材料电子显微学绪论.

材料电子显微学ElectronMicroscopyinMaterials本课程适用于材料科学、物理学、化学工程、机械工程等学科的本科生。本课程讲述电子显微镜及其在材料科学中的应用，主要包括电子显微学的主要原理，电子衍射结构分析，电子衍衬图象解释，以及电子显微分析技术的最新进展。课程简介基本要求通过本课程的学习，初步掌握分析电子显微学的主要原理，电子衍射结构分析，电子衍衬图象解释，了解电子显微分析技术的最新进展，能够正确地运用电子显微学基本原理开展有关材料微结构与性能关系的研究。参考书目电子显微图像分析原理与应用,黄孝瑛等,宇航出版社，1987年。透射电子显微学进展，叶恒强，王元明主编，科学出版社，2003年金属电子显微分析，陈世朴，王永瑞，机械工业出版社，1985年分析电子显微学导论，戎咏华著，高等教育出版社，（2006）学习内容前言-电镜的发展历史简介电子光学基础透射电子显微镜的主要结构与成像电镜中的电子衍射及分析电镜显微图像解释扫描电子显微术X射线显微分析和俄歇电子能谱分析其他电子显微分析术绪论前言•电子显微镜(electronmicroscope，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。近年来，由於电子光学的理论及应用发展迅速，此项定义已嫌狭窄，故重新定义其为一项利用电子与物质作用所产生之讯号来监定微区域晶体结构(crystalstructure，CS)、微细组织(microstructure，MS)、化学成份(chemicalcomposition，CC)、化学键结(chemicalbonding，CB)和电子分布情况(electronicstructure，ES)的电子光学装置。用电子光学仪器研究物质组织、结构、成份的技术称为电子显微术材料的宏观力学，物理和化学性质是由它的微观形态、晶体结构和微区化学成分所决定的。电子显微术就是由电子与物质的相互作用上所反映的信息来认识材料的形貌、结构与微区成分的。它可以研究原子尺度（特别是纳米尺度）的现象，而且可进行动态原位观察以及对微区进行综合分析，它是材料科学与工程中最常用的实验方法之一材料的分析与表征MaterialsCharacterization材料信号输入信号输出材料与输入信号相互作用，产生输出信号。比较输入和输出信号，获取材料的相关信息。1、输入什么信号；2、获取什么信号；3、输入信号与材料的相互作用，以及输出信号的产生过程。显微镜发展历史显微镜是用于放大微物体成为人的肉眼所能看到的仪器显微镜是一种借助物理方法产生物体放大影象的仪器人眼荷兰的眼镜商詹森（ZacchariasJanssen）Janssen和他的显微镜——世界上最早的一台显微镜显微镜的发展历史——16世纪复式显微镜复式显微镜MarcelloMalpighi（马尔比基）通过显微镜为血液循环理论提供了证据RobertHook改进了显微镜，并发现了细胞显微镜的发展历史——17世纪RobertHooke和他的显微镜12Hooke观察到的软木片的细胞结构Hooke显微镜下的跳蚤列文虎克的显微镜显微镜的发展历史——17世纪荷兰人安东尼·冯·列文虎克（AnthonyVonLeeuwenhoek)现代的光学显微镜显微镜的发展历史——18~19世纪在光学显微镜的完善和发展过程中，人们发现：不管如何完善光学显微镜的透镜和结构，其分辨率总是被限定在1000多倍和几百纳米的水平，不可能再有新的突破。光学显微镜的缺陷1.2光学显微镜分辨本领AA’R0B’A’RABA’B’BArR0r0光学显微镜的分辨本领Airydisk透镜的分辨本领δ=λ/2光学显微镜δ=Δr0=0.61λ/nsina=0.61λ/NA透镜能分辨的两点间的最小距离，即分辨本领主要取决于照明波长。半波长是光学玻璃透镜分辨本领的理论极限。•要提高显微镜的分辨本领，关键是要有短波长的照明源。必须寻找一种波长短，且能使之聚焦成像的新型的照明源，才有可能突破光学显微镜分辨本领和放大倍数的理论极限。显微镜的发展历史——20世纪1924年法国科学家德.布罗意（DeBroglie）提出物质粒子的波动性假说，λ=h/p;1926-1927年，Davisson和Germer以及ThompsonReid用电子衍射现象验证了电子的波动性，发现电子波长比X光还要短；50kv加速电压下，电子的波长大约为0.05Å德国科学家加博尔(Gabor)和布施(Busch)发现短焦距、有会聚能力的线圈对电子能起透镜的作用，就如同普通的可见光通过光学透镜被折射聚焦一样。20德布罗意波的实验验证--电子衍射实验KGBD探测器电子束电子枪U镍单晶CsUKG屏P多晶薄膜高压栅极阴极1927年C.J.Davisson&G.P.Germer戴维森与革末用电子束垂直投射到镍单晶，做电子轰击锌板的实验，随着镍的取向变化，电子束的强度也在变化，这种现象很像一束波绕过障碍物时发生的衍射那样。其强度分布可用德布罗意关系和衍射理论给以解释。同时英国物理学家G.P.Thompson&Reid也独立完成了电子衍射实验。电子束在穿过细晶体粉末或薄金属片后，也象X射线一样产生衍射现象。德布罗意理论从此得到了有力的证实，获得1929年的诺贝尔物理学奖金，Davisson和Thompson则共同分享了1937年的诺贝尔物理学奖金。显微镜的发展历史——20世纪鲁斯卡（Ruska）的早期工作第一件工作：系统的研究单个磁场（磁透镜）的光学行为。第二件工作：一个磁透镜形成的电子像有没有可能被第二个磁透镜再进一步的放大。22显微镜的发展历史——20世纪1931—1933年间，德国学者诺尔(Knoll)和鲁斯卡(Ruska)做出了世界上第一台透射电子显微镜。