【正文】 電子顯微結(jié)構(gòu)分析洛陽(yáng)理工學(xué)院本章主要內(nèi)容l一、概述l二、電子光學(xué)基礎(chǔ)l三、電子與固體物質(zhì)的相互作用l四、透射電子顯微分析l五、掃描電子顯微分析l六、電子探針 X射線顯微分析l七、電子顯微分析的應(yīng)用一、概述l電子顯微分析就是利用聚焦電子束與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的各種物理信號(hào)來分析試樣中物質(zhì)的微區(qū)形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成等。這中間包括電子掃描電鏡、電子透射電鏡、電子探針微區(qū)分析，隨著分析手段的發(fā)展，環(huán)境掃描電鏡、掃描隧道顯微分析、原子力掃描顯微分析也漸漸成為分析手段的重要組成部分。 一、概述一、概述一、概述一、概述l 電子顯微分析與其他的形貌、結(jié)構(gòu)、成分分析方法對(duì)比，具有以下非常重要的優(yōu)點(diǎn)：l 直接在高倍鏡下觀察試樣的形貌、結(jié)構(gòu)，可選擇特定的區(qū)域進(jìn)行分析；l 可直接分辨原子，能進(jìn)行納米尺度的晶體結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成分析；l 可以進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)、物相及化學(xué)組成的綜合分析；l 在固體科學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)、醫(yī)學(xué)、生物等各領(lǐng)域的研究用途都很廣。Si襯底上 不同組分不同組分 MgxZn1xO薄膜的薄膜的 SEM照片照片（（ a）） x=0（（ b）） x=（（ c）） x=（（ d）） x=（（ e）） x=（（ f）） x=一、概述電子顯微鏡 下的液晶分子形態(tài)電子顯微鏡 下的液晶分子形態(tài)掃描電子顯微鏡一、概述l（一）、光學(xué)顯微鏡的局限l光學(xué)顯微鏡的分辨能力，是光學(xué)顯微鏡能看到且區(qū)分開的最小物質(zhì)。 Abbe根據(jù)衍射理論導(dǎo)出了光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)的公式為： nm。在式中， r為分辨本領(lǐng)， λ為照明光源的波長(zhǎng)， n為透鏡的折射率， α為透鏡孔徑半角，習(xí)慣把 nsinα稱為透鏡的數(shù)值孔徑。因此可以看出，要增加透鏡的分辨本領(lǐng)，即減小 r值有三個(gè)途徑：l增加介質(zhì)的折射率；l增大物鏡的數(shù)值孔徑；l采用短波長(zhǎng)的照明光源。一、概述l 當(dāng)使用可見光作為光源，采用組合透鏡、大的孔徑角、高折射率的介質(zhì)浸沒物鏡時(shí)，物鏡的數(shù)值孔徑最大可提高到，在最佳的情況下，透鏡的極限分辨率可達(dá)到 200nm。要進(jìn)一步提高顯微鏡的分辨率，必須使用更短波長(zhǎng)的照明源。即是這樣使用波長(zhǎng)為 275nm的紫外光作為照明源，顯微鏡的極限分辨率也只能達(dá)到 100nm。雖然 X射線的波長(zhǎng)可達(dá) ～ 10nm，但是不知道什么物質(zhì)可使其改變方向，能進(jìn)行有效的折射和聚焦成像。l 因電子束也具有波動(dòng)性，波長(zhǎng)也很短，使用電子束作為照明源制成的電子顯微鏡具有更高的分辨率。且電子束在電場(chǎng)與磁場(chǎng)中可以方便的加以控制，應(yīng)用前途更廣。 K 光學(xué)顯微鏡J 電子顯微鏡眼晴：準(zhǔn)確性、靈敏性、適應(yīng)性和精密的分辨能力。人眼觀察物體的粒度極限為！ —— 局限性可以看到 細(xì)菌、細(xì)胞細(xì)菌、細(xì)胞 那樣小的物體。但光學(xué)顯微鏡超過一定放大率后就失去作用，最好的光學(xué)顯微鏡的放大極限是： 2022倍倍 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(hào) ，分析試樣物質(zhì)的 微區(qū)形貌 、 顯微結(jié)構(gòu) 、 晶體結(jié)構(gòu) 和 化學(xué)組成 。 電子顯微分析的定義 :216。 透射電子顯微鏡（ TEM）216。 掃描電子顯微鏡（ SEM）216。 