第二篇材料电子显微分析

利用电子显微镜观察和分析材料的组织结构，称为电子显微分析技术电子显微镜是以电子束为光源的显微分析仪器，主要包括：透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针电子显微镜的分辨率很高，目前透射电子显微镜的分辨率已优于0.1nm，达到了原子尺度电子显微镜的分析功能很多，目前一台电子显微镜可兼有微观组织形貌、晶体结构、微区成分等多种分析功能第一台电子显微镜于20世纪30年代问世，经历了几个阶段的发展，使电子显微分析技术已成为材料科学等研究领域中最重要的分析手段之一第二篇材料电子显微分析第六章电子光学基础第一节电子波与电磁透镜•光学显微镜的分辨率极限一个世纪以来，人们一直用光学显微镜来揭示材料的显微组织，借以弄清楚结构与性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限，对诸如合金中的G.P.区（G.P.区是合金的固溶体在沉淀过程中,生成的溶质原子偏聚区,只有几纳米）无能为力。210r可见光的最短波长是390nm，也就是说光学显微镜的最高分辨率是≈200nm。一般人眼的分辨本领是大约0.2mm，光学显微镜的最大分辨率大约是0.2μm。把0.2μm放大到0.2mm,放大倍数是1000倍。这个放大倍数称之为有效放大倍数。光学显微镜的分辨率在0.2μm时，其有效放大倍数是1000倍。提高透镜的分辨本领：唯有寻找比可见光波长更短的，又能聚焦成相的照明光源才能解决这个问题。分辨率：指物体上所分辨的两个物点的最小间距。•电子波的波长特性比可见光波长更短的电磁波有：1）紫外线——2）X射线——3）电子波电子具有微粒性，也具有波动性。电子波的波长h——Plank常数，m——ν——电子速度电子速度与加速电压U之间存在下面关系eUm221meU2emUh2会被物体强烈的吸收；无法使其会聚；mvh6.63×10-34J﹒S9.1×10-34g若被150伏的电压加速的电子束，依据＝0.1nm,若加速电压很高，就应进行相对论修正(m需经相对论校正)。emUh2201cvmmU/kV/nmU/kV/nmU/kV/nm200.00859800.004182000.00251400.006011000.003715000.00142600.004871200.0033410000.00087表8-1不同加速电压下电子波的波长(经相对论校正)•电磁透镜电子显微镜中利用磁场使电子波聚焦成像的装置称电磁透镜a)b)c)如图8-1示，通电的短线圈是最简单的电磁透镜，形成一种轴对称不均匀的磁场。速度v的电子平行进入透镜，在A点受Br的作用，产生切向力Ft而获得切向速度Vt；在Bz分量作用下，形成使电子向主轴靠近的径向力Fr，而使电子作螺旋近轴运动比较图8-1d、e可见，电磁透镜对平行主轴的电子束的聚焦与玻璃透镜相似，其物距L1、像距L2、焦距f的关系为（8-6）放大倍数M由（8-7）计算（8-7）焦距f可由下式近似计算（8-8）式中，K是常数；Ur为经校正的加速电压；IN为磁安匝数1212111()rfLLfMLfUfKINfLfM11212111()rfLLfMLfUfKINd)e)第二节电磁透镜的像差和分辨率•像差电磁透镜像差分为两类，即几何像差和色差1.几何像差包括球差和像散。球差是由于透镜中心区域和边缘区域对电子折射能力不同形成的；像散是由于透镜磁场非旋转对称性引起不同方向的聚焦能力出现差别2.色差是波长不同的多色光引起的差别。色差是透镜对能量不同电子的聚焦能力的差别引起的下面将分别讨论球差、像散和色差形成的原因，以及消除或减小这些像差的途径1.球差如图8-4，球差是由于透镜中心区域和边缘区域对电子的折射能力不同而形成的，用rs表示球差影响分辨率的大小(8-9)式中，CS为球差系数；是孔径半角。减小球差的途径是减小CS和小孔径角成像。若透镜放大倍数为M，球差与像平面上最小散焦斑半径RS的关系为341ssCrMRrSs图8-4球差2.像散如图8-5，像散是由于透镜磁的非旋转对称导致不同方向聚焦能力出现差别而引起的，用rA表示像散对分辨率影响的大小(8-10)式中，fA为磁场出现非旋转对称时的焦距差；是孔径半角。通过引入强度和方位均可调节的矫正磁场消除像散。若透镜放大倍数M、像散与像平面上最小散焦斑半径RA的关系为图8-5像散AArfMRrAA为像散引起的最大焦距差。透镜磁场不对称，可能是由于极靴被污染，或极靴的机械不对称性，或极靴材料各向磁导率差异引起。