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1、电子显微分析技术2024/7/201现代分析测试技术之电子显微测量2024/7/202现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图所示。物体AB经物镜成放大倒立的实像A1B1，A1B1位于目镜的物方焦距的内侧，经目镜后成放大的虚像A2B2于明视距离处。2024/7/203现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量显微技术的相关概念放大倍数放大倍数：M=成像大小/实物大小SECTION:物理学基物理学基础现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量是指光学仪器所能区分的两相邻物点之间最小距离，通常用表示，越小，表示能分清物体的细节越细，分辨本领越好可可见
2、光系光系统最小分辨率最小分辨率=200nm分辨本领分辨本领2024/7/204现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量圆孔的Fraunhofer衍射示意图(a)和衍射圆斑(b)SECTION:物理学基物理学基础2024/7/205光波衍射光波衍射中央亮斑被称之为中央亮斑被称之为Airy斑斑R=0.61 /(N*sin )2024/7/205现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础62024/7/20现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量根据“瑞利”判据，当A、B两点靠近到使像斑的重叠部分达到各自的一半时，则认为此两点的距离即是透镜的分辨本领
3、；由此得出显微镜的分辨本领公式（阿贝公式）为：d=0.61/(N*sin)其中: N*sin是透镜的孔径数(简写为N*A)常于镜头上标明，其最大值为1.3因此，上式可近似化简为：d=0.5 光学显微镜可见光的波长为400760nm。光波的衍射光波的衍射SECTION:物理学基物理学基础2024/7/207现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量传统光学显微系统的不足：传统光学显微系统的不足：1.第一，光线不可能传递所有信息，光波讯号是决定分辨本领高低的主要因素，受光波的衍射(Diffraction)等制约2.第二，分辨本领的高低取决于光学仪器元件的精度， 对光学显微镜来说，起主要作用的是
4、物镜，由计算得到光学显微镜所能分辨的最小距离=0.61(/Nsin) 3.第三，对光学仪器而言，任何系统的最终像将形成在某种装置上，如眼睛的视网膜，电视摄像的镜头等，这些光学“仪器”的分辨率，不仅有一定的限制，而且仅能反映可见光SECTION:物理学基物理学基础现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量2024/7/208现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子显微分析方法的种类透射电子显微镜(TEM)可简称透射电镜扫描电子显微镜(SEM)可简称扫描电镜 电子探针X射线显微分析仪简称电子探针SECTION:物理学基物理学基础2024/7/209现代分析代分析测试技技术之之电子子显微
5、微测量量它们的根本不同点在于光学显微镜以可见光作照明束，透射电子显微镜则以电子为照明束。在光学显微镜中将可见光聚焦成像的是玻璃透镜，在电子显微镜中相应的为磁透镜。TEM【TransmissionElectronMicroscope】SECTION:物理学基物理学基础Philips CM12透射电镜1924年de Broglie提出波粒二象性假说 1927 Davisson & Germer, Thompson and Reid 进行了电子衍射实验。1933年柏林大学的Knoll和Ruska研制出第一台电镜（点分辨率50nm, 比光学显微镜高4倍)，Ruska 为此获得了Nobel Prize（
6、1986）2024/7/2010现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SEM【ScanningElectronMicroscope】主要是利用样品表面产生的二次电子或散射电子成像来对物质的表面结构进行研究，是探索微观世界的有力工具SECTION:物理学基物理学基础1935：法国的卡法国的卡诺尔尔提出提出扫描描电镜的的设计思想和思想和工作原理。工作原理。1942：剑桥大学的大学的马伦首次首次制成世界第一台制成世界第一台扫描描电镜。2024/7/2011现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子波子波高速运动的电子所具有的动能是由电场提供的： 1/2m2=eU，=h/m 电子具有的
7、波长应为； =h/(2meU)0.5=1.226/U0.5 (nm)其中:h=6.6210-34(Js),e=1.6010-19(C),m=9.1110-31(kg) 在电子显微镜中，电子的加速电压很高，电子速度很大，接近光速。此时需考虑运动速度对粒子质量的影响根据相对性原理而得到电子波的波长表达式为： = 1.226/(1+0.978810-6U) 0.5SECTION:物理学基物理学基础2024/7/2012现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量加速加速电压(kV)电子波子波长(A)250.076500.
