材料显微分析实践

年季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:材料显微分析实践学生所在院（系）:材料学院学生所在学科:材料工程学生姓名:学号:学生类别:考核结果阅卷人1透射电镜的明暗场成像技术透射电子显微镜（TEM）是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。TEM使用聚焦电子束作照明源，使用于对电子束透明的薄膜试样，以透过试样的透射电子束或衍射电子束所形成的图像来分析试样内部的显微组织结构。透射电子显微镜增加附件后，还可以进行原位的成分分析（能谱仪EDS、特征能量损失谱EELS）、表面形貌观察（二次电子像SED、背散射电子像BED）和扫描透射像（STEM）。结合样品台设计成高温台、低温台和拉伸台，透射电子显微镜还可以在加热状态、低温冷却状态和拉伸状态下观察样品动态的组织结构、成分的变化，使得透射电子显微镜的功能进一步的拓宽。这样一台仪器在不更换样品的情况下可以进行多种分析，尤其是可以针对同一微区位置进行形貌、晶体结构、成分（价态）的全面分析。一TEM结构TEM（图1）是由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成，其中电子光学系统是TEM的核心，分为照明系统、成像系统和观察记录系统。1照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。其作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。电子枪是透射电子显微镜的光源。常用的是热阴极三级电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极和阳极组成。其中的自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会汇集成一个交叉点，这就是通常说的电子源。聚光镜用来会聚电子束，调节照明强度、孔径角和束斑大小，一般都采用双聚光镜系统。第一聚光镜是强励磁透镜，束斑缩小率为10-50倍，将电子枪的第一交叉点束斑缩小为φ1-5μm，第二聚光镜是弱励磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果是在样品平面上可获得φ2-10μm的照明电子束斑。图1TEM构造及光路22成像系统成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜组成。物镜是用来形成第一幅高分辨电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨率的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其他透镜进一步放大。通常采用强励磁、短焦距的物镜来降低像差从而提高分辨率。物镜的放大倍数一般在100到300倍。目前，高质量的物镜分辨率可以达到0.1nm。中间镜是一个弱励磁的长焦距变倍率透镜，可在0-20倍范围调节，在电镜的操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总的放大倍数。投影镜的作用是把经过中间镜放大（或缩小）的像进一步放大，并投影到荧光屏上，是一个短焦距的强磁透镜。因为成像电子束进入投影镜时孔径角很小（约10-5rad），所以其景深和焦长都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总的放大倍数有很大的变化，也不会影响图像的清晰度。3观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏和照相机构。在荧光屏上放置一个可以自动换片的照相暗盒，照相时只要把荧光屏掀往一侧竖直竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的图像。通常采用在暗室操作情况下人眼较为敏感的、发绿光的荧光物质来涂制荧光屏。这样有利于高放大倍数、低亮度图像的聚焦和观察。现代的透射电镜常使用慢扫描CCD相机，这种CCD数字成像技术可将电子显微图像转接到计算机的显示器上，图像观察和存储非常方便。二工作原理透射电镜和光学显微镜最基本的原理是相同的，显微放大过程基本相似。