电子强度一定的情况下 对应背散射电子产额大的区域吸收电子 就少 所以吸收电子像也可提供就少 所以吸收电子像也可提供原子序数衬度原子序数衬度 吸收电子像主要也用于吸收电子像主要也用于定性分析材料的成分分布定性分析材料的成分分布和和显示相的显示相的 形状和分布形状和分布 第一节 电子束与样
8、品相互作用产生的信号 7 三 透射电子三 透射电子 若入射电子能量很高 且样品很薄 则会有一部分电子若入射电子能量很高 且样品很薄 则会有一部分电子 穿过样品 穿过样品 这部分这部分入射电子称透射电子入射电子称透射电子 透射电子中除了能量和入射电子相当的弹性散射电子外 还透射电子中除了能量和入射电子相当的弹性散射电子外 还 有不同能量损失的非弹性散射电子 其中有些电子的能量损有不同能量损失的非弹性散射电子 其中有些电子的能量损 失具有特征值 称为失具有特征值 称为特征能量损失电子特征能量损失电子 特征能量损失电子的特征能量损失电子的能量与样品中元素的原子序数有对应关能量与样品中元素的原子序数有
9、对应关 系系 其 其强度随对应元素的含量增大而增大强度随对应元素的含量增大而增大 利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失电子信号 可进行利用电子能量损失谱仪接收特征能量损失电子信号 可进行 微区成分的定性和定量分析微区成分的定性和定量分析 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 8 四 二次电子四 二次电子 在入射电子作用下 使样品原子的外层价电子或自由电在入射电子作用下 使样品原子的外层价电子或自由电 子被击出样品表面 称为二次电子子被击出样品表面 称为二次电子 产生于产生于样品表层样品表层5 10nm的深度范围的深度范围 能量较低 能量较低 一般不超过一般不超过 50eV 大多数均小于大多数
10、均小于10eV 其产额对样品表面形貌非常敏感 因此二次电子像可提供其产额对样品表面形貌非常敏感 因此二次电子像可提供表表 面形貌衬度面形貌衬度 二次电子像主要用于二次电子像主要用于断口分析 显微组织分析断口分析 显微组织分析和和原始表面形原始表面形 貌观察貌观察等等 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 9 电子信号强度的关系电子信号强度的关系 如果使样品接地 如果使样品接地 上述四种电子信号强度与入射电子强上述四种电子信号强度与入射电子强 度度 i0 之间应满足之间应满足ib is ia it i0 13 1 式中 式中 ib is ia 和和 it分别为分别为 背散射电子 二次电子 吸收
11、背散射电子 二次电子 吸收 电子和透射电子信号强度 上电子和透射电子信号强度 上 式两端除以式两端除以 i0 得得 1 13 2 式中 式中 和和 分别为背分别为背 散射 发射 吸收和透射系数散射 发射 吸收和透射系数 上述四个系数与上述四个系数与 样品质量厚度样品质量厚度 的关系如图的关系如图13 2所示所示 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 图图13 2 铜样品铜样品 及及 与与 t 的关系的关系 入射电子能量入射电子能量E0 10keV 10 五 特征五 特征X射线射线 如前如前 第一章第一章 所述 所述 当入射电子能量足以使样品原子的当入射电子能量足以使样品原子的 内层电子击出时