8、054750.0431000.0372000.0255000.01410000.008730000.0036电子波子波长与与电场电压关系：关系：成反比成反比2024/7/2013现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量入射电子束入射电子束吸收电子吸收电子二次电子二次电子背散射电子背散射电子俄歇电子俄歇电子特征特征X射线射线透射电子透射电子透射电子透射电子（包含非弹性散射电子）（包含非弹性散射电子）（弹性散射电子）（弹性散射电子）样样品品电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用SECTION:物理学基物理学基础2024/7/2014现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量现代分析测试
9、技术电子显微测量技术电子显微测量技术背散射电子背散射电子(Back scattering electron简称简称B.E)被被试试样样反反弹弹回回来来的的入入射射电电子子，包包括括弹弹性性背背散散射射电电子子和和非弹性背散射电子。非弹性背散射电子。能能量量较较高高（等等于于或或接接近近入入射射电电子子的的能能量量）。产产率率与与试试样样的的表表面面形形态态和和成成分分有有关关，随随试试样样原原子子序序数数的的增增大大而增大而增大。在扫描电镜中，用其获取试样的表面在扫描电镜中，用其获取试样的表面形貌像形貌像和和成分像成分像。概念概念概念概念特点特点特点特点用途用途用途用途现代分析测试技术电子显微
10、测量技术电子显微测量技术二次电子二次电子(Secondary electron简称简称S.E)在在入入射射电电子子的的撞撞击击下下，脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚，逸出试样表面的自由电子逸出试样表面的自由电子。能能量量较较低低(小小于于50eV)，产产生生范范围围小小（仅仅在在试试样样表表面面10nm层层内内产产生生）；产产率率与与试试样样的的表表面面形形态态密密切切相相关关，对对试试样样的的表表面面状状态态非非常常敏敏感感，能能很很好好地地反映试样的表面形貌。反映试样的表面形貌。在扫描电镜中用其获取试样的表面在扫描电镜中用其获取试样的表面形貌像形貌像。概念概念概念概念特点特点特点特点用途用
11、途用途用途现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术吸收电子吸收电子(Absorption electron简称简称A.E)被试样吸收的入射电子称为吸收电子被试样吸收的入射电子称为吸收电子。数数量量与与试试样样的的厚厚度度、密密度度、组组成成试试样样的的原原子子序序数数有有关关。试试样样的的厚厚度度越越大大、密密度度越越大大，原原子子序序数数越越大大，吸吸收收电电子子的的数数量量就就越越大大。如如果果试试样样足足够够厚厚，电电子子不不能能透透过过试试样样，那那么么入入射射电电子子的的强强度度I0与与背背散散射射电电子子的的强强度度IB、二二次次电电子子的的强度强度IS和吸收电子的强度和吸
12、收电子的强度IA之间有以下关系之间有以下关系I0=IB+IS+IA(1)故吸收电子像是二次电子像、背散射电子像的负像。故吸收电子像是二次电子像、背散射电子像的负像。在扫描电镜中用其获取试样的在扫描电镜中用其获取试样的形貌像、成分像形貌像、成分像。概念概念概念概念特点特点特点特点用途用途用途用途现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术二次电子像二次电子像吸收电子像吸收电子像背散射电子形貌像背散射电子形貌像现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术透射电子透射电子(Transmission electron简称简称T.E)穿透试样的入射电子称为透射电子穿透试样的入射电子称为透射电子。
13、数数量量与与试试样样的的厚厚度度和和加加速速电电压压有有关关。试试样样厚厚度度越越小小，加加速速电电压压越越高高，透透过过试试样样的的电电子子数数量量就就越越多多。试试样样比比较较薄薄的的时时候候，由由于于有有透透射射电电子子存存在在，(1)式式的的右右边边应应加加上上透透射射电电子项，即子项，即I0=IB+IS+IA+IT透透射射电电子子是是透透射射电电子子显显微微镜镜要要检检测测的的主主要要信信息息，用用于于高高倍倍形形貌貌像像观观察察，高高分分辨辨晶晶格格像像观观察察和和电电子子衍衍射射晶晶体体结结构分析构分析。概念：概念：概念：概念：特点：特点：特点：特点：用途：用途：用途：用途：现代
14、分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术俄歇电子俄歇电子(auger electron)由由俄俄歇歇作作用用产产生生的的自自由由电电子子称称为为俄俄歇歇电电子子。如如下下图图所所示示，入入射射电电子子将将试试样样中中某某原原子子的的内内层层(如如K层层)电电子子打打飞飞后后，外外层层电电子子(如如L2层层电电子子)将将回回跃跃到到内内层层(K层层)来来填填补补空空位位，多多余余的的能能量量(E=EL2-EK)不不是是以以特特征征X射射线线的的形形式式释释放放出出来来，而而是是传传给给了了外外层层(如如L3层层)的的电电子子，使使之之激激发发。这这个个过过程程称称为为俄俄歇歇作作用用，由由此
15、此产产生生的的自自由由电电子称为俄歇电子。子称为俄歇电子。KL3L2L1高能电子高能电子光电子光电子K-L2,L3俄歇电子俄歇电子概念概念概念概念现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术俄俄歇歇电电子子与与特特征征X射射线线一一样样，具具有有特特定定的的能能量量和和波波长长，其其能能量量和和波波长长取取决决于于原原子子的的核核外外电电子子能能级级结结构构。因因此此每每种种元元素素都都有有自自己己的的特特征征俄俄歇歇能能谱谱。俄俄歇歇电电子子的的能能量量一一般般是是502000eV，逸逸出出深深度度小小（420），相相当当于于23个个原原子子层层。这这种种电电子能反映试样的表面特征。子能
