材料研究方法及电子扫描显微镜

1.电子束与固体物质相互作用产生的物理信号材料研究方法电子束作用于试样上所产生的物理信号主要有背散射电子、二次电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、连续X射线、特征X射线、X荧光、阴极发光、衍射电子等。材料研究方法物理信号产生深度产生广度用途分辨率仪器俄歇电子＜10Å等于电子束作用面积表面形貌和成份像10~100Å俄歇电子谱仪二次电子＜100Å约等于电子束形貌像、结构像30~100Å扫描电镜背散射电子较大大于电子束形貌像、成份像50~2000Å扫描电镜、电子探针吸收电子电子穿透深度大于电子束形貌像、成份像1000~10000Å扫描电镜、电子探针透射电子形貌像、结构像1.4~100Å透射电镜特征X射线略小于电子穿透深度大于电子束元素定量、定性分析、元素面分布像电子探针阴极发光大于电子穿透深度远大于电子束晶体缺陷、杂质元素分布像、晶体发光3000~10000Å扫描电镜、电子探针各种物理信号各种的产生深度、广度、途和分辨率深度和广度范围材料研究方法各种物理信号应用的深度和广度材料研究方法概念：背散射电子是被固体样品反射回来的入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。弹性背散射电子的能量几乎没有损失，而非弹性背散射电子的能量有不同程度的损失。2各种物理信号的产生机理及用途2.1背射电子特点：总的来说，背散射电子的能量较高，等于或接近入射电子的能量。其产率随试样原子序数的增大而增大。用途：在扫描电镜和电子探针中，用背散射电子可以获得试样的表面形貌像和成分像。材料研究方法概念：在入射电子的撞击下，脱离原子核的束缚，逸出试样表面的自由电子称为二次电子。特点：二次电子的能量较低(小于50eV)，产生范围小（仅在试样表面10nm层内产生）；产率与试样的表面形状密切相关，对试样的表面状态非常敏感，能很好地反映试样的表面形貌。用途：在扫描电镜中用来获取试样的表面形貌像。2.2二次电子材料研究方法概念：被试样吸收掉的入射电子称为吸收电子。特点：吸收电子的数量与试样的厚度、密度、组成试样的原子序数有关。试样的厚度赿大、密度赿大，原子序数赿大，吸收电子的数量就赿大。如果试样足够厚，电子不能透过试样，那么入射电子I0与背散射电子IB、二次电子IS和吸收电子IA之间有以下关系I0=IB+IS+IA故吸收电子像是二次电子像、背散射电子像的负像。用途：在扫描电镜中，可以用其获取试样的形貌像、成分像。2.3吸收电子材料研究方法概念：穿透试样的入射电子称为透射电子。特点：透射电子的数量与试样的厚度和加速电压有关。试样厚度赿小，加速电压赿高，透过试样的电子数量就赿多。试样比较薄的时候，由于有透射电子存在，(1)式的右边应加上透射电子项，即I0=IB+IS+IA+IT用途：透射电子是透射电子显微镜要检测的主要信息，用于高倍形貌像观察，高分辨原子、分子、晶格像观察和电子衍射晶体结构分析。2.4透射电子材料研究方法由俄歇作用产生的自由电子称为俄歇电子。如下图所示，入射电子使试样中某原子的内层(如K层)电子激发(打飞)后，外层电子(如L2层电子)将回跃到内层(K层)来填补空位，多余的能量(△E=EL2-EK)不是以特征X射线的形式释放出来，而是传给了外层(如L3层)的电子，使之激发。这个过程称为俄歇作用，由此产生的自由电子称为俄歇电子。2.5俄歇电子材料研究方法俄歇电子与特征X射线一样，具有特定的能量和波长，其能量和波长取决于原子的核外电子能级结构。因此每种元素都有自己的特征俄歇能谱。俄歇电子的能量一般是50~2000eV，逸出深度4~20Å，相当于2~3个原子层。这种电子能反映试样的表面特征。因此,检测俄歇电子可以对试样表面成分和表面形貌进行分析。材料研究方法与X射线管产生连续X射线的原理一样，不同的是，这里作阳极的不是磨光的金属表面，而是试样。当电子束轰击试样表面时，有的电子可能与试样中的原子碰撞一次而停止，而有的电子可能与原子碰撞多次，直到能量消耗殆尽为止。每次碰撞都可能产生一定波长的X射线，由于各次碰撞的时间和能量损失不同，产生的X射线的波长也不相同，加上碰撞的电子极多，因此将产生各种不同波长的X射线——连续X射线。连续X射线在电子探针定量分析中作为背景值应予扣除。2.6连续X射线材料研究方法电子束与固体物质作用会产生特征X射线，这与X射线管产生特征X射线的过程和原理相同。特征X射线的波长决定于原子的核外电子能级结构。每种元素都有自己特定的特征X射线谱。一种元素的某根特征X射线(如Kα1)的波长是不变的，它是识别元素的一种特有标志。在X射线谱中发现了某种元素的特征X射线，就可以肯定该元素的存在。特征X射线是电子探针微区成分分析所检测的主要信号。2.7特征X射线材料研究方法由X射线激发产生的次级X射线称为荧光X射线。其产生机理与X射线管产生X射线的机理是一样的，不同的是荧光X射线以X射线作激发源。高能电子束轰击试样，会产生特征X射线和连续X射线，特征X射线会激发另一些元素的内层电子而产生次级特征X射线。这种由特征X射线激发出来的二级特征X射线，叫做特征X荧光。从样品中发射出来的连续X射线，也会激发出一些二级X射线。这种由连续X射线激发出来的二级连续X射线叫做连续X荧光。电子探针定量分析时，必须考虑X射线荧光效应的影响，进行X荧光校正。2.8荧光X射线材料研究方法阴极荧光实际上是由阴极射线（电子束）激发出来的一种波长较长的电磁波，一般是指可见光，有些书上把红外光和紫外光也包括在内。产生阴极荧光的物质主要是那些含有杂质元素或晶格缺陷(如间隙原子、晶格空位等)的绝缘体或半导体。2.9阴极荧光材料研究方法如右图所示，入射电子束作用在试样上，使得价带(满带)上的电子激发，从价带赿过禁带进入导带。