電子探針（ EPMA）電子顯微分析的特點(diǎn)：l放大倍數(shù)高： 5倍 ~ 100萬倍；且連續(xù)可調(diào)； （現(xiàn)代 TEM可達(dá) 200萬倍 以上）l分辨率高： ~ （現(xiàn)代 TEM線分辨率可達(dá) ~）l多功能、綜合性： 形貌 + 物相 + 晶體結(jié)構(gòu) +化學(xué)組成二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l 電子光學(xué)是研究帶電離子在電場(chǎng)與磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，其產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、聚焦、成像等規(guī)律的一門科學(xué)。與光學(xué)在光學(xué)介質(zhì)中傳播規(guī)律有很多相似的地方：l 光線通過透鏡聚焦，電子束則通過磁場(chǎng)與電場(chǎng)聚焦，磁場(chǎng)與電場(chǎng)是電子束的電子透鏡；l 在幾何光學(xué)中，光線都利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面作為折射面；在電子光學(xué)中，在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的電場(chǎng)及磁場(chǎng)產(chǎn)生的等位面作為折射面。l 電子光學(xué)可以仿照幾何光學(xué)把電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡看作是射線，并引入幾何光學(xué)參量來表征電子透鏡對(duì)電子的聚焦成像作用。216。 電子光學(xué)與幾何光學(xué)相似：l 聚焦成像：幾何光學(xué) —— 利用光學(xué) 透鏡 會(huì)聚 光線 電子光學(xué) —— 利用 電場(chǎng)、磁場(chǎng) 會(huì)聚 電子束l 幾何光學(xué) — 利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱面 （如球面） 作為折射面 電子光學(xué) — 利用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱電磁場(chǎng)產(chǎn)生的 等位面 作折射面l 幾何光學(xué) — 光傳播路徑 —— 光線 —— 焦點(diǎn)、焦距 等表征 電子光學(xué) — 電子運(yùn)動(dòng)軌跡 —— 射線 —— 焦點(diǎn)、焦距 等表征216。 電鏡中電子光學(xué)系統(tǒng)的附加限制條件：電子軌跡相對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸斜率極小，即張角很小，一般為 102~103radr—— 電子徑向位置坐標(biāo)矢量z—— 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的坐標(biāo)電子軌跡離軸距離很小，遠(yuǎn)小于電子束沿軸距離l電、磁場(chǎng)與時(shí)間無關(guān)，且處于真空中， 即真空中靜場(chǎng) ；l忽略 電子束本身的空間電荷和電流分布；l入射電子束軌跡必須滿足 離軸條件 ：r — 分辨率 （ r小，分辨能力越高 ）λ— 照明光的波長(zhǎng)n— 透鏡所處環(huán)境介質(zhì)的折射率а— 透鏡孔徑半角（ 176。）nsinα— 數(shù)值孔徑 用 p 分辨能力（分辨率、分辨本領(lǐng)）： 一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能分開兩個(gè)物點(diǎn)的能力，數(shù)值上是剛能 清楚 地 分開 兩個(gè)物點(diǎn)間的 最小距離 。 （一）、光學(xué)顯微鏡的局限性216。 可見光作光源， ～ → 得 r≌λ/2 光學(xué)顯微鏡的極限分辨本領(lǐng)大約是所使用照明光線波長(zhǎng)的一半光學(xué)顯微鏡的極限分辨本領(lǐng)大約是所使用照明光線波長(zhǎng)的一半 因此光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)極限為因此光學(xué)透鏡的分辨本領(lǐng)極限為 200nm216。 紫外線（ 100400nm）： λ=275nm， r≌ 100nm216。 