16、反映试样的表面特征。利利用用俄俄歇歇电电子子可可以以对对试试样样表表面面成成分分和和表表面面形貌形貌进行分析。进行分析。特点特点特点特点用途用途用途用途现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术连续连续X射线射线u与与X射射线线管管产产生生连连续续X射射线线的的原原理理一一样样，不不同同的的是是，这这里里作作阳极的不是磨光的金属表面，而是试样阳极的不是磨光的金属表面，而是试样u当当电电子子束束轰轰击击试试样样表表面面时时，有有的的电电子子可可能能与与试试样样中中的的原原子子碰碰撞撞一一次次而而停停止止，而而有有的的电电子子可可能能与与原原子子碰碰撞撞多多次次，直直到到能能量量消消耗耗殆殆
17、尽尽为为止止。每每次次碰碰撞撞都都可可能能产产生生一一定定波波长长的的X射射线线，由由于于各各次次碰碰撞撞的的时时间间和和能能量量损损失失不不同同，产产生生的的X射射线线的的波波长长也也不不相相同同，加加上上碰碰撞撞的的电电子子极极多多，因因此此将将产产生生各各种种不同波长的不同波长的X射线射线连续连续X射线射线u连续连续X射线在电子探针定量分析中作为背景值应予扣除射线在电子探针定量分析中作为背景值应予扣除现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术特征特征X射线射线电电子子束束与与固固体体物物质质作作用用会会产产生生特特征征X射射线线，这这与与X射线管产生特征射线管产生特征X射线的过程和
18、原理相同。射线的过程和原理相同。特特征征X射射线线的的波波长长决决定定于于原原子子的的核核外外电电子子能能级级结结构构。每每种种元元素素都都有有自自己己特特定定的的特特征征X射射线线谱谱。一一种种元元素素的的某某根根特特征征X射射线线(如如K1)的的波波长长是是不不变变的的，它它是是识识别别元元素素的的一一种种特特有有标标志志。在在X射射线线谱谱中中发发现现了了某某种种元元素素的的特征特征X射线，就可以肯定该元素的存在。射线，就可以肯定该元素的存在。特特征征X射射线线是是电电子子探探针针微微区区成成分分分分析析所所检检测测的的主主要要信号。信号。现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术
19、荧光荧光X射线射线由由X射线激发产生的次级射线激发产生的次级X射线称为荧光射线称为荧光X射线射线。其产生机理与其产生机理与X射线管产生射线管产生X射线的机理是一样的，射线的机理是一样的，不同的是荧光不同的是荧光X射线以射线以X射线作激发源。射线作激发源。高能电子束轰击试样，会产生特征高能电子束轰击试样，会产生特征X射线和连续射线和连续X射线。这些射线。这些X射线会使试样中某些元素的内层电子射线会使试样中某些元素的内层电子被激发从而产生次级特征被激发从而产生次级特征X射线。这种由射线。这种由X射线激发射线激发出来的二级出来的二级X射线，叫做射线，叫做荧光荧光X射线射线。电子探针定量分析时，必须考
20、虑电子探针定量分析时，必须考虑X射线荧光效应射线荧光效应的影响，进行的影响，进行X荧光校正。荧光校正。现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术阴极发光阴极发光(荧光荧光)阴阴极极荧荧光光实实际际上上是是由由阴阴极极射射线线（电电子子束束）激激发发出出来来的的一一种种波波长长较较长长的的电电磁磁波波，一一般般是是指指可可见见光光，有有些些书书上上把把红红外外光光和和紫紫外外光光也也包包括在内。括在内。产产生生阴阴极极荧荧光光的的物物质质主主要要是是那那些些含含有有杂杂质质元元素素或或晶晶格格缺缺陷陷(如如间间隙隙原原子子、晶晶格格空空位位等等)的绝缘体或半导体。的绝缘体或半导体。现代分析
21、测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术如如右右图图所所示示，入入射射电电子子束束作作用用在在试试样样上上，使使得得价价带带(满满带带)上上的的电电子子激激发发，从从价价带带越越过过禁禁带带进进入入导导带带。导导带带上上的的电电子子跃跃回回价价带带时时，可可以以是是直直接接跃跃回回价价带带，多多余余的的能能量量以以电电磁磁幅幅射射的的形形式式一一次次释释放放出出来来，其其波波长长由由导导带带与与价价带带的的能能级级差差( E=Ed-Ej)决决定定。如如果果其其波波长长在在可可见见光光的的范范围围，就就会会发发出出可可见见荧荧光光。如如果果其其波波长长比比可可见见光光短短，比比X光光长长，那样就
22、会发出紫外荧光。那样就会发出紫外荧光。价带价带(满带满带)导带导带禁带禁带荧光荧光入射电子入射电子现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术导导带带上上的的电电子子跃跃回回价价带带时时，也也可可能能先先跃跃到到杂杂质质能能级级(或或者者说说被被杂杂质质能能级级捕捕获获)然然后后再再从从杂杂质质能能级级跃跃回回价价带带。这这种种情情况况下下，其其多多余余的的能能量量将将分分两两次次释释放放出出来来，如如果果都都是是以以电电磁磁波波的的形形式式释释放放，那那么么其其波波长长将将由由导导带带能能级级、价价带带能能级级和和杂杂质质能能级级来来决决定定。如如果果波波长长在在可可见见光光范范围围，就
23、就会会发发出出可可见见荧荧光光，如如果果波波长长比比可可见见光光的的长，就可能发出红外荧光。长，就可能发出红外荧光。阴极发光可用来阴极发光可用来研究矿物的发光性、研究矿物的发光性、所含杂质类型和晶格缺陷所含杂质类型和晶格缺陷等。等。价带(满带)导带禁带荧光入射电子杂质能级现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术各种物理信号的产生深度和广度范围各种物理信号的产生深度和广度范围现代分析测试技术电子显微测量技术电子显微测量技术各种物理信号的产生深度广度、用途和分辨率各种物理信号的产生深度广度、用途和分辨率物理信号物理信号产生深度产生深度产生广度产生广度用用 途途分辨率分辨率仪仪 器器俄歇电子
24、俄歇电子10等于电子束作等于电子束作用面积用面积表面形貌和成份像表面形貌和成份像10100 俄歇电子谱俄歇电子谱仪仪二次电子二次电子100 约等于电子束约等于电子束表面形貌像表面形貌像30100 扫描电镜扫描电镜背散射电子背散射电子较大较大大于电子束大于电子束形貌像、成份像形貌像、成份像502000 扫描电镜、扫描电镜、电子探针电子探针吸收电子吸收电子电子穿透电子穿透深度深度大于电子束大于电子束形貌像、成份像形貌像、成份像100010000 扫描电镜、扫描电镜、电子探针电子探针透射电子透射电子形貌像、结构像形貌像、结构像1.4100 透射电镜透射电镜特征特征X射线射线略小于电子略小于电子穿透深
