【正文】 ?材料的 固有性質(zhì) 、材料的 結(jié)構(gòu)與成分 、材料的 使用性能 和材料的 合成與加工 構(gòu)成材料研究的四大要素。 ?任何一種材料的宏觀性能或行為，都是由其微觀組織結(jié)構(gòu)所決定的。 第二章 電子顯微分析 緒 論 ?現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于對材料性能和成分結(jié)構(gòu)及微觀組織關(guān)系的理解；對材料在微觀層次上的表征技術(shù)，構(gòu)成了材料科學(xué)的一個重要組成部分。 ?用電子光學(xué)儀器對物質(zhì)組織、結(jié)構(gòu)、成份進(jìn)行研究的技術(shù)構(gòu)成 電子顯微術(shù) 。 緒 論 電子顯微分析的主要儀器是電子顯微鏡 (electron microscope， EM) 。 一般是指利用電磁場偏折、聚焦電子及電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生散射之原理來研究物質(zhì)構(gòu)造及微細(xì)結(jié)構(gòu)的精密儀器。近年來，由於電子光學(xué)理論的迅速發(fā)展，重新定義其為一種利用電子與物質(zhì)作用所產(chǎn)生訊號來鑒定微區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)(crystal structure， CS) 、 微細(xì)組織 (microstructure，MS) 、 化學(xué)成份 (chemical position， CC) 、 化學(xué)鍵結(jié) (chemical bonding， CB) 和 電子分布 情況 (electronic structure， ES) 的 電子光學(xué)裝置 。 緒 論 ?電子顯微分析主要儀器： ?透射電子顯微鏡（ TEM） 是一種具有 原子尺度 分辨能力，能同時提供 物理分析 和 化學(xué)分析 所需全部功能的儀器。選區(qū)電子衍射技術(shù)的應(yīng)用，使得 微區(qū)形貌 與 微區(qū)晶體結(jié)構(gòu) 分析結(jié)合起來，再配以能譜或波譜進(jìn)行 微區(qū)成份 分析，得到全面的信息。 緒 論 ?掃描電子顯微鏡（ SEM） SEM解釋試樣成像及制作試樣較容易；以較高的分辨率（ ）和很大的景深， 清晰地顯示粗糙樣品的表面形貌 ，輻以多種方式給出 微區(qū)成份 等信息，用來觀察斷口表面微觀形態(tài)，分析研究斷裂的原因和機理，以及其它方面的應(yīng)用 ， 為研究物體表面結(jié)構(gòu)及成份的利器。 緒 論 ?電子探針（ EPMA） 是在掃描電鏡的基礎(chǔ)上配上波譜儀或能譜儀的顯微分析儀器，它可以對 微米數(shù)量級 側(cè)向和深度范圍內(nèi)的材料微區(qū)進(jìn)行相當(dāng)靈敏和精確的化學(xué)成份分析，基本上解決了鑒定元素分布不均勻的困難。 常用光電觀測儀器比較 近代材料學(xué)者利用許多波性粒子與材料作用產(chǎn)生訊號來分析材料之構(gòu)造與缺陷。常用分析儀器包括光學(xué)顯微鏡、 X光衍射儀及電子顯微鏡。這些分析儀器各有所長，亦有短缺不足之處。茲將此三種分析儀器之特性、功能及適用范圍表列於表 1，最有效之分析方法乃在適當(dāng)配合使用各種儀器，以期各種功能相輔相成。 