X射線（ ）： 難以使之改變方向、折射、聚焦成像216。 電子束： λ=~ r= 電子在電、磁場(chǎng)中易改變運(yùn)動(dòng)方向，且電子波的波長(zhǎng)比可見光短得多，所以電子顯微鏡在高放大倍數(shù)時(shí)所能達(dá)到的分辨率比光學(xué)顯微鏡高得多。 阿貝定律的意義：減小 r值 的途徑有： (1)↑， 即 ↑n和 α (2)↓λ 二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l （二）、電子的波動(dòng)性與波長(zhǎng) l 根據(jù) De Broglie提出的 ‘運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子具有波粒二象性 ’的觀點(diǎn)，任何運(yùn)動(dòng)著的微觀粒子也伴隨著一個(gè)波，這就是物質(zhì)波或德布羅意波。l 粒子的能量 E與動(dòng)量 P和波長(zhǎng) λ、頻率 ν的關(guān)系如下： ， 。式中 h是普朗克常數(shù)， h＝ 1034JS，這與光子與光波的關(guān)系是一樣的。從晶體對(duì)入射電子波的衍射也證實(shí)了德布羅意波的觀點(diǎn)。 l 電子在電場(chǎng)中得到加速運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能與運(yùn)動(dòng)速度 v之間的關(guān)系為： 。在式中， V稱為加速電壓， m是電子的質(zhì)量。二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l 當(dāng)加速電壓較低時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度很小，它的質(zhì)量近似于電子的靜止質(zhì)量，由此計(jì)算電子的波長(zhǎng)為： ；把電子的靜止質(zhì)量、電荷與普朗克常數(shù)都代入，則 。因此，電子的波長(zhǎng)與加速電壓平方根成反比。l 當(dāng)電子加速電壓較高時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度很大，電子的質(zhì)量也變大，須引入相對(duì)論校正，則電子波的波長(zhǎng)為： ， c為光速，把電子的靜止質(zhì)量、電荷與普朗克常數(shù)都代入， 。一般上，電鏡的加速電壓為 50～ 200Kv，則電子波長(zhǎng)為～ ，是可見光的十萬分之一，可極大地提高顯微鏡的分辨率。 加速電壓 (kV) 電子波長(zhǎng) (nm) 加速電壓 (kV) 電子波長(zhǎng) (nm)1 80 10 100 20 200 30 500 50 1000 表 電子波長(zhǎng)（經(jīng)相對(duì)論較正） 比可見光的波長(zhǎng)小幾十萬倍。比結(jié)構(gòu)分析中常用的 X射線的波長(zhǎng)也小 1～ 2個(gè)數(shù)量級(jí)。 與 X射線比較： X射線常用： λ= — 電子波常用： λ= —amp。 （三）、電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)和電子透鏡 ——— 電子光學(xué)折射定律amp。 1. 電子在靜電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)amp。 2. 靜電透鏡amp。 3. 電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)amp。 4. 磁透鏡amp。 5. 磁透鏡與光學(xué)透鏡的比較amp。 6. 磁透鏡與靜電透鏡的比較二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l 電子在電磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)l 電子在靜電場(chǎng)受到電場(chǎng)力的作用，產(chǎn)生加速度。從初速度為 0的自由電子達(dá)到 V電位時(shí)，電子的運(yùn)動(dòng)速度為 v＝ 。當(dāng)電子的初速度不為 0、運(yùn)動(dòng)方向與電場(chǎng)方向不在一條直線上時(shí)，則電場(chǎng)力不僅改變電子運(yùn)動(dòng)的能量，也改變電子運(yùn)動(dòng)的方向。