25、度穿透深度大于电子束大于电子束元素定量、定性元素定量、定性分析、元素面分分析、元素面分布像布像电子探针电子探针阴极发光阴极发光大于电子大于电子穿透深度穿透深度远大于电子束远大于电子束晶体缺陷、杂质晶体缺陷、杂质元素分布像、元素分布像、晶体发光晶体发光300010000 扫描电镜、扫描电镜、电子探针电子探针透镜原理透镜原理电子在磁场中运动，将受到洛伦磁力作用。在均匀磁场中，磁力线互相干行，等磁位面是一系列垂直于磁力线的平行平面，磁场方向是固定的，电子在其中运动将作圆周运动或沿着磁场方向作螺旋运动。SECTION:物理学基物理学基础2024/7/2030现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量
26、量如果我们把非均匀磁场的等磁位曲面簇做成轴对称的凸透镜形状(具有此性质的装置即为电磁透镜)，那么电子在其中运动时也将会产生偏向轴方向的折射，使它的运动轨迹呈圆锥螺旋状。SECTION:物理学基物理学基础2024/7/2031现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础电磁透镜光路电磁透镜光路2024/7/2032现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电磁透镜的光学性质电磁透镜的光学性质 SECTION:物理学基物理学基础式中：u、v与f-物距、像距与焦距式中：V0-电子加速电压；R-透镜半径；NI-激磁线圈安匝数；A-与透镜结构有关的比例常数。202
27、4/7/2033现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电磁透镜是一种焦距(或放大倍数)可调的会聚透镜。减小激磁电流，可使电磁透镜磁场强度降低、焦距变长(由f1变为f2 ） SECTION:物理学基物理学基础2024/7/2034现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电磁透镜的分辨本领电磁透镜的分辨本领 式中：A-常数；-照明电子束波长；Cs-透镜球差系数。 r0的典型值约为0.250.3nm，高分辨条件下，r0可达约0.15nm SECTION:物理学基物理学基础几何像差:透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的 差:电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的电磁透镜像差电磁透镜像差
28、(球差、像散等球差、像散等)和色差和色差 2024/7/2035现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础色差色差色差是由于入射电子波长（或能量）不同造成的引起电子束能量变化的主要有两个原因： 一是电子的加速电压不稳定； 二是电子束照射到试样时，和试样相互作用，一部分电子发生非弹性散射，致使电子的能量发生变化2024/7/2036现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础像散像散由透镜磁场的非旋转对称而引起的，这种非旋转对称磁场会使它在不同方向上的聚焦能力出现差别,结果使成像物点P通过透镜后不能在像平面上聚焦成一点，形
29、成一个最小散焦斑2024/7/2037现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子波经过透镜成像时，离开透镜主轴较远的电子(远轴电子)比主轴附近的电子(近轴电子)被折射程度要大。当物点P通过透镜成像时，电子就不会会聚到同一焦点上，从而形成了一个散焦斑SECTION:物理学基物理学基础球差球差2024/7/2038现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:物理学基物理学基础球差造成的散焦斑半径的表达式为显微镜的分辨率由下式决定由上面的两个式子可以看出来，为了提高电镜的分辨率，从衍射的角度来看，应该尽量增大孔径半角，而从球差对散焦斑的影响来看，应该尽量减小孔径半角。为了使
30、电镜具有最佳分辨率，最好使衍射斑半径和球差造成的散焦斑半径相等。在透射电子显微镜中，的值一般很小(一般不会超过5度)，所以有sin ；电子波在真空中传播，所以n=1，故瑞利公式又可以写成2024/7/2039现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量比比较项较项目目透射光透射光镜镜透射透射电镜电镜光 源可见光(日光或电灯光)电子源(电子枪)照明控制玻璃聚光镜电子聚光镜 样 本1mm厚的载玻片约100nm厚的薄膜放大成像系统玻璃透镜电子透镜介 质空气和玻璃高真空成像原理利用不同物质对光的吸收不同利用不同物质对透射电子的散射不同像的观察直接用眼(接目镜)利用荧光屏聚焦方法移动透镜位置改变线圈电
31、流或电压分辨本领200nm 0.20.3nm有效放大倍数1000物镜孔径角约7020后，其信号强度随Z变化很小。 用背散射电子像可以观察未腐蚀样品的抛光面元素分布或相分布，并可确定元素定性、定量分析点。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2082现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量二次电子象二次电子象二二次次电电子子象象是是表表面面形形貌貌衬衬度度，它它是是利利用用对对样样品品表表面面形形貌貌变变化化敏敏感感的的物物理理信信号号作作为为调调节节信信号号得得到到的的一一种种象象衬衬度度。因为二次电子信号主要来处样品表层510nm的
32、深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，便对微区表面相对于入射电子束的方向却十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。注意注意注意注意在扫描电镜中，二次电子检测器一般是在扫描电镜中，二次电子检测器一般是装在入射电子束轴线垂直的方向上。装在入射电子束轴线垂直的方向上。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2083现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探测器很容易全部被收集，所以二次电子图像无阴影效应，二次电子易受样品电场和磁场影响。二次电子的产额： K/cosK为常数，