緒 論 常用光電觀測儀器比較 表 1 各種主要分析儀器之比較表 儀器 特性 光學(xué)顯微鏡 X光 衍射儀 電子顯微鏡 質(zhì) 波 可見光 X 光 電子 波長 ~5000 ~1 (100 kV) 介質(zhì) 空氣 空氣 真 空 ( torr至 torr) 鑒別 率 ~ 2022 X衍射 : 直接成像 : ~ μm 衍射 : 直接成像： (a)點與點間 (b)線與線間 偏 折 聚焦鏡 光學(xué)鏡片 無 電磁透鏡 試片 不限厚度 反射：不限厚度 穿透： ~mm 掃 瞄式： 僅 受 試 樣 基座大小影 響 穿透式： ~1000 訊號類 表明區(qū)域 統(tǒng)計平均 局部微區(qū)域 可 獲資料 表面微細(xì)結(jié)構(gòu) 主要為晶體結(jié)構(gòu) ,化學(xué)組成 晶體結(jié)構(gòu) ,微細(xì)組織 ,化學(xué)組成 電子分布情況等 緒 論 光衍射使得由物平面內(nèi)的點 O1 、 O2 在象平面形成一 B1 、 B2 圓斑（ Airy斑）。若 O1 、 O2靠的太近，過分重疊，圖象就模糊不清。 O1 O2 d L 強度 D 圖（ a）點 O1 、 O2 形成兩個 Airy斑；圖（ b）強度分布 （ a） （ b） B1 B2 R0 第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 圖（ c）兩個 Airy斑 明顯可分辨出 圖（ d）兩個 Airy斑 剛好可分辨出 圖（ e）兩個 Airy斑 分辨不出 I R0 第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 阿貝（ Abbe）根據(jù)衍射理論推導(dǎo)出了光學(xué)透鏡分辨本領(lǐng)的公式 0 .6 1s innr ???可見光作為光源時，透鏡的分辨本領(lǐng)極限為 200nm。要進(jìn)一 步提高顯微鏡的分辨本領(lǐng)，則必須采用波長更短的照明源。 由于電子束流具有波動性，而電子波的波長要比可見光的波長短的多。顯然，如果用電子束作為照明光源制成的電子顯微鏡將具有更高的分辨率。 第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 電子波 高速運動的電子應(yīng)考慮相對論修正，即： 運動的粒子同時具有波動性 ， 其波長與運動擴速度 V有如下的 關(guān)系： 式中：電子靜止質(zhì)量 m0= 1031千克；普朗克常數(shù) h＝ 1034焦耳 秒 201 ????????cVmmmVh??第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 加速電子的動能與電場加速電壓 U的關(guān)系為： 式中 e= 1019庫侖 ， 為電子電荷；光速 c= 108米 /秒 。 故有： 根據(jù)上式可計算出不同加速電壓下電子波的波長 。 見表 1： 202 cmmceU ??? ?UUcmeUUemh6200109 7 8 150212???????????????加速電壓 U（ KV） 電子波波 長 λ（ nm ） 加速電壓 U（ KV） 電子波波 長 λ（ nm） 加速電壓 U（ KV） 電子波波 長 λ（ nm） 20 40 60 80 100 120 160 200 500 1000 第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 提高加速電壓 ， 縮短電 子波長 ， 可 提高顯微鏡分辨 本領(lǐng)； 加速電子 速度越高 ， 對試樣 穿透的能力也越大 ， 這樣可放寬對試樣減薄的 要求 。 厚試祥與近二維狀態(tài) 的薄試樣相比 ， 更接近三維 實際情況 。 右圖示出 加速電壓與電 子穿透厚度的關(guān)系： 隨 加速電壓提高 ， 電子穿透厚 度增加 。 在 500kv以上時 ， 曲線由上升轉(zhuǎn) 為平緩 。 第二節(jié) 電子光學(xué)基礎(chǔ) 第三節(jié) 粒子（束）與材料的相互作用 一、電子束與材料的相互作用 二、電子與固體作用產(chǎn)生的信號 三、電子束與材料的其他相互作用（ 自學(xué) ） 四、離子與固體作用產(chǎn)生的信號 （ 自學(xué) ） —— 濺射與二次離子 一、電子束與材料的相互作用 入射電子（又稱為初始或一次電子）照射固體時與固體中粒子相互作用，它包括： ①入射電子的散射 ②入射電子對固體的激發(fā) ③受激發(fā)粒子在固體中的傳播 電子散射源于庫侖作用，它不同于光子在固體中的散射 。 