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1、?扫描电子显微镜 电子光学基础 电子与固体物质的相互作用 扫描电子显微分析 扫描电子显微镜应用 扫描电子显微镜 电子光学基础 电子与固体物质的相互作用 扫描电子显微分析 扫描电子显微镜应用 ?电子探针仪 X射线显微分析及应用 电子探针仪 X射线显微分析及应用 ?透射电子显微镜 透射电子显微分析 透射电子显微镜应用 透射电子显微镜 透射电子显微分析 透射电子显微镜应用 电子显微分析电子显微分析电子显微分析电子显微分析 张海军教授张海军教授张海军教授张海军教授 027027- -6886282968862829 ?材料的材料的固有性质固有性质、材料的、材料的结构与成分结构与成分、 材料的 、 材料
2、的使用性能使用性能和材料的和材料的合成与加工合成与加工构 成材料研究的四大要素。 构 成材料研究的四大要素。 ?任何一种材料的宏观性能或行为，都 是由其微观组织结构所决定的。 任何一种材料的宏观性能或行为，都 是由其微观组织结构所决定的。 电子显微分析电子显微分析电子显微分析电子显微分析 绪绪绪绪 论论论论 ?现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料性能和 成分结构及微观组织关系的理解；对材料在微观层次上的 表征技术，构成了材料科学的一个重要组成部分。 现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料性能和 成分结构及微观组织关系的理解；对材料在微观层次上的 表征技术，构成了材料科学的一个重要组成
3、部分。 ?用电子光学仪器对物质组织、结构、成份进行研究的技 术构成 用电子光学仪器对物质组织、结构、成份进行研究的技 术构成电子显微术电子显微术。 ?可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌和结构。可以在极高放大倍率下直接观察试样的形貌和结构。 ?是一种微区分析方法，具有极高的分辨率。是一种微区分析方法，具有极高的分辨率。 ?多功能、综合化发展。可以进行形貌、物相、晶体结构 和化学组成等的综合分析。 多功能、综合化发展。可以进行形貌、物相、晶体结构 和化学组成等的综合分析。 特点特点特点特点 绪绪绪绪 论论论论 电子显微分析的主要仪器是电子显微镜电子显微分析的主要仪器是电子显微镜(electro
4、n microscope，EM) 。 ?一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产 生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。 一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用所产 生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。 ?近年来，由於电子光学理论的迅速发展，重新定义其为一种近年来，由於电子光学理论的迅速发展，重新定义其为一种 利用电子与物质作用所产生讯号来鉴定微区域晶体结构利用电子与物质作用所产生讯号来鉴定微区域晶体结构 (crystal structure， CS) 、微细组织微细组织 (microstructure，MS) 、 化学成份化学成份(chemical
5、 composition，CC) 、化学键结化学键结(chemical bonding，CB) 和和电子分布电子分布情况情况 (electronic structure，ES) 的的 电子光学装置电子光学装置。 绪绪绪绪 论论论论 ?电子显微分析主要仪器：电子显微分析主要仪器： ?透射电子显微镜（透射电子显微镜（透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEMTEMTEMTEM） 是一种具有是一种具有原子尺度原子尺度分辨能力，能同时提供分辨能力，能同时提供物 理分析 物 理分析和和化学分析化学分析所需全部功能的仪器。选区电子衍 射技术的应用，使得 所需全部功能的仪器。选区电子衍 射技术的应用，使得微区形
