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1、材料显微结构分析方法清华大学研究生课程IV. 电子束与物质的互作用 一. 物质对入射电子的散射 1.电子束来源及主要参数 电子枪 ： 阴极（灯丝） W丝 LaB6, 发射电子 聚焦罩 -102-103伏 控制电子束质量 聚焦阳极：正高压 加速e灯丝聚焦罩 阳极电子参数： 束斑直径D： 50 1m 电流： 1012106A 球面发散度：Sr=束斑面积/距离20.5(10-2 rad)2. 两种类型的散射及产物 弹性散射 改变轨道，能量不变 非弹性散射 改变轨道，能量改变 非弹性散射产物形貌二次电子俄歇电子连续与特征X线长波辐射 （红外,可见,紫外）等离子激光(plasma)电子空穴对 晶格振动（
2、声子）内电磁场电子结构晶体结构成份分析XRD XRF不同深度成份分析 (Anger谱仪)形貌(SEM)可能获得信息3. 散射截面Q（或） 表征物质对电子的散射能力 nt:单位体积内物质的粒子数 QN/ntni cm2 ni:单位面积内的入射电子数 N:单位体积内电子发生散射的次数 Q：相当于发生散射的几率，即相当于一个 给定的互作用的有效原子截面。 nt =No/A 设在dx=自由程内， 则 Q=(1/)/(No/A) 平均一个电子只发生一次散射。 或 A/(NoQ) ni=1 N=1/ 1/=1/a + 1/b + 1/c + cm-1 平均自由程 :QN/ntni cm2 二. 弹性散射截
3、面 散射角超过 0 事件的几率。Z:原子系数 QZ2 E:电子能量 (Kev) Q1/E2 E相同时 QPb QFe Qc Z相同时 Q10Kv Q20Kv Q30Kv 三. 非弹性散射能量损失 固体中单位距离内非弹性散射引起的能量 损失，Bethe方程: 式中，A：是原子量一切可能的能量损失 过程中平均每次互作用的能量损失。 Em：路程中平均电子能 （Kev） J：平均电离能: 引入阻碍本领概念S ：由于：可见：四. 散射的作用体积 弹、非弹散射过程迫使 原来的入射电子不断改变方 向即降低能量，运动轨迹是 具有一定区域的弥散颁布的 统计状态。 互作用不足以产生二次 辐射反应(如特征XRay)
4、。 这样一个区域称为散射的作 用体积。*作用体积影响因素： #作用体积形态：梨形反之：五. 背散射电子 被、从试样中散射出的电子 nBS:1. 背散射系数: nB :背散射电子总数背散射电流iBS:入射电子总数入射电流iB:通常当试样有+50V偏压时：2. 的影响因素：数目对Z敏感，(1) 原子序数 对多元素试样：即表明 (2)入射电子能量 受影响不大 可多次反射更多机会被散射（从试样中逸出） 穿透深度深不易被散射（从试样中逸出） 在SEM中作为元素相分析的一种依据 。 (3) 倾倾斜角 :试样试样 法线线和入射e方向的夹夹角 （对纯对纯 元素） 变变成不对对称 (4) 角分布 则： 实际试样
5、表面起伏，即 变，探测器在表面固定处 测量，就可以获得与表面 起伏相应的信号起伏（ SEM图象原理）。 =0时，与背散射电电子数的函数关系 (1) 能量分布 因为非弹散引起的能量 损失(典型值10ev/10nm)，即分布情况不一样。同一Eo,同一Take-off角： Z小(轻)，分布宽； Z大(重)，分布窄，更趋于W=1。 同一Eo,不同Take-off角，各逸出路径不同，所 以存在一个能量分布。 由入射电电子激发试样发试样 原子发发射出的派生电电子。 小于50ev的背散射电电子。六. 二次电电子 1.二次电电子发发射系数及逸出深度 a.直接由原入射eB引起 来源：(1)发发射系数：b.间接由
6、背散射引起(2)逸出深度 特点： ESE小，易被吸收 。 逸出深度浅，只有表层层可检测检测 。 所以SEM二次电子像有高分辨率。出射几率： Z: 深度 (1)原子系数Z 对对Z的灵敏程度远远不如 所以在SEM中观观察SEF时时，不应应单纯追求高Kev 2.影响二次电电子的因素 (2)入射电电子能量 (3)试样倾试样倾 角 所以，同一take-off接受eSE，可反 映试样起伏. (4)角分布 材料显微结构分析X光化学分析 一. 分析理论基础及方法 理论论基础础： 莫塞莱定率 h: plank常数 K: 与马马德堡常数有关 ：屏蔽常数L系 常用K系 XRF 激发发源:一次X-Ray e束 EPM
7、A 不必导电导电 ，液体可 试样试样： 微区 导电或镀膜 Be4-U92 相对较对较 低，几百 ppm；绝对较绝对较 高， 10131014g 少量到百分之百 可，必须须校正 照射区域： 检测检测 范围围：含量限制： 灵敏度： 定量分析： 展谱谱方式： 大面积积 F9U92 (C6) 相对较对较 高,几-几十 ppm；绝对较绝对较 低。 微量到百分之百 WDS或EDS 分光(展谱)原理因试样试样 中所有元素的特征X线线同时时被激出 ！1.WDS：Wave Dispersive Spectroscopy利用波动性 逐一展谱2.EDS：Energy Dispersive pectroscopy利用