导带上的电子跃回价带时，可以是直接跃回价带，多余的能量以电磁幅射的形式一次释放出来，其波长由导带与价带的能级差(△E=Ed-Ej)决定。如果其波长在可见光的范围，就会发出可见荧光。如果其波长比可见光短，比X光长，那样就会发出紫外荧光。导带上的电子跃回价带时，也可能先跃到杂质能级(或者说被杂质能级捕获)然后再从杂质能级跃回价带。这种情况下，其多余的能量将分两次释放出来，如果都是以电磁波的形式释放，那么其波长将由导带能级、价带能级和杂质能级来决定。如果波长在可见光范围，就会发出可见荧光，如果波长比可见光的长，就可能发出红外荧光。阴极发光可用来研究矿物的发光性、所含杂质类型和晶格缺陷等。材料研究方法各种物理信号的产生深度和广度范围材料研究方法扫描电子显微镜1.扫描电镜的特点和工作原理2.扫描电镜的构造3.扫描电镜的主要性能4.扫描电镜的样品制备5.扫描电镜的应用材料研究方法1.扫描电镜的特点特点和工作原理扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为SEM(ScanningElectronMicroscope)。SEM与电子探针（EPMA）的功能和结构基本相同，但SEM一般不带波谱仪（WDS）。它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析。现在SEM都与能谱（EDS）组合，可以进行成分分析。所以，SEM也是显微结构分析的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。扫描电镜可以直接观察大块试样，样品制备非常方便，加之扫描电镜的景深大，放大倍数连续调节范围大，分辨本领比较高，所以它成为固体材料样品表面分析的有效工具，尤其适合于观察比较粗糙的表面和材料断口和显微组织的三维形态。扫描电镜不仅能做表面形貌分析，而且能配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。材料研究方法扫描电镜成像示意图材料研究方法JSM-6700F场发射扫描电镜材料研究方法2.扫描电镜的构造扫描电镜由5个系统组成1.电子光学系统2.扫描系统3.信号收集系统4.图像显示和记录系统5.真空系统和电源系统材料研究方法扫描电镜的主要性能放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M总）景深大（F≈d0/β）保真度好材料研究方法放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，则有效放大率M＝0.2106nm5nm=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。材料研究方法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/nsin，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＝70－75，n=1.4。因为nsin1.4，而可见光波长范围为：＝400nm-700nm，所以光学显微镜分辨率d0.5，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DeBroglie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。材料研究方法景深大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Δf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。材料研究方法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，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析特别重要。材料研究方法扫描电镜的样品制备扫描电镜的样品制备一般是非常方便的，只要样品尺寸合适，就可以直接放到仪器中去观察。样品的直径和厚度一般从几毫米到几厘米，视样品的性质和电镜样品室空间而定。对于绝缘体或导电性差的材料来说，则需要预先在分析表面上蒸镀一层为10~20nm的导电层。否则，在电子束照射到试样上时，会形成电子堆积，阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射洗漱比较高的金、银、碳和铝的真空蒸镀层，对在真空中有失水，放气、收缩变形等现象的样品以及在对生物样品或有机样品做观察时，为了获得具有良好衬度的图像，均需适当处理。材料研究方法扫描电镜的像衬度扫描电镜像衬度的形成主要基于样品微区诸如表面形貌、原子序数、晶体结构、表面电厂和磁场等方面存在着差异。入射电子与之相互作用，产生各种特征信号，其强度就存在着差异，最后反映到显像管荧光屏上的图像就有一定的衬度。1.表面形貌衬度：利用与样品形貌比较敏感的物理信号作为显像管的调制信号，所得到的的像衬度称为表面形貌衬度。二次电子信号与样品表面变化比较敏感，但与原子序数没有明确的关系，其像分辨本领也比较高，所以通常用它来获得表面形貌图像。2.原子序数衬度又称化学成分衬度，它是利用对样品微区原子序数或者化学成分变化敏感的物理信号作为调制信号的道德一种显示微区化学成分差别的像衬度。这些信号主要有背散射电子，吸收电子和特征X射线材料研究方法形貌衬度原理材料研究方法扫描电镜的应用扫描电镜因其景深大，特别适合于断口分析。新鲜金属断口可直接放入电镜进行观察，既简单又不致在制备过程中引入假象；扫描电镜允许在很宽的倍率范围内连续观察，可以对断口进行低倍大视域观察，并在此基础上确定感兴趣的区域进行高倍观察分析，现实断口姓毛的细节特称，揭示断裂机理。