不同的是，电镜的照明源不是可见光而是电子束；透镜也不是玻璃而是轴对称的电场或磁场，电镜的总体结构、成像原理、操作方式等与光学显微镜有着本质上的区别。透射电镜的原理是用具有一定孔径角和强度的电子束平行地投影到样品上，通过样品电子束在物镜后焦面上形成衍射振幅极大值，即第一幅衍射谱。这些衍射束在物镜的像平面上相互干涉形成反映试样微区特征的电子图像。通过聚焦（调节物镜激磁电流），调节物镜背焦面与像平面和中间镜的物平面之间的关系，如果使物镜的像平面与中间镜的物平面相一致，这样在荧光屏上就察观到一幅有一定衬度和放大倍数的电子图像，即TEM的成像操作；如果使中间镜的物平面与物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，即TEM电子衍射3操作。由于试样各微区的厚度、原子序数、晶体结构或晶体取向不同，通过试样和物镜的电子束强度产生差异，因而在荧光屏上显现出由暗亮差别所反映出的试样微区特征的显微电子图像。电子图像的放大倍数为物镜、中间镜和投影镜的放大倍数之乘积。非晶态复型样品是依据“质量厚度衬度”的原理成像的。而晶体薄膜样品的厚度大致均匀，并且平均原子序数也无差别，不能够利用“质量厚度衬度”的原理成像。薄膜样品是利用另一种成像原理“衍射衬度成像”。衍射衬度成像是由于各处晶体取向不同或晶体结构不同，满足布拉格条件的程度不同，使得对应试样下表面处有不同的衍射效果，从而在下表面形成一个随位置而异的衍射振幅分布，这样形成的衬度，称为衍射衬度。这种衬度对晶体结构和取向十分敏感，当试样中某处含有晶体缺陷时，意味着该处相对于周围完整晶体发生了微小的取向变化，导致了缺陷处和周围完整晶体具有不同的衍射条件，将缺陷显示出来。根据成像中是衍射束成像还是透射束成像，可以将衍射程度成像分为“明场像”和“暗场像”（图2a和b）。“明场像”是利用光阑使透射束透过成像，“暗场像”是使用光阑使衍射束透过成像。图2衍射成像原理a）明场像b）暗场像三透射电镜的主要性能参数1分辨率分辨率是TEM的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。TEM的分辨率分为点分辨率和晶格分辨率。点分辨率是指能够分辨出两点之间最短的距离，晶格分辨率能是通过拍摄已知晶体的晶格像测定测定。2放大倍数透射电镜的放大倍数是指电子图像对于所观察试样区的线性放大率。TEM的4放大倍数随着样品平面的高度、加速电压、透镜电流而变化，目前高性能TEM的放大倍数范围为80~100万倍。3加速电压加速电压是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λ。电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（厚试样）、分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。普通TEM的最高V一般为100kV和200kV。四操作规程1在低倍观察的情况下，寻找试样的边缘较薄的区域；2用intensity按钮，调试入射光的强度，使显示屏上的亮斑收缩为一点，观察亮斑的形态，如果有发散的状况，调节Z轴的位置使得亮斑为唯一的点；3增加入射束强度，然后进入衍射模式，获得衍射斑点；4加入物镜光阑，使其只套住透射斑点，然后转换回成像模式；5调节放大倍数，观察明场像；6插入选区光阑围住所选择的视场；7进入衍射操作方式，取出物镜光阑，获得衍射花样；8倾斜入射电子束的方向，使用于成像的衍射束与电子显微镜的光轴平行，此时衍射斑点位于荧光屏中心；9插入物镜光阑套住中心的衍射斑点，转入成像模式，取出选区光阑，得到暗场像。五适用范围TEM在材料科学、生物学上应用较多。由于透射电镜具有高分辨率、高性能，可应用于材料科学如物理、化学、化工、冶金、材料、半导体等方面的成分和结构分析；在生命科学如生物学、医学、药学等方面进行生化物质定位等许多方面得到了广泛的应用。近些年来逐渐发展出原位透射电子显微分析方法，该方法在继承常规TEM所具有的高空间分辨率和高能量分辨率优点的同时，在电子显微镜内部引入力、热、电、磁以及化学反应等外部激励，实现了物质在外部激励下的微结构响应行为的动态、原位实时观测，大大拓展了TEM的应用范围，解决了大量在传统TEM下不能解决的问题。如利用原位透射电子显微观察，MichaelH等人研究了CaCO3成核是直接途径、间接途径还是两者共存的，因此解决了争论了近一个世纪的电解质溶体成核的问题（图3）。