8、粒子性h 同时时展谱谱两种展谱方式 二.WDS分光 原理：利用Bragg方程 但几何布置有区别。 EPMA与XRF的WDS分光 原理相同， 试样e束 分光晶体准直光栏探测器G例：常用分光晶体LiF 时，接收到强信号。 则：为 CoK1.7901 当分光晶体： 由Bragg方程对一定的晶体的(hkl), 有确定范围 如：LiF 就不适用 晶体d， 必须配备多个分光晶体。 对分光晶体选择原则： (2) 同一元素精细结构： 高分辨率(1) 特征谱线波长相近的元素： ADP(NH4H2PO4) (200) 7.50SiO2 (101) 6.86分光晶体：d，则 对标准晶体:d不变 分辨率越高。 大角(
9、接近90), 小面间距晶体, *聚焦条件： 线条不宽化，避免重叠 XRF的聚焦方式： 弯曲晶体置于聚焦 圆上以绕圆心转 探测器置于聚焦 圆上以2绕圆心转 ,并自转。 符合 探测器G弯曲晶体D EPMA聚焦方式： 弯曲晶体以v直线运动探测器四叶玫瑰园 轨迹运动 符合 以上聚焦方式可分辨如： e束 探测器G弯曲晶体 直进V l *遇下述情况，解决方案： 很小时 改为探测 ：AsK 或 L Pb L不同级别级别 衍射线线重叠 不同级别级别 衍射线线重叠 可采取在探测测器线线路中加上PHA 装置来区别别解决办办法: PHA: pulse height analysiser 一定能量的光子在PHA中产生
10、电离形成一 电压脉冲，这种脉冲高度与h成正比 。晶体分光优点： 分辨率高 1. 分光系统复杂 晶体分光缺点： 2. 元素逐一检测 3. 总的灵敏度不高：XRD效率低； 进到计数器就更低；立体角小。 三.EDS X光子作用下， 原子电离产生电子空穴 对.在反向电压下，电子空 穴对载流子运动,使负载电 阻上产生压降,输出脉冲信号放大器。 锂漂移硅检测器： 原理： Si(Li)或Ge(Li) PN中 间 层_+前 置 放 大 器平均3.8ev可产产生一个电电子空穴对对。 所以不同Z激发检测发检测 器的X光子能量及总总 强度不同，可作元素成份分析及定量。 检测检测 器等量放大器及主放大器 多道 分析器
11、存储储显显示（屏幕、打印） X光子h个数(强度)每秒产产生脉冲的次数 通过过某道的该该数量的X射线线强度定量。 X光子能量h一个光子引起的脉冲幅度高 度占多道分析器某道定性。 020Kev, 10ev/每道，2048道EDS优优点： 探测器可与试样离得很近，效率 很高，同时展谱 分辨率较低，目前商品为150ev 。 EDS缺点： 四. X光荧荧光定量分析(2) 基体增强效应应： 被检检元素特征X射线线被 基体中其它元素所吸收； (1) 基体吸收效应应：不成线线性关系，原因为为基体效应应。待测基体某元素 基体效应应例不成线线性关系。 吸收限波长质 量 吸 收 系 数 FeK:1.9373, K吸
12、收:1.7433 MoK:0.7107 NiK:1.6592 若测Ni？(1) 基本参数法：理论计论计 算，由数学模型 及计计算机编编程。 定量分析： (2) 经验经验 系数法：用经验经验 方法来确定一种 元素对对另一种元素的基体效应应 *应应用举举例 混合物中i元素的 混合物中第 i 元素的相对荧对荧 光强 度 纯纯i相的 n种元素试样 令： ：混合物中第i 元素重量百分比 ：纯纯i元素重量百分比 K 应应是基体各元素 j对对 i元素影响的总总效果。 那么有： 代表j 元素(包括 i)对对i元素的基体效应应的影响因子。 Qij：令：有n种元素，显显然有即把激发发源的多色谱线谱线 看成某种 有
13、效波长长的增强效应削弱的低吸收效 应的近似处处理。 关键求 个试样试样 有A,B,C三元素， (1) 配三个wt%已知的标标准试样试样 应应用举举例： 找出纯纯A,B,C三标样标样 求第 i 元素的Ri 实验实验 条件完全一致 。 (2) XRF测测三试样试样 及纯纯A,B,C三标样标样 ， 求出各： 同理求： (3) 求各元素j 对对i 元素的影响因 子 对对待测试样测试样 及各纯纯A,B,C作XRF， 求出各 (4) 实测实测 ： 应用已求得的 由 和 解 作业：习题二十一习题二十四习题二十三实验、上课安排：1. 实验： PMN-PT-PZ铁电陶瓷的织构 的取向分布函数测定第八周 十一月十日周五2. 上课：第九周 十一月十七日周五实 验：PMN-PT-PZ铁电陶瓷的织构的取向分布函数测定不同配方、不同烧结工艺、不同极化电压一. 求极化后PMN-PT-PZ陶瓷的织构的三. 作极化后PMN-PT-PZ陶瓷的织构的反极图 .二. 求所作试样PMN-PT-PZ陶瓷的实际晶格常数 .四. 为什么试样的XRD花样特征与JCPDS卡81- 0861的PMN数据存在差异?