入射電子照射固體時將與固體中的電子、原子核等作用而發(fā)生散射。與輻射的散射一樣，電子散射同樣有 彈性 和 非彈性散射 之分。 設(shè)原子的質(zhì)量為 M，質(zhì)量數(shù)為 A，碰撞前原子處于靜止?fàn)顟B(tài)。電子質(zhì)量與原子質(zhì)量的比值 me/M＝ 1/1836A。根據(jù)動量和能量守恒定理，入射電子與原子（核）碰撞后的最大能量損失可表示為 ?203m a x s AEE ????1 彈性散射 電子散射 當(dāng)入射電子與原子中電子的作用成為主要過程時 ，由于 作用粒子的質(zhì)量相同 ， 散射后入射電子的能量發(fā)生顯著變化 ， 這種過程稱為 非彈性散射 。 在非彈性散射過程中 ， 入射電子把部分能量轉(zhuǎn)移給原子 ， 引起原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化 ， 產(chǎn)生各種 激發(fā) 現(xiàn)象 。 因為這些激發(fā)現(xiàn)象都是入射電子作用的結(jié)果 ， 所以稱為 電子激發(fā) 。 電子激發(fā)是 非電磁輻射激發(fā) 的一種形式 。 2 非彈性散射 電子散射 入射電子被原子核散射時 ， 散射角 2?的大小與瞄準(zhǔn)距離 （ 電子入射方向與原子核的距離 ） rn、 原子核電荷 Ze以及入射電子的加速電壓 V有關(guān) 。 如圖 1l所示 ， 其關(guān)系為 圖 11電子散射示意圖 （ a）與原子核作用 （ b）與核外電子作用 neVrZ??2)2( ?VZr en ?或 3 散射截面 參見 《 材料結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ) 》 余焜主編 電子散射 入射電子與原子核作用 ， 被散射到大于 2?的角度以外 ， 故可用 πr n2（ 以原子核為中心 、 rn為半徑的圓的面積 ） 來衡量 一個孤立原子核把入射電子散射到大于 2?角度以外的能力 。 由于電子與原子核的作用表現(xiàn)為彈性散射 ， 故將 πr n2叫做 彈性散射截面 ， 用 ?n表示 。 3 散射截面 電子散射 同理 ， 稱 πr e2為 核外電子的非彈性散射截面 ， 用 ?e表示 。 對一個原子序數(shù)為 Z的孤立原子 ， 彈性散射截面為 ?n， 非彈性散射截面 則為所有核外電子非彈性散射截面之和 Z?e， 由前兩式可得?n/Z?e=Z。 因此 ， 原子序數(shù)越高 ，產(chǎn)生彈性散射的比例就越大 。 3 散射截面 電子散射 由于庫侖相互作用 ， 入射電子在固體中的散射 比 X射 線 強得多 ， 同樣 固體對電子的 “ 吸收 ” 比對 X射線的吸收快 得多 。 隨著激發(fā)次數(shù)的增多 ， 入射電子的動能逐漸減小 ， 最終被固體吸收 （ 束縛 ） 。 電子吸收主要指由于電子能量 衰減而引起的強度 （ 電子數(shù) ） 衰減 ， 顯然不同于 X射線的 “ 真吸收 ” 。 電子被吸收時所達(dá)到的深度稱為 最大穿入深度 （ R） 。 在不同固體中 ， 電子激發(fā)過程有差別 ， 多數(shù)情況 下 激發(fā)二次電子是入射電子能量損失的主要過程 。 4 電子吸收 電子散射 單位入射深度電子能量變化 （ dE/dz） 與 入射深度（ z） 的關(guān)系如圖 12所示 。 曲線與橫坐標(biāo)的交點即為入射電子的 最大穿入深度 。 圖 12 入射電子在固體中傳播時的能量損失曲線（ E0=1 keV、 3keV 、 5 keV 和 8 keV ） 4 電子吸收 電子散射 彈性散射 和 非彈性散射 同時發(fā)生 。前者使電子偏離原來方向引起電子在固體中 擴散 ；后者使電子能量逐漸減小，直至被固體 吸收 ，從而限制了電子在固體中的擴散范圍，這個范圍稱為 電子與固體的作用區(qū) 。掃描電子