放大倍数17.41938年，鲁斯卡（Ruska）成功研制出了世界上第一台真正实用的透射电子显微镜。分辨本领可达100Å，比光学显微镜提高了20倍。1939年，德国Siemens-Halske(西门子-哈尔斯科)公司以这台电子显微镜为样机生产了世界上第一批（约40台）商品电子显微镜。并在战后运到了其他国家。人类从光学显微镜的时代进入了电子显微镜的时代显微镜的发展历史——20世纪Knoll为了研究二次发射现象，在1935年设计的一台仪器被认为是第一台扫描电子显微镜第一台可以用来做检测样品的扫描电镜是1942年，Zworykin(兹沃尔金)etal在美国RCA实验室建造的，分辨率50nm左右二战后英国剑桥大学工程系的CharlesOatley(奥脱莱)和他的学生McMullan在英格兰建造了他们的第一台SEM,到1952年，他们实现了50nm的分辨率。扫描电镜具备的潜能，开始受到商业重视显微镜的发展历史——20世纪X射线显微镜的发展历史——20世纪1983年，IBM公司苏黎世实验室的两位科学家GerdBinnig（宾尼希）和HeinrichRohrer（罗雷尔）发明了扫描隧道显微镜（STM）。扫描隧道显微镜下的由单个原子构成的“IBM”字样ErnstRuska，GerdBinnig和HeinrichRohrer（从左至右）分别因为发明电子显微镜和扫描隧道显微镜而分享1986年的诺贝尔物理学奖显微镜的发展历史——20世纪第一个阶段：30年代到50年代第二个阶段：50年代到60年代第三个阶段：60年代到70年代第四个阶段：70年代至今电子显微镜发展的四个阶段扫描电子显微镜（SEM）超高压透射电镜（TEM）30透射电镜（TEM）原子力显微镜（AFM）其它型式的显微镜扫描隧道显微镜（STM）磁力显微镜（MFM）电子显微镜的应用微观结构化学成分、元素分布、组成相的形貌（包括形状、大小和分布）和晶体结构、各个组成相之间的取向关系和界面状态，以及晶体缺陷的密度和组态等材料性能微区分析MethodsofmicrostructureanalysisThemostcommonlyusedmicrostructureanalysismethodsinmaterialsscienceandengineeringopticalmicroscopyX-raydiffractionelectronmicroscopymicrostructuralanalysisOpticalMicroscopyAdvantage:observesurfacemorphologyEasytooperateResultinterpretationisstraightforwardDisadvantage:Lowresolution(0.2m)CannotdocompositionanalysisandphaseanalysismicrostructuralanalysisX-raydiffractionAdvantage:phaseanalysisHighaccuracyGiveaveragecompositionDisadvantage:Cannot“see”imageCannotdo“localized”analysismicrostructuralanalysisElectronmicroscopyAdvantage:Highresolution:TEM(1Å)，SEM(4Å）Doimageobservation(BF,DF,HREM),structureanalysis(SAD,CBED),compositionanalysis(EDS)andelectronicstructureanalysis(EELS)ononeinstrument(TEM)Candoanalysisinverysmallvolume(~nm3)microstructuralanalysisElectronmicroscopyDisadvantage:onlygivelocalizedinformationveryexpensive(US$:0.1-1million)interpretationisnotstraightforwardoperationiscomplexSpecimenpreparationisdifficult波长分辨率聚焦优点局限性光学显微镜4000~8000Å2000Å可聚焦简单，直观只能观察表面形态,不能做微区成份分析。射线衍射仪0.1~100Å无法聚焦相分析简单精确无法观察形貌、微区分析电子显微分析0.0251Å(200kV)TEM：0.9-1.0Å可聚焦组织分析;物相分析（电子衍射);成分分析（能谱，波谱，电子能量损失谱）价格昂贵不直观操作复杂；样品制备复杂。形貌分析电子显微镜的应用SEMTEM成分和结构分析电子显微镜的应用Figure1.Bright-fieldTEMimageofCu(OH)2nanobelts(a)andthecorrespondingselect-areaelectrondiffractionpattern(b).Figure2.(aandb)Low-magnificationTEMimagesofbundlesofalignedZnSnanowiresandthecorrespondingelectrondiffractionpatternsfromthebunchesshowingorientationorderingamongthe[0001]nanowires.(c)High-resolutionTEMimageofananowireshowinguniformlatticestructure.(d)EDSofZnSnanowiresshowingthechemicalcomposition.缺陷研究电子显微镜的应用层错位错