材料現(xiàn)代分析與測試技術(shù)第二章電子顯微分析(已修改)
2025-01-20 09:29 本頁面
【正文】 第二章 電子顯微分析 一、教學(xué)目的 理解掌握電子光學(xué)基礎(chǔ)、電子與固體物質(zhì)的相互作用、襯度理論等電子顯微分析的基本理論，掌握透射電鏡分析、掃描電鏡分析、電子探針分析的應(yīng)用和特點，掌握用各種襯度理論解釋電子顯微像，掌握電子顯微分析樣品的制備方法，了解透射電鏡、掃描電鏡、電子探針的結(jié)構(gòu)。 二、 重點、難點 重點： 電子與物質(zhì)的相互作用 、 襯度理論 、電子探針 X 射線顯微分析 。 難點： 電子與物質(zhì)的相互作用 、襯度理論。 三、教學(xué)手段 多媒體教學(xué) 四、 學(xué)時分配 14 學(xué)時 概述： 一、 光學(xué)顯微鏡的局限性： （分辨率）： 分辨能 力（分辨率、分辨本領(lǐng)） ： 一個光學(xué)系統(tǒng)能分開兩個物點的能力，數(shù)值上是剛能清楚地分開兩個物點間的最小距離。 ?? = ? (nm) r —分辨率（ r 小，分辨能力越高） λ—照明光的波長 n—透鏡所處環(huán)境介質(zhì)的折射率 а—透鏡孔徑半角（ 176。） nsina—數(shù)值孔徑 用 表示 電子在電、磁場中易改變運動方向，且電子波的波長比可見光短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時所能達(dá)到的 分辨率比光學(xué)顯微鏡高得多。 二、 電子顯微分析： 是利用聚焦電子束與試樣物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號、分析試樣物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成。 透射電子顯微鏡（ TEM） 掃描電子顯微鏡（ SEM） 電子探針（ EPMA） 特點： ： ~ ： 20~30 萬倍 ：能進(jìn)行 nm 尺度的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成分析 、綜合性分析方向發(fā)展：形貌、結(jié)構(gòu)、成份 第一節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 電子光學(xué)是研究帶電粒子（電子、離子）在電場和磁場中運動，特別是在電場和磁場中偏轉(zhuǎn) 、聚焦和成像規(guī)律的一門科學(xué)。 本課程所涉及的電子光學(xué)僅局限于電子顯微鏡這類儀器中電子的運動規(guī)律。 電子光學(xué)與幾何光學(xué)的相似： 1. 聚焦成像：幾何光學(xué) ——光學(xué)透鏡 電子光學(xué) ——電場、磁場 2. 電子光學(xué)：仿照幾何光學(xué)把電子運動軌跡看作射線，可用幾何光學(xué)參數(shù)來表征。 3. 幾何光學(xué)中用旋轉(zhuǎn)對稱面（如球面）作為折射面。 電鏡成像系統(tǒng)中用旋轉(zhuǎn)對稱的電場、磁場的等位面作折射面。 一 、電子的波性及波長 1. 電子波性 ——De Broglie 波 1924 年，德布 羅意提出了運動著的微觀粒子（如中子、電子、離子等）也具有波粒二象性假說 ——運動著的微觀粒子也伴隨著一個波 ——物質(zhì)波或德布羅意波 E=hv P=h/λ 則 λ=h/p=h/mv 2. 電子波長： V0=0 m/s v： 0~v E=ev=1/2mv2 當(dāng) V﹤﹤ C 時 m=m0 λ= ?emVh2 vV ? （ A） V↑ λ↓ 當(dāng) V=100 KV λ= 二 、電子在電磁 場中的運動和電磁透鏡 1. 