33、为入射电子与样品表面法线之间的夹角，角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2084现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量形貌衬度原理形貌衬度原理现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2085现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量背散射背散射电子像子像背散射电子是指入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量(E)背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，
34、所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2086现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系: 式中Z为原子序数，C为百分含量(Wt%)。 现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2087背散射电子像背散射电子像背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数背散射电子像的形成，就是因为样品表面上平均原子序数Z Z大的部位而形大的部位而形成较亮的
35、区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部成较亮的区域，产生较强的背散射电子信号；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数衬度。样就形成原子序数衬度。现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子成分像ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背散射电子像。由于ZrO2相平均原子序数远高于Al2O3相和SiO2 相，所以图中白色相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区为莫来石斜锆石共
36、析体，基体灰色相为莫来石。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2088现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术扫描电镜结果分析示例扫描电镜结果分析示例扫描电镜结果分析示例扫描电镜结果分析示例-Al2O3试样高体积密度与低体积密度的形貌像 2200现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2089现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术典型的功能陶瓷沿晶断口的二次电子像，断裂均沿晶界发生，有晶粒拔出现象，晶粒表面光滑，还可以看到明显的晶界相
37、。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2090现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术团聚体内部的一次粒子结构形态(a) 300 (b) 6000现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2091-Al203团聚体现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术钛酸铋钠粉体的六面体形貌 20000现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2092现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子
38、子显微技微技术白云石的表面特性(SEM分析）热解段温度500，催化段温度850现代分析测试技术之电子显微测量印尼褐煤未压SEM图像(X3000)印尼褐煤10t压SEM图像(X5000)内蒙褐煤未压SEM图像(X5000)内蒙褐煤10t压SEM图像(X5000)现代分析测试技术之电子显微测量储运油泥中固体颗粒杂质的表面形貌SEM分析油泥分别经正己烷（左）和甲苯（右）索氏提取后烘干所得的固体颗粒。通过SEM图像可以看出，固体颗粒的粒径在数十至数百微米之间，是立方体型、球形颗粒的混合物。颗粒表面附着的沥青质等石油组分（左图中颗粒表面的絮状物）可以被甲苯有效萃取，而不能被正己烷完全洗净。Hexane
39、extractedToluene extracted现代分析测试技术之电子显微测量扫描电镜的主要性能与特点放大倍率高（放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（分辨率高（d0=dmin/M总）景深大（景深大（Fd0/）保真度好保真度好样品制品制备简单现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2096现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术放放大倍率高大倍率高从几十放大到几十万倍，连续可调。放大倍率不是越大越好，要根据有效放大倍率和分析样品的需要进行选择。如果放大倍率为M，人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则有效放
