4.电子显微分析 41电子光学基础 41.1电子的波动性和电子波长 粒子的能量E、动量P与物质波的频率v、波长λ之间关系为 h E=hv P h=6.625×10-J·s 公式左侧体现粒子性,右侧体现波动性。 由此德布罗意波(物质波)的波长为 hh 式中:m-粒子质量,kg ν一粒子运动速度,m/s 对于初速度为0的电子,受到电位差为Ⅴ的电场加速,电子获得的能量为 E 式中:e一电子电荷,c(库仑)e=1.6×10-c m-电子质量,kg 当加速电压较低时,电子的运动速度远远小于光速,电子质量m近似等于电子静止质量 0-kg,则λ h 带入常数得2 A √2emn 电子波长与其加速电压的平方根成反比。V越高,λ越短。 因电镜中电子的加速电压较高,相应的电子运动速度,m≠mn,必须引入相对论校正。 2 带入常数得 A v(1+0.9788×10°V) 对于低能电子束,计算λ时可不用修正;但对于高能电子束必须修正 当加速电压为100k时,电子束的波长约为可见光的十万分之一。 用电子做光源可观察到原子级别的细节(固体中原子间距2-5A),是一个理想光源
以电子波作为光源的显微镜称为电子显微镜,简称电镜。 412电子透镜 41.2.1静电透镜 定形状的等电位面曲面簇可以使电子束聚焦成像,产生这种旋转对称等电位曲面簇 的电极装置为静电透镜 电镜中,用静电透镜做电子枪,发射电子束;用磁透镜做会聚透镜,起成像放大作用 4.1.2.2电磁透镜 用磁场使电子束聚焦成像的装置 4.1.23电磁透镜的焦距和放大倍数 与光学玻璃透镜相似,磁透镜的物距u、像距ν、焦距∫、放大倍数M之间的关系为: 电磁透镜的焦距f=k (IN)2 式中:k一常数 V一加速电压 (IN)一安匝数通过线圈导线的电流,N一线圈每厘米长度上的圈数 由此可知、f 当f→f2,在u不变的情况下,v→V2,则M(是原来的一倍)。 因此,电磁透镜是一种变焦距(变倍数)的会聚透镜(焦距f总是正的,凸透镜)。 41.3电磁透镜的像差 电镜中,成像过程中发生使像变形和像模糊等像的缺陷称像差。 41.3.1球差 产生原因:电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的汇聚能力不同。 球差引起的弥散圆斑最小半径R3=MCsa3 式中:M一放大倍数C-透镜球差系数a一透镜光孔角 还原到物平面r=Csa3(即:物平面上两点距离<r’则透镜不能分辨,在透镜像
平面上得到的是一个点)由于球差的存在,物平面最小能分辨距离为: 采用丶α的方法提高分辨本领 物镜 远轴电子像平面I像平面 R. 近轴电子最小散焦斑 41.3.2像散 产生原因:透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的 像散引起的弥散椭圆斑平均半径:R4=M△fAa 式中:△1一像散引起的最大焦距差 由于像散的存在,物平面最小能分辨距离为:n4=,△a 平面B 像平面像平面Ⅱ (弱聚焦方向) 2R 能量低的电子轨速 像平面像平面Ⅱ 平面A 散焦斑 (强聚焦方向) 能量高的电子轨迹 像散是由于不良生产工艺导致的,可用消像散器来矫正。(借助通电线圈或永久磁铁产生 的附加磁场消除像散) 4.13.3色差 产生原因:由于成像电子的波长(或能量)不同引起的像差。 41.3.4电磁透镜的分辨率 分辨率是电磁透镜的重要性能指标,它受到衍射效应、球差、像散、色差等因素的影 响,其中衍射效应和球差是最重要的
衍射效应确定的最小分辨距离:a=0612 球差确定的最小分辨距离:n=1cna2 最终分辨率取决于二者的综合效果 由石=r。可确定最佳照明孔径角:an=1.25()4 理论分辨本领:r=0.49· 41.4电磁透镜的场深和焦深 41.41场深(景深)D 透镜物平面允许的轴向偏差。 D 表明:样品厚度控制在透镜场深允许范围内,样品各部位细节都能得到清晰的图像 414.2焦深(焦长)D 透镜像平面允许的轴向偏差。 D=M2·D 表明:像平面在焦深允许范围内移动,不需改变聚焦状态,图像仍保持清晰 42透射电子显微镜 4.2.1透射电镜的工作原理 电子枪产生的电子束经1~2级聚光镜汇聚后均匀照射到试样上的某一待观察微小区域 上,入射电子与试样物质相互作用,由于试样很薄(一般<200nm),绝大部分电子穿透试样, 其强度分布与所观察试样区的形貌、组织、结构一一对应,透射出试样的电子经物镜、中间 镜、投影镜的三级磁透镜放大投射在观察图形的荧光屏上,荧光屏把电子强度分布转变为人 眼可见的光强分布,于是在荧光屏上显示出与试样形貌、组织、结构相应的图像(衍射谱)。 4.22透射电镜的结构 422.1照明系统