像散可由附加的消像散器来校正。Af3.色差如图8-6，色差是由于入射电子波长(或能量)的非单一性,导致聚焦能力的差别所造成的，用rC表示色差对分辨率影响的大小(8-11)式中，Cc是色差系数；E/E为电子能量变化率，其取决于加速电压的稳定性及电子穿过样品发生非弹性散射的程度。可通过稳定加速电压来减小色差。若放大倍数M，rC与像平面上最小散焦斑半径RC的关系为图8-6色差ccErCEMRrcc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。稳定加速电压和透镜电流可减小色差，使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉，将有助于减小色差。4.球差系数和色差系数球差系数和色差系数CS和CC是电磁透镜的指标之一，其大小除了与透镜结构、极靴形状和加工精度等有关外，还受激磁电流的影响，CS和CC均随透镜激磁电流的增大而减小，如图8-7所示可见，若要减小电磁透镜的像差，透镜线圈应尽可能通以大的激磁电流图8-7激磁电流对透镜球差系数Cs和色差系数Cc的影响电磁透镜的分辨率主要由衍射效应和像差来决定。1.衍射效应对分辨率的影响(8-12)2.像差对分辨的影响球差：像散：用消像散器色差：稳定电源•分辨率00.61sinrN由于衍射效应，对应物点的像是中心最亮、周围呈亮暗相间的圆环的圆斑—埃利斑1.衍射效应对分辨率的影响84％集中在中央亮斑上，其余由内向外顺次递减，一般将第一暗环半径定为Airy斑的半径R0.如果两个物点靠近，相应的两个Airy斑也逐渐重叠．当两斑中心间距等于Airy斑半径时，强度峰谷值相差20%，人眼可以分辨.Rayleigh准则：当一点光源衍射图样的中央最亮处刚好和另一个点的第一个最暗处重合时，两衍射斑中心强度约为中央的80％，人眼刚可以分辨，这一条件称为Rayleigh准则。此时两物点距离⊿r0称为分辨率，可表达:MRr00sin61.00Nr式中，λ-光的波长N-折射系数α-孔径半角Nsina-数值孔径依据以上分析，若只考虑衍射效应，在光源和介质一定的条件下，孔径半角越大，透镜的分辨率越高。若2个物点的间距小于r0，则无法通过透镜分辨这2个物点的像对玻璃透镜，取最大孔径半角α=70-75°，若样品放在介质为油的情况下，N≈1.5，则其数值孔径Nsina≈1.25-1.35，上式可简化为可见，半波长是光学玻璃透镜可分辨本领的理论极限。可见光的波长在390-760nm，其极限分辨率为200nm。210rsin61.00Nr2.像差对分辨率的影响在电子透镜中，球差对分辨本领的影响最为重要，因为没有一种简便的方法可对它进行矫正，是限制透镜分辨率的主要因素而其它像差可以通过一些方法消除或减小。如前所述，由于球差、像散和色差的影响，物体上的光点在像平面上均会扩展成散焦斑。各散焦斑折算回物体后得到的值就是由球差、像散和色差所限定的分辨率。srArcrsin61.00Nr41)(5.120sCa41430sCAr341ssCMRrsr0=rS考虑到像差及衍射效应对分辨率的影响，依据上式可知：提高电磁透镜分辨率的主要途径是减小电子束波长(提高加速电压)和减小球差系数。41430sCAr式中，A0.4~0.55第三节电磁透镜的景深和焦长•景深定义透镜物平面允许的轴向偏差为景深，见图8-9。当物平面偏离理想位置时，将出现一定程度的失焦，若失焦斑尺寸不大于2r0对应的散焦斑时，对透镜分辨率不产生影响，由下图可得景深Df为002tan2rrDf表明孔径半角越小，景深越大。若r0=1nm，=10-2~10-3rad，则Df=200~2000nm透射电镜样品厚度约200nm，在透镜景深范围内，样品各层面都能显示清晰的图像。•焦长定义透镜像平面允许的轴向偏差为焦长，见下图。当像平面在一定范围内移动时，若失焦斑不大于2r0对应的散焦斑时，对透镜分辨率也无影响，由下图8-10可得焦长DL为（8-14）2002tan2MrMrDL式中，=/M，M为透镜放大倍数。表明焦长DL随减小而增大。若r0=1nm，=10-2rad，M=200倍，则DL=8mm，只要在透射电镜的荧光屏、底片或CCD相机都在焦长内，他们的图像都是清晰的，给图像的观察和记录带来极大方便。MrMrDL002tan2M2002tan2MrMrDL如弧度，M=200时,Df大约是8mm，这就是说，该透镜实际像平面在理想像平面上或下各4mm范围内移动时不需改变透镜的聚焦状态，图像仍是清晰的。21010nmr