40、大率M0.2106nm5nm=40000（倍）。如果选择高于40000倍的放大倍率，不会增加图像细节，只是虚放，一般无实际意义。放大倍率是由分辨率制约，不能盲目看仪器放大倍率指标。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2097现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术 分辨率高分辨率高分辨率指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以用贝克公式表示：d=0.61/N*sin ，为透镜孔径半角，为照明样品的光波长，N为透镜与样品间介质折射率。对光学显微镜 =7075，n=1.4。因为 N*sin1.4，而可见光波长范围为
41、： =400nm-700nm ，所以光学显微镜分辨率 d0.5 ，显然 d 200nm。要提高分辨率可以通过减小照明波长来实现。SEM是用电子束照射样品，电子束是一种De Broglie波，具有波粒二相性，=12.26/V0.5(伏) ，如果V=20kV时，则=0.0085nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm, 场发射源SEM分辨率可达到1nm 。高分辨率的电子束直径要小，分辨率与子束直径近似相等。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2098现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术景深景深D大大
42、 景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口样品观察需要大景深的SEM。SEM的景深F可以用如下公式表示：式中D为工作距离，a为物镜光阑孔径，M为放大倍率，d为电子束直径。可以看出，长工作距离、小物镜光阑、低放大倍率能得到大景深图像。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/2099现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析#1-h=10mm#2-h=20mm#3-h=30mm#4-h=40mm=20%时的实验图像=20%时沉积物最厚区域的烟黑形态2024/7/20现代分析测试技术之
43、电子显微测量SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析（=15%, t=2min）ABCD= 15% h=10mm2024/7/20现代分析测试技术之电子显微测量SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析（=15%, t=2min ）ABCD= 15% h=20mm2024/7/20现代分析测试技术之电子显微测量SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析（=15%, t=2min ）ABCD= 15% h=30mm2024/7/20现代分析测试技术之电子显微测量SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析（=25%, t=2min ）ABCD= 25% h=10mm2024/7/20现代分析测试
44、技术之电子显微测量SiC沉积取样烟黑SEM分析实验结果及分析（=25%, t=2min ）ABCD= 25% h=20mm2024/7/20现代分析测试技术之电子显微测量多孔SiC陶瓷的二次电子像一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。如10000倍时,TEM :D1m，SEM:10m, 100倍时,OM:10m，SEM=1000m。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/20106现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术保真度好样品通常不需要作任何处理即可以直接进行观察，所以不会由于
45、制样原因而产生假象。现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/20107样品制备简单 样品可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的样品只需蒸镀一层20nm的导电膜。现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/20108现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术大豆胞囊线虫(Soybe
46、an Cyst nematode)病是世界大豆生产上的毁灭性病害现代分析代分析测试技技术-电子子显微微测量量SECTION:扫描描电子子显微微2024/7/20109现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量-电子子显微技微技术三、电子探针分析三、电子探针分析材料微区化学成份分析的重要手段 利用样品受电子束轰击时发出的X射线的波长和强度，来分析微区（1-30m3）中的化学组成 SECTION:电子探子探针测量技量技术2024/7/20110现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子探针分析电子探针分析微区分析能力，1微米量级 分析准确度高 ，优于2%分析灵敏度高，达到10-15g
47、, 100ppm1%样品的无损性 多元素同时检测性 可以进行选区分析 电子探针分析对轻元素很不利SECTION:电子探子探针测量技量技术111现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子探针/电子能谱分析原理SECTION:电子探子探针测量技量技术电子探针（Electron Probe Microanalysis-EPMA）的主要功能是进行微区成分分析。它是在电子光学和X射线光谱学原理的基础上发展起来的一种高效率分析仪器。 其原理是：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线，分析特征X射线的波长（或能量）可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。其镜筒部分构造和SE