作用:提供光源,控制其稳定度和孔径角;选择照明方式(明场像,暗场像 满足条件: 能够提供足够数目的电子。发射电子越多,成像越亮 ⅱ电子发射区域要小。发射岀来的电子束越细,像差越小,分辨本领越好。 电子速度要大。速度越大,能量越大,成像越亮,穿透能力越强。 组成 (1)电子枪 是电镜的电子源,发射并使电子加速,其重要性仅次于物镜。决定了像的亮度、图像稳 定度和穿透样品的能力。(提供亮度高、相干性好、束流稳定的照明电子束) 常用加速电压50-200kV,超高电压达数千伏。 (2)聚光镜 多为磁透镜,其作用是将电子束会聚于样品上,并通过调节其电流来控制照明亮度、照 明孔径角和束斑大小。 高性能透射电镜采用双聚光镜系统,提高照明效果 .2.22成像系统 物镜、中间镜和投影镜都是采用磁透镜,它们与样品室构成成像系统,作用是安置样品、 放大成像。 (1)物镜 般为短焦距强激磁的透镜,成一次像。决定透射电镜的分辨本领,要求它有尽可能高 的分辨本领、足够高的放大倍数和尽可能小的像差。 (2)中间镜 是长焦距弱激磁的透镜,成二次像。 (3)投影镜 是短焦距强激磁的透镜,最后一级放大像,最终显示到荧光屏上,称为三级放大成像。(此 外还有多级成像放大,除物镜外有多个中间镜或投影镜) 像平面 显微像 调整中间镜电流使其物平面与物镜 重合→投影镜→荧光屏 背焦面 衍射花样 衍射状态与成像状态的变换是通过改变中间镜的激磁电流(改变焦距)实现的
通常情况下,先观察显微像,再转换到衍射花样。 段后焦面(物镜光 一中物平面 中闻行平面一 物像平(选区光阑 构像一 投影像平面 图415透射电镜成像系统中的两种电子图像路图 a)电子显爱图像:(b)电子射谱 (4)样品台 样品台的主要作用是承载样品,并能使样品平移、倾斜或旋转。 按样品进入电镜中的就位方式分为顶插式和侧插式。 (5)光阑 挡掉发散的电子,保证电子束的相干性和照射区域。 (6)消像散器 消除由透镜产生的像散。消像散器可以是机械式的,也可以是电磁式的 422.3观察和记录系统 42.24真空系统 42.2.5电气控制系统 423电子衍射 电子衍射与ⅹ射线衍射一样,遵从衍射产生的必要条件(布拉格定律)和系统消光规律 电子波是物质波,电子衍射与X射线衍射相比有其自身特点: (1)优势 ①电子衍射分析过程更为简单。 ②物质对电子的散射作用很强,电子衍射只适于材料表层或薄膜样品的结构分析。 电子衍射能够在同一试样上把形貌过观察与结构分析结合起来。 (2)不足
①衍射束强度与透射束强度几乎相当,强度分析复杂。 ②薄膜样品制备复杂 ③电子衍射分析精度不如x射线衍射分析 423.1电子衍射基本公式 R·d=L·元 式中:L一衍射长度、相机长度(mm) 在一定加速电压下,λ值确定,L和λ的乘积为一常数:K=L 式中:K一仪器常数、相机常数(mm·mm) 如果K值已知,则有:d R或R=K K 电子衍射中R与1的正比关系Rx1是衍射斑点指数化的基础。可由衍射斑点的R值计 算与该斑点相应的晶面(HKL)的d值 42.3.2选区电子衍射 选区衍射就是选择特定像区的各级衍射束成谱,即对样品中指定区域进行电子衍射。 是通过在物镜的像平面上插入选区光阑实现的。 在材料研究中,希望弄清很小区域的结构和形貌,既要观察其显微像(形貌),又要 得到其衍射花样(分析结构)。 4.2.3.3简单衍射花样的标定 (1)斑点花样 单晶体电子衍射得到的衍射花样是一系列按一定几何图形分布、排列规则的衍射斑点 (单晶电子衍射谱)反映结构的对称性。 标定(斑点指数化):{HKL}晶面族产生的衍射斑点标为HKL 应用:确定物相之间的取向关系; 绕一个斑点旋转可确定旋转轴 通过细节分析可弄清缺陷结构 (2)环花样 多晶体的衍射花样是一系列不同半径的同心圆环。 圆环半径R=L 标定:{HKL}晶面组产生的衍射环标为HKL