12、 原子处于能量较高的激发态 外层电子将内层电子击出时 原子处于能量较高的激发态 外层电子将 向内层跃迁填补内层空位 发射向内层跃迁填补内层空位 发射特征特征X射线射线释放多余的能量释放多余的能量 产生于产生于样品表层约样品表层约1 m的深度范围的深度范围 其其能量或波长与样品中元素的原子序数有对应关系能量或波长与样品中元素的原子序数有对应关系 其其强度随对应元素含量增多而增大强度随对应元素含量增多而增大 特征特征X射线主要用于材料射线主要用于材料微区成分定性和定量分析微区成分定性和定量分析 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 11 六 俄歇电子六 俄歇电子 处于能量较高的激发态原子 外层电
13、子将向内层跃迁填处于能量较高的激发态原子 外层电子将向内层跃迁填 补内层空位时 不以发射特征补内层空位时 不以发射特征X射线的形式释放多余的能量 射线的形式释放多余的能量 而是向外发射外层的另一个电子 称为而是向外发射外层的另一个电子 称为俄歇电子俄歇电子 产生于样产生于样品表层约品表层约1nm的深度范围的深度范围 其其能量能量与样品中元素的原子序数存在对应关系 与样品中元素的原子序数存在对应关系 能量较低 能量较低 一般在一般在 50 1500eV 范围内范围内 其其强度随对应元素含量增多而增大强度随对应元素含量增多而增大 俄歇电子主要用于俄歇电子主要用于材料极表层的成分定性和定量分析材料极
14、表层的成分定性和定量分析 第一节 电子束与样品相互作用产生的信号 12 第二节扫描电镜的构造和工作原理 如图如图13 3所示 扫描电子显微镜由电子光学系统 信号所示 扫描电子显微镜由电子光学系统 信号 收集和图像显示记录系统 真空系统三个基本部分组成收集和图像显示记录系统 真空系统三个基本部分组成 图图13 3 扫描电子显微镜的结构原理图扫描电子显微镜的结构原理图 13 一 电子光学系统一 电子光学系统 镜筒镜筒 1 电子枪电子枪 扫描电镜中的电子枪与透射电镜基本相同 扫描电镜中的电子枪与透射电镜基本相同 也有热发射和场也有热发射和场 发射两种 只是发射两种 只是加速电压加速电压较低 一般较低
15、 一般最高为最高为30kV 2 电磁透镜电磁透镜 扫描电镜中的电磁透镜并扫描电镜中的电磁透镜并不用于聚焦成像不用于聚焦成像 而均为聚光镜 而均为聚光镜 它们的它们的作用是把电子束斑尺寸逐级聚焦缩小作用是把电子束斑尺寸逐级聚焦缩小 从电子枪的束从电子枪的束 斑斑50 m 缩小为几个纳米的电子束缩小为几个纳米的电子束 扫描电镜一般配有三个聚光镜 扫描电镜一般配有三个聚光镜 前两级聚光镜为强磁透镜 前两级聚光镜为强磁透镜 末级透镜是弱磁透镜 具有较长的焦距 习惯上称之为物镜 末级透镜是弱磁透镜 具有较长的焦距 习惯上称之为物镜 扫描电镜扫描电镜束斑尺寸约为束斑尺寸约为3 5nm 场发射扫描电镜可小至
16、场发射扫描电镜可小至1nm 第二节扫描电镜的构造和工作原理 14 一 电子光学系统一 电子光学系统 3 扫描线圈扫描线圈 扫描线圈的作用是使扫描线圈的作用是使电子束偏转电子束偏转 并在样品表面作有规则的并在样品表面作有规则的 扫描 两种方式见图扫描 两种方式见图13 4 表面形貌分析时 采用表面形貌分析时 采用光栅光栅 扫描扫描方式 电子束在样品表方式 电子束在样品表 面扫描出方形区域面扫描出方形区域 电子通道花样分析时 采用电子通道花样分析时 采用 角光栅角光栅 摇摆摇摆 扫描扫描方式方式 扫描线圈扫描线圈同步控制同步控制电子束在电子束在 样品表面的扫描和显像管的样品表面的扫描和显像管的 扫描扫描图图13 4 电子束的扫描方式电子束的扫描方式 a 光栅扫描光栅扫描 b 角光栅扫描角光栅扫描 第二节扫描电镜的构造和工作原理 15 一 电子光学系统一 电子光学系统 4 样品室样品室 样品室位于镜筒的最下方 除了放置样品外 还要在合样品室位于镜筒的最下方 除了放置样品外 还要在合 适位置安放各种信号探测器适位置安放各种信号探测器 样品台是一个复杂而精密的组件 应能可靠地承载或夹持样样品台是