48、M相同，检测部分使用X射线谱仪，用来检测X射线的特征波长（波谱仪）和特征能量（能谱仪），以此对微区进行化学成分分析。材料分析化材料分析化学学112现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量仪器装置器装置 电子光学系统（电子枪和聚焦透镜）样品室（超高真空）电子图像系统（扫描图像）检测系统（X射线能量分析）数据记录和分析系统 SECTION:电子探子探针测量技量技术113现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SECTION:电子探子探针测量技量技术样品仅限于固体材料 不应该放出气体 ，能保证真空度需要样品有良好的接地 可以蒸镀Al和碳，厚度在2040nm 作为导电层114现代分析代分析
49、测试技技术之之电子子显微微测量量定性分析理论依据是Moseley定律和Bragg定律计算机自动标识，人工标识主要针对干扰线谱线干扰，化学环境影响等SECTION:电子探子探针测量技量技术定量分析依据荧光X射线强度与元素浓度的线性关系，可以对电子探针进行定量分析。一般采用标准纯物质作为基准样品，获得其强度数据，并利用该数据可计算出所测元素的浓度。可以利用灵敏度因子的方法进行计算，需要进行荧光修正和吸收修正 115现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量电子探针分析的应用材料局部区域的成份分析摩擦材料的元素分布陶瓷材料的偏析颗粒催化剂的成份分布SECTION:电子探子探针测量技量技术116现
50、代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量SrAlO4纳米球的研究SECTION:电子探子探针测量技量技术117现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量水泥浆体断口水泥浆体断口SECTION:SEM与与电子探子探针耦合分析催化耦合分析催化剂表面表面积碳和失效碳和失效118现代分析代分析测试技技术之之电子子显微微测量量原子力显微镜原子力显微镜 1982 年,Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 共同研制成功了第一台扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope ,STMSTM), 1986 年,Binnig 和Rohrer 被授予诺贝尔物
51、理学奖。 随后衍生出一系列扫瞄探针显微镜（衍生出一系列扫瞄探针显微镜（Scanning Probe Scanning Probe microscopemicroscope，SPMSPMSPMSPM）。）。扫描探针显微镜具有三个传统显微扫描探针显微镜具有三个传统显微镜无法达到的重大突破：镜无法达到的重大突破： 1. 1. 扫描探针显微镜具有极高度的解析力扫描探针显微镜具有极高度的解析力 2. 2. 扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力扫描探针显微镜具有三维立体的成像能力 3. 3. 扫描探针显微镜可以在多种环境下操作扫描探针显微镜可以在多种环境下操作现代分析测试技术之电子显微测量这些显微技术都是
52、利用探针与样品的不同相互作用，来探测样品表面或界面在纳米尺度上表现出的物理性质和化学性质。现代分析测试技术之电子显微测量STMSTM 是利用针尖与样品之间的隧道电流的变化来探测物体表面结构。因此，STM要求样品表面能够导电，只能直接观察导体和半导体的表面结构。 对于非导电的物质则要求样品覆盖一层导电薄膜，但导电薄膜的粒度和均匀性难以保证，且掩盖了物质表面的细节。SPM SPM 使用一个尖锐的探针扫描样品的表面，通过检测及控制探针与试样表面间的相互作用力来形成试样的表面形态像。现代分析测试技术之电子显微测量原子力显微镜（atomic force microscope, AFMAFM）是SPMSP
53、M的一种，1986年由IBM 公司的Binnig与斯坦福大学的Quate发明的，其目的是为了使非导体也可以采用扫描探针显微镜（SPM）进行观测。AFMAFM的优点： 1. 样品制备简单：对试样没有任何限制 2. 分辨率高：可达原子级 3. 仪器经处理后，甚至可在有液体的情况下测定现代分析测试技术之电子显微测量AFMAFM是利用原子之间的范德华力范德华力来呈现样品的表面特性。因此，AFM 除导电样品外，还能够观测非导电样品的表面结构，且不需要用导电薄膜覆盖，其应用领域将更为广阔。现代分析测试技术之电子显微测量原子力显微镜实物图 现代分析测试技术之电子显微测量分辨率分辨率工作环境工作环境样品环境样
54、品环境温度温度对样品对样品破坏程破坏程度度扫描探针显扫描探针显微镜（微镜（SPMSPM）原子级原子级(0.1nm)(0.1nm)实环境、实环境、大气、溶大气、溶液、真空液、真空室温或低温室温或低温无无透射电镜透射电镜（TEMTEM） 0.20.20.3nm0.3nm高真空高真空室温室温小小扫描电镜扫描电镜（SEMSEM）6 610nm10nm高真空高真空室温室温小小扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（SPMSPM）与其他显微镜技术的各项性）与其他显微镜技术的各项性能指标比较能指标比较现代分析测试技术之电子显微测量原子力显微镜的基本原理是：将一个对微弱力极敏感的微悬臂一端固定，另一端有一个微小的针尖
55、，当针尖接近样品时，由于其尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力,使悬臂发生偏转或振幅改变。悬臂的这种变化经检测系统检测后转变成电信号转递给反馈系统和成像系统，记录扫描过程中一系列探针变化可获得样品表面形貌的三维信息。现代分析测试技术之电子显微测量、原子力显微镜的结构现代分析测试技术之电子显微测量1.力检测系统即探针，由微悬臂和悬臂末端的针尖组成。现代分析测试技术之电子显微测量2. 位置检测系统：现代分析测试技术之电子显微测量在原子力显微镜（AFM）的系统中，当针尖与样品之间有了交互作用之后，会使得悬臂cantilever摆动，所以当激光照射在微悬臂的末端时，其反射光的位置也会因为悬臂摆动