6、貌微区形貌与与微区晶体结构微区晶体结构分析结 合起来，再配以能谱或波谱进行 分析结 合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份微区成份分析，得到 全面的信息。 分析，得到 全面的信息。 绪绪绪绪 论论论论 ?扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEMSEMSEMSEM） SEM解释试样成像及制作试样较容易；以较高 的分辨率（3.5nm）和很大的景深， SEM解释试样成像及制作试样较容易；以较高 的分辨率（3.5nm）和很大的景深，清晰地显示粗 糙样品的表面形貌 清晰地显示粗 糙样品的表面形貌，辐以多种方式给出，辐以多种方式给出微区成份微区成份等 信息，用来观察断口表面微观
7、形态，分析研究断裂 的原因和机理，以及其它方面的应用 等 信息，用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂 的原因和机理，以及其它方面的应用，为研究物 体表面结构及成份的利器。 为研究物 体表面结构及成份的利器。 绪绪绪绪 论论论论 ?电子探针（电子探针（电子探针（电子探针（EPMAEPMAEPMAEPMA） 是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的显微 分析仪器，它可以对 是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的显微 分析仪器，它可以对微米数量级微米数量级侧向和深度范围内的材 料微区进行相当灵敏和精确的化学成份分析，基本上解 决了鉴定元素分布不均匀的困难。 侧向和深度范围内的材 料微区进行相当灵
8、敏和精确的化学成份分析，基本上解 决了鉴定元素分布不均匀的困难。 常用光电观测仪器比较常用光电观测仪器比较 ?近代材料学者利用许多波性粒子与材料作用产生讯 号来分析材料之构造与缺陷。 近代材料学者利用许多波性粒子与材料作用产生讯 号来分析材料之构造与缺陷。 ?常用分析仪器包括光学显微镜、X光衍射仪及电子显 微镜。这些分析仪器各有所长，亦有短缺不足之处。 常用分析仪器包括光学显微镜、X光衍射仪及电子显 微镜。这些分析仪器各有所长，亦有短缺不足之处。 ?三种分析仪器之特性、功能及适用范围表列於表1， 最有效之分析方法乃在适当配合使用各种仪器，以期 各种功能相辅相成。 三种分析仪器之特性、功能及适用
9、范围表列於表1， 最有效之分析方法乃在适当配合使用各种仪器，以期 各种功能相辅相成。 绪绪绪绪 论论论论 常用光电观测仪器比较常用光电观测仪器比较 表表 1 各种主要分析仪器之比较表各种主要分析仪器之比较表 仪器 特性 仪器 特性 光学显微镜光学显微镜X光衍射仪光衍射仪电子显微镜电子显微镜 质波质波可见光可见光X 光光电子电子 波长波长5000 10.037 (100 kV) 介质介质空气空气空气空气 真 空真 空 ( torr至至torr) 鉴别鉴别 2000X衍射衍射: 直接成像直接成像: m 衍射衍射: 直接成像：直接成像：(a)点与点间点与点间1.8 (b)线与线间线与线间1.4 偏
10、折 聚焦镜 偏 折 聚焦镜 光学镜片光学镜片无无电磁透镜电磁透镜 试片试片限厚限厚反射：限厚 穿透： 反射：限厚 穿透：mm 扫瞄式：仅受试样基座大小影响扫瞄式：仅受试样基座大小影响 穿透式：穿透式：1000 讯号类讯号类表明区域表明区域统计平均统计平均局部微区域局部微区域 可获资料可获资料表面微细结构表面微细结构 主要为晶体结构主要为晶体结构,化学 組成 化学 組成 晶体结构晶体结构,微细组织微细组织,化学组成 电子分布情况等 化学组成 电子分布情况等 绪绪绪绪 论论论论 电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中 运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科 学。 电子光
11、学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中 运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科 学。它与几何光学有很多相似之处： （ 它与几何光学有很多相似之处： （1）几何光学是利用）几何光学是利用透镜透镜使光线使光线聚焦成像聚焦成像，而电子光学则利 用 ，而电子光学则利 用电、磁场电、磁场使电子束使电子束聚焦成像聚焦成像，电、磁场起着透镜的作用。 （ ，电、磁场起着透镜的作用。 （2）几何光学中，利用）几何光学中，利用旋转对称面旋转对称面作为折射面，而电子光学 系统中，是利用 作为折射面，而电子光学 系统中，是利用旋转对称的电、磁场产生的等位面旋转对称的电、磁场产生的等位面作为折射面