l 一般可以把電場(chǎng)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(gè)初速度為 v1的電子 e以與等電位面法線成一定角度 θ的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，等電位上方與下方的電位分別為 V V2，電子在等電位上方與下方的速度分別為 v v2，運(yùn)動(dòng)軌跡為直線。但電子通過等電位面時(shí)，在交界點(diǎn)上電子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生突變，電子的運(yùn)動(dòng)速度也從 v1變?yōu)?v2。 二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l 這是因?yàn)殡妶?chǎng)對(duì)電子的作用力總是沿著電子所處點(diǎn)等電位面的法線，從低電位指向高電位。所以沿電子所處點(diǎn)的等電位面法線方向電場(chǎng)力的分量為 0，電子沿該方向的運(yùn)動(dòng)速度保持不變。 l 若電子在等電位面兩邊的速度分別為 v v2，與等電位面法線的夾角分別為 θ、 γ，則有： 或l 假設(shè)初始電位點(diǎn)為 0，電子的初速度為 0，電子經(jīng) V V2加速后的運(yùn)動(dòng)速度分別為 和二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l 所以：l 這與光的折射率中的表達(dá)式十分相似，相當(dāng)于折射率 n，這說明電場(chǎng)中等電位面是對(duì)電子折射率相同的表面，與光學(xué)系統(tǒng)中介質(zhì)界面的作用相同。l 當(dāng)電子由低電位進(jìn)入較高電位區(qū)時(shí)，折射角小于入射角，電子的軌跡趨向于法線；反之，電子的軌跡將離開法線。l 實(shí)際上，電場(chǎng)的電位是連續(xù)變化的，當(dāng) △ V＝ 0時(shí)，電子的折射軌跡變成曲線軌跡。V1θγ V2A Bv2v1二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)l靜電透鏡l一定形狀的光學(xué)介質(zhì)面可以使光線聚焦成像，一定形狀的等電位面也可以使電子束聚焦成像， 產(chǎn)生這種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱等電位曲面族的電極裝置稱為靜電透鏡。l靜電透鏡有二極和三極，分別是由兩個(gè)或三個(gè)具有同軸圓孔的電極組成。下圖是三極式靜電透鏡的電極電位、等電位曲面族的形狀示意圖。? 陰極尖端附近的自由電子在陽(yáng)極作用下獲得加速度；? 控制極附近 的電場(chǎng) (推著電子 )對(duì)電子起會(huì)聚作用；? 陽(yáng)極附近 的電場(chǎng)對(duì)電子有 “拉 ”作用，即有發(fā)散作用，但因這時(shí)電子的速度很大，所以發(fā)散作用較小。靜電透鏡結(jié)構(gòu) —— 由電極組成 ●● 陰極陰極 : 零電位零電位●● 陽(yáng)極陽(yáng)極 : 正電位正電位●● 控制極控制極 : 負(fù)電位負(fù)電位 二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)從靜電透鏡主軸上一物點(diǎn) a的散射電子，以直線軌跡向電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子射入電場(chǎng)的作用范圍并通過等電位面族時(shí)，將受到折射，最后被聚焦在軸上一點(diǎn) a’ ， a’ 成為 a的像。A B電子在陽(yáng)極附近，如 B點(diǎn)： F→Fz,Fr (Fr 背離對(duì)稱軸的方向 )發(fā)散作用。但由于電子的速度已經(jīng)很大，故發(fā)散作用較小。靜電透鏡 —— 受力分析電子在控制極附近時(shí) (A點(diǎn) )：電場(chǎng)強(qiáng)度矢量 E垂直于電場(chǎng)等位面，指向電位低的方向，電子受到的作用力 F與 E的方向相反： F→Fz,Fr (Fz 平行軸 , Fr指向軸 )電場(chǎng)力使電子向軸靠近， 會(huì)聚作用。 靜電透鏡 —— 結(jié)論l 會(huì)聚作用大于發(fā)散作用： 靜電透鏡總是會(huì)聚透鏡 ；l 靜電透鏡需要強(qiáng)電場(chǎng)，在鏡筒內