56、而有所改变，这就造成偏移量的产生。在整个系统中是依靠激光光斑位置变化,将偏移量记录下并转换成电的信号，以供反馈控制系统作信号处理。 现代分析测试技术之电子显微测量激光位置检测器的示意图：聚焦到微悬臂上面的激光反射到激光位置检测器，通过对落在检测器四个相限的光强进行计算，可以得到由于表面形貌引起的微悬臂形变量大小，从而得到样品表面的不同信息。现代分析测试技术之电子显微测量3. 反馈控制系统在原子力显微镜（AFM）的系统中，将信号经由激光检测器取入之后，在反馈系统中会将此信号作为内部的调整信号，驱使扫描器做适当的移动，使样品与针尖保持一定的作用力。扫描器通常由压电陶瓷管制作。AFM系统使用压电陶瓷
57、管制作的扫描器精确控制微小的扫描移动。通过控制压电陶瓷的伸缩达到控制探针与样品之间距离的目的。现代分析测试技术之电子显微测量压电陶瓷是一种性能奇特的材料，当在压电陶瓷对称的两个端面加上电压时，压电陶瓷会按特定的方向伸长或缩短。而伸长或缩短的尺寸与所加的电压的大小成线性关系。也就是说，可以通过改变电压来控制压电陶瓷的微小伸缩。通常把三个分别代表X，Y，Z方向的压电陶瓷块组成三角架的形状，通过控制X，Y方向伸缩来驱动探针在样品表面扫描；通过控制Z方向压电陶瓷的伸缩来控制探针与样品之间距离。现代分析测试技术之电子显微测量3. 反馈控制系统 根据样品与针尖的作用力，改变加在样品扫描器垂直方向的电压，从
58、而使压电陶瓷伸缩，调节探针和被测样品间的距离，反过来控制探针-样品相互作用力的大小，实现反馈控制。因此，反馈控制是原子力显微镜系统的核心工作机制。两种反馈模式：（1）恒力模式此时反馈系统打开，通过调节样品垂直方向位置使探针针尖与样品表面的作用力恒定（即针尖与样品表面原子距离恒定），可获得样品高度形貌图。（2）恒高度模式此时反馈系统关闭，样品位置在垂直方向不动，探针高度一定，随样品表面起伏，探针与表面原子的相互作用力起伏。适用于表面十分平整的样品。现代分析测试技术之电子显微测量微悬臂位移检测系统针尖及样品台扫描位置移动系统反馈控制及结果显示现代分析测试技术之电子显微测量原子力显微镜的工作过程原子
59、力显微镜的工作过程原子力显微镜结合以上三个系统，将样品的表面特性呈现出来：（1）使用探针来感测针尖与样品之间的相互作用，作用力会使微悬臂摆动；（2）再利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位置改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量；（3）同时，把偏移信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。现代分析测试技术之电子显微测量、原子力显微镜的工作模式、原子力显微镜的工作模式现代分析测试技术之电子显微测量1. 接触模式 针尖与样品表面距离小，利用原子间的斥力 可获得高解析度图像 样品变形，针尖受损 不适合表面柔软的材料现代分析测试技
60、术之电子显微测量 将一个对微弱力极敏感的微悬臂的一端固定，另一端有一微小的针尖，针尖与样品表面轻轻接触。由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱的排斥力（10-810-6N），同时样品表面起伏不平，从而使探针带动微悬臂弯曲变化，而微悬臂的弯曲又使得光路发生变化，使得反射到激光位置检测器上的激光光点上下移动，检测器将光点位移信号转换成电信号并经过放大处理。（1）接触模式现代分析测试技术之电子显微测量由表面形貌引起的微悬臂形变量大小是通过计算激光束在检测器四个像限中的强度差值（A+B）-（C+D）得到的。将这个代表微悬臂弯曲的形变信号反馈至电子控制器驱动的压电扫描器，调节垂直方向的电压，使扫描器
61、在垂直方向上伸长或缩短，从而调整针尖与样品之间的距离，使微悬臂弯曲的形变量在水平方向扫描过程中维持一定，也就是使探针样品间的作用力保持一定。在此反馈机制下，记录在垂直方向上扫描器的位移，探针在样品的表面扫描得到完整图像之形貌变化，这就是接触模式。现代分析测试技术之电子显微测量2. 轻敲模式以一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动。振幅可以通过检测系统检测。当针尖刚接触到样品时，悬臂振幅会减少到某一数值。反馈回路使振幅保持恒定在这一数值。当针尖扫描到样品突出区域时，阻碍变大，振幅随之减小（或针尖通过凹陷区域时，阻力减小，振幅随之增大）。振幅的变化经检测输入控制器后，反馈回路调节针尖和样品的距
62、离，使振幅保持恒定。反馈调节是通过改变Z方向上压电陶瓷管电压完成的。通过记录压电陶瓷管的移动就得到样品表面形貌图。现代分析测试技术之电子显微测量在该模式下，扫描成像时针尖对样品进行“敲击”，两者间只有瞬间接触，克服了传统接触模式下因针尖被拖过样品而受到摩擦力、粘附力、静电力等的影响，并有效的克服了扫描过程中针尖划伤样品的缺点，适合于柔软或吸附样品的检测，特别适合检测有生命的生物样品。探针在Z轴维持固定频率振动，当振动到谷底时与样品表面接触分辨率几乎与接触模式相同对样品破坏小现代分析测试技术之电子显微测量3.非接触模式针尖距样品表面520nm不损伤样品表面，可测试表面柔软样品分辨率低误判的现象非
63、接触模式接触模式现代分析测试技术之电子显微测量、原子力显微镜的分辨率、原子力显微镜的分辨率AFMAFM分辨率分辨率侧向分辨率：取决于采集图像的步宽侧向分辨率：取决于采集图像的步宽 和针尖形状。和针尖形状。垂直分辨率：与针尖无关，而主要受垂直分辨率：与针尖无关，而主要受 噪音影响。噪音影响。现代分析测试技术之电子显微测量原子力显微镜的应用原子力显微镜的应用现代分析测试技术之电子显微测量1. 形貌观察敲击式AFM获得的聚偏氟乙烯球晶的高度图现代分析测试技术之电子显微测量膜表面的形貌观察（亮点表示膜表面的最高点，暗点表示凹坑或膜孔）现代分析测试技术之电子显微测量不同含水量PVDF膜(W0, W3,
64、W5, W7)的轻敲-原子力(TM-AFM)显微方式图.现代分析测试技术之电子显微测量2. 膜的孔径和孔径分布研究现代分析测试技术之电子显微测量现代分析测试技术之电子显微测量3. 膜污染的研究膜污染是指微粒、胶体粒子或溶质大分子，在膜表面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化。现代分析测试技术之电子显微测量新膜表面(左)和污染膜表面(右)现代分析测试技术之电子显微测量4. 力学曲线垂直方向探针所受的力对垂直方向位置作图。可以用来分析污染物的粘性、油脂厚度以及局部样品表面弹性变化。现代分析测试技术之电子显微测量a.真空 b. 空气 c. 有污染物现代分析测试技术之电子显微测量