5图3CaCO3形核随时间变化情况《材料显微分析实践》读书报告——扫描电镜成像原理及基本操作姓名：XX学号：XXXXXXXXXXX1扫描电镜成像原理及基本操作扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope--SEM）是通过细聚焦电子束在样品表面扫描激发出的各种物理信号来调制成像的显微分析技术。SEM成像原理与TEM不同，不用电磁透镜放大成像。新式SEM的二次电子分辨率已达1nm以下，放大倍数可从数倍原位放大到30万倍；SEM较光学显微镜景深大，可用于显微断口分析；样品室大，可安装更多的探测器，因此与其它仪器结合，可同位进行多种分析，包括形貌、微区成分、晶体结构。一电子束与固体试样作用时产生的信号样品在电子束的轰击下会产生如图1所示的各种信号。（1）背散射电子背散射电子是指被固体样品中的原子核或核外电子反弹回来的一部分入射电子。背散射电子的强度与试样的原子序数由密切关系，背散射电子的产额随原子序数的增加而增加，可以用作形貌分析、成分分析（原子序数衬度）以及结构分析（通道花样）。（2）二次电子在入射电子作用下被轰击出来并离开样品表面的样品原子的核外电子。二次电子是从表面5-10nm层内发射出来的，能量为0-50电子伏。二次电子对试样表面状态非常敏感，能非常有效地显示试样表面的微观形貌。二次电子的产额随原子序数的变化不如背散射电子那么明显，所以不能进行成分分析。（3）吸收电子入射电子中一部分与试样作用后能量损失殆尽，不能再逸出表面，这部分就是吸收电子。吸收电子信号调制成图像的衬度恰好和背散射电子或二次电子信号调制的图像衬度相反，与背散射电子的衬度互补。入射电子束射入一个多元素样品中时，因二次电子产额与原子序数无关，则背散射电子较多的部位（Z较大）其吸收电子的数量就减少，反之亦然；吸收电子能产生原子序数衬度，可以用来进行定性的微区成分分析。（4）透射电子如样品足够薄，则会有一部分入射电子穿过样品而成透射电子。这种透射电子是由直径很小（10nm）的高能电子束照射薄样品时产生的，因此透射电子信图2电子束与固体样品作用时产生的信号2号是由微区的厚度、成分和晶体结构决定的。可利用特征能量损失ΔE电子配合电子能量分析器进行微区成分分析。即电子能量损失谱（EELS）。（5）特征X射线指原子的内层电子受到激发后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和特征波长的一种电磁波辐射。根据莫塞莱定律，λ=1/（z-σ）2，可进行成分分析。X射线一般在试样的500nm-5μm范围内发出。（6）俄歇电子在入射电子激发样品的特征X射线过程中，如果释放出来的能量并不以X射线的形式发射出去，而是用这部分能量把空位层内的另一个电子发射出去，这个被电离出来的电子称为俄歇电子。俄歇电子的能量很低，一般为50-1500eV，只有在距离表层1nm左右范围内（即几个原子层厚度）逸出的俄歇电子才具备特征能量，因此俄歇电子特别适用做表层成分分析。二扫描电镜的构造扫描电镜由电子光学系统，信号收集处理、图像显示和记录系统，真空系统三个部分组成。图2是扫描电镜构造的框架图。1电子光学系统电子光学系统：包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室。（1）电子枪扫描电镜与透射电镜的电子枪相似，只是加速电压较透射电镜低。（2）电磁透镜能够聚焦电子束，将直径为50μm的斑点聚焦到数nm。一般三级透镜来完成，前二者是强透镜，可把电子束光斑缩小，第三个是弱透镜，具有较长的焦距，习惯于叫物镜，其目的在于使样品和透镜之间留有一定空间以装入各种信号探测器。SEM中束斑越小，即成像系元越小，相应的分辨率就愈高。（3）扫描线圈其作用是使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和显像管上的扫描动作严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。（4）样品室放置样品，安装信号探测器。样品台本身是复杂而精密的组件，能进行平移、图3扫描电镜构造原理框架图3倾斜和转动等运动。新式电镜的样品室是个微型试验室，带有各种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行机械性能试验如拉伸、疲劳。2信号收集处理和图像显示记录系统二次电子，背散射电子，透镜电子的信号都采用闪烁计数器检测。其原理是：信