应用:测定仪器常数;鉴定物相 4.2.4成像操作 冫明场像(BF):选用直射电子形成的像(透射束),像清晰 冫暗玚像(DF):选用散射电子形成的像(衍射束),像有畸变、分辨率低。 中心暗场像(CDF):入射电子束反向倾斜一个相应的散射角度,使散射电子沿光轴 传播。 成像电子的选择是通过在物镜的背焦面上插入物镜光阑来实现的。 4.25主要性能指标 42.5.1放大倍数 是指电子图像对于所观察试样区的线性放大率 不仅考虑最高和最低放大倍数(放大极限),还要考虑其调节时是否覆盖低倍到高倍的整 个范围。 4.2.52分辨率 点分辨率——能分辨两个点之间的最短距离 线分辨率——能分辨两条线之间的最短距离(观察晶面间距时最小可分辨的晶面间距) 42.53加速电压 加速电压指电子枪阳极相对于阴极灯丝的电压,决定了发射的电子的波长和能量 4.2.6像衬度 像衬度是图像上不同区域明暗程度的差别。正是由于图像上不同区域衬度的存在,才使 我们能够观察到各种具体的图像。 4.2.6.1质厚衬度 为非晶体样品衬度的主要来源。是由于样品不同微区存在原子序数和厚度的差异而形 成的 质厚衬度来源于电子的非相干弹性散射 42.6.2衍射衬度 为晶体样品衬度的主要来源。 由于样品中各部分满足衍射条件的程度不同而引起的。 假设薄晶样品由两颗粒A、B组成,强度为l。的入射电子照射到样品上,其中B的(HKL 面与入射束满足布拉格方程,产生衍射束Ⅰ,忽略其它效应(吸收),其透射束为
A晶粒与入射束不满足布拉格方程,则其衍射束I=0,透射束L4=l0 若成明场像,∵l1(>0) ∴图像中B亮、A暗。 根据衍射衬度原理形成的电子图像称为衍衬像。衍衬成像技术可对晶体中的位错、层错、 空位团等晶体缺陷进行直接观察。 4.27样品制备 对于透射电镜常用的50—200kV电子束,样品的厚度控制在100-200nm。 427.1粉末样品 粉末试样多采用支持膜法。将试样载在一层支持膜上,再用铜网承载。支持膜的作用 是支撑粉末试样,铜网的作用是加强支持膜。 支持膜材料必须具备的条件: 本身没有结构,对电子束的吸收不大 ②自身颗粒度小,以提高样品分辨率: ③自身有一定的力学强度和刚度,能承受电子束的照射而不变形、破裂。 4.2.7.2大块材料上制备薄膜样品 试样通过减薄制成对电子束透明的薄膜样品 薄膜样品制备方法要求 ①制备过程中不引起材料组织的变化; ②薄膜应做得溥些,避免薄膜内不同层次图像的重叠,干扰分析 ③薄膜应具有一定的强度 薄膜样品制备步骤: 切取 ②预减薄 ③终减薄:双喷电解减薄(金属)、离子减薄(非金属) 4.273复型法 ①碳一级复型 ②塑料一碳二级复型
③萃取复型 同一试块,复型方法不同,得到的复型像和像的强度分布有很大差别,应根据选用的方 法正确解释图像 4、3扫描电子显微镜 4.3.1工作原理 电子枪发射电子束,在加速电压作用下,经电子透镜聚焦后,在样品表面按顺序逐行扫 描,激发样品产生各种物理信号,经放大,送到显像管的栅极上,同步调制显像管的电子束 强度(荧光屏上的亮度),两束电子束作同步扫描,样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电 子束的位置一一对应。荧光屏上得到与样品表面特征对应的信息图,画面上亮度的疏密程度 表示该信息的强弱分布 432成像的物理信号 (1)二次电子(SE) 入射电子与原子核外电子发生相互作用,使原子失掉电子称为离子(电离),脱离的 电子称为二次电子 是距样品表面5-10mm深度范围激发出来的低能电子(一般<50eV) 对样品表面状态非常敏感,能有效显示样品表面的微观形貌(形貌衬度图像)。 空间分辨率较高,5-10mm。 次电子是扫描电镜成像的主要信号。 (2)背散射电子(BE) 电子射入样品,受到原子的弹性和非弹性散射,一部分电子的散射角大于90°,从试 样表面逸出,称为背散射电子 BE又分为弹性背散射电子和非弹性背散射电子。前者能量损失很小,接近入射电子 能量。(扫描电镜中利用的是弹性背散射电子) 冫是距样品表面100-1000mm深度范围散射来的。 对样品物质的原子序数敏感(产额随着样品Zλ而),可以进行成分分析(原子序 数衬度图像)。BE的形貌衬度不如SE,但仍可作形貌分析 电子束斑直径较二次电子的束斑直径大。BE的成像分辨率较低,50-200mm (3)吸收电子(AE)