電子在靜電場中的運動： v=mev2 ① 電場力的加速作用 ② 折射作用 當(dāng)電子運動方向與電場力方向不在一條直線上， 電場力的作用不僅改變電子運動方向的能量，而且也改變電子的運動方向。 如圖所示： 圖 21 電子越過等電位面 方向改變 將一個由 0~v 的電場看成由一系列等電位面分割的等電位區(qū)構(gòu)成。 當(dāng)一個電子以 V1速度與等電位面 AB 法線成 θ角方向運動。 因為 電場對電子作用力的方向總是沿著所處點的等電位面的法線方向，且從低電位指向高電位，而沿電子所處點的等電位面的切線方向電場力為零。 V1x=V2x V1=sinθ=V2sinγ 或： ???sinsin 211212 ???? vvvv （ 214）與光的折射定律表達(dá)式一樣， 相當(dāng)于折射率 n，說明電場中的等電位面是對電子折射率相同的表面。與光學(xué)系統(tǒng)中兩介質(zhì)界面起折射作用相同。由（ 214）式可知：當(dāng)電子由低電位區(qū) 進(jìn)入高電位區(qū) 時，折射角 小于入射角 ，即電子軌跡 趨向于法線，反之，相反。 2. 靜電透鏡： V1x V1y V2y V2 ① 靜電透鏡與一定形狀的光學(xué)介質(zhì)界面（如玻璃凸透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱彎曲折射界面）可以使光線聚焦成像相似，一定形狀的等電位曲面族也可使電子束聚焦成像，產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對稱等電位曲面族的電極裝置即為靜電透鏡。 二極式 三極式 靜電透鏡的局限性：強(qiáng)電場導(dǎo)致鏡筒內(nèi)擊穿和弧光放電 . ② 特點： 1. 折射率與 相當(dāng) 2. 因此電場強(qiáng)度不能太高，靜電透鏡焦距較長，不能很好的矯正球差。 ③ 應(yīng)用：靜電透鏡用于電子槍中使電子束會聚成形。 ； 電子在磁場中運動時，受到磁場的作用力 ——洛侖茲力 bvqf ??? ?? 電子在磁場中的受力和運動有以下三種情況： ① ? 與 b 同向：電子不受磁場影響 ② ? 與 b 垂直：電子在與磁場垂直的平面做均勻圓周運動。 ③ ? 與 b 交角 θ：電子是一螺旋線。 4. 磁透鏡 ① 磁透鏡 旋轉(zhuǎn)對稱的磁場對電子束有聚焦成像作用，產(chǎn)生這種旋的線圈裝置 ——磁透鏡。 目前電鏡中使用的是極靴磁透鏡。 圖 26 幾種透鏡的軸向磁場強(qiáng)度分布（線圈電流相同） 如圖 25 在上下極靴附近有很強(qiáng)的磁場，與靜電透鏡比，焦距短，聚焦能力強(qiáng) 。 特點： ① 磁透鏡對電子有旋轉(zhuǎn)作用，所得到的電子光學(xué)像相對于物來說旋轉(zhuǎn)了一個角度。 ② 磁透鏡是可變焦距和可變倍率透鏡 ? ? 2INVDKf ?F F 與（ IN） 2成反比 場深大（ 200~2022nm） 焦深長（ 80cm） 四、 電磁透鏡的像差和理論分辨本領(lǐng) 旋轉(zhuǎn)對稱的磁場可以使電子束聚焦成像，但要得到清晰而又與物體的幾何形狀相似的圖像，必須有以下幾個前提： （ 1） 磁場的分布是嚴(yán)格軸對稱的。 （ 2） 滿足旁軸條件 （ 3） 電子的波長（速度）相同 ——折射率不同 實際的電磁透鏡并不能完全滿足上述條件，于是產(chǎn)生像差： 物面上一點散射出電子束不一定會聚在一點。 物面上個點并不按比例成 像于同一平面。 結(jié)果：圖像模糊不清；原物的幾何形狀不完全相似。 磁透鏡的幾何缺陷產(chǎn)生 ——幾何像差 主要像差：球差 色差 軸上像散 畸變 1. 球差： 電磁透鏡：遠(yuǎn)軸區(qū)對電子束的會聚能力比近軸區(qū)大（正球差） 球差最小弧散圓：在某一位置可獲得最小的彌散圓斑，其半徑為： Rsm 341 aMCS?
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