12、。 因此涉及的电子光学主要是研究电子在旋转对称电、磁场中的 运动规律。 作为折射面。 因此涉及的电子光学主要是研究电子在旋转对称电、磁场中的 运动规律。 第一节 电子光学基础第一节 电子光学基础 （3）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹）电子光学可仿照几何光学把电子运动轨迹看成射线看成射线， 并由此引入一系列的几何光学参数来表征电子透镜对于电子 射线的 ， 并由此引入一系列的几何光学参数来表征电子透镜对于电子 射线的聚焦成像聚焦成像作用。 但应注意电镜中的电子光学： （ 作用。 但应注意电镜中的电子光学： （1）是）是真空中的静场，真空中的静场，即电、磁场与时间无关，且处于 真空中。 （ 即
13、电、磁场与时间无关，且处于 真空中。 （2）入射的电子束轨迹必须满足）入射的电子束轨迹必须满足离轴条件：离轴条件： (2)1 dz rd (1)0| r | 2 2 ? ? (1)(1)式表示电子轨迹的式表示电子轨迹的式表示电子轨迹的式表示电子轨迹的离轴距离很小离轴距离很小离轴距离很小离轴距离很小，远小于电子束的沿轴距离。，远小于电子束的沿轴距离。，远小于电子束的沿轴距离。，远小于电子束的沿轴距离。 (2)(2)式表示电子轨迹相对于式表示电子轨迹相对于式表示电子轨迹相对于式表示电子轨迹相对于旋转对称轴的斜率极小旋转对称轴的斜率极小旋转对称轴的斜率极小旋转对称轴的斜率极小，即张角很小。，即张角很
14、小。，即张角很小。，即张角很小。 当该条件不能满足时，就产生当该条件不能满足时，就产生当该条件不能满足时，就产生当该条件不能满足时，就产生 像差，影响电子显微镜的分辨像差，影响电子显微镜的分辨像差，影响电子显微镜的分辨像差，影响电子显微镜的分辨 本领本领本领本领 光衍射使得由物平面内的点O光衍射使得由物平面内的点O1 、 1 、 O O2 2 在象平面形成一B 在象平面形成一B1 、 1 、 B B2 2圆斑 （Airy斑）。若O 圆斑 （Airy斑）。若O1 、 1 、 O O2 2靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。 O O1 1 O O2 2 d d
15、L 强度强度 D D 图（图（图（图（a a a a）点）点）点）点O O O O1 1 1 1 、 O O O O 2 2 2 2 形成两个 形成两个形成两个形成两个AiryAiryAiryAiry斑；图（斑；图（斑；图（斑；图（b b b b）强度分布）强度分布）强度分布）强度分布 （a） （b） （a） （b） B1 B2 R0 一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性 图（c）两个Airy斑 明显可分辨出 图（d）两个Airy斑 刚好可分辨出 图（e）两个Airy斑 分辨不出 图（c）两个Airy斑 明显可分辨出 图（d）两个Airy斑
16、刚好可分辨出 图（e）两个Airy斑 分辨不出 I I 0.81I0.81I R0 一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性 阿贝（Abbe）根据衍射理论推导出了光学透镜分辨本领的公式阿贝（Abbe）根据衍射理论推导出了光学透镜分辨本领的公式 0.61 sinn r = 一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性一、光学显微镜的局限性 ? 一个世纪以来人们一直用光学显微镜来揭示材料的微观结 构，但光学显微镜的分辨能力有限的。 一个世纪以来人们一直用光学显微镜来揭示材料的微观结 构，但光学显微镜的分辨能力有限的。 ? 光学显微镜的光学显微镜的“分辨本领分辨本领”是表示一个光学系统刚能清楚地 分开两个物点间的 是表示一个光学系统刚能清楚地 分开两个物点间的最小距离，距离越小，分辨能力越高。最小距离，距离越小，分辨能力越高。 d指物镜能够分开两个点之间的最短距离，称为物镜的分辨 本领或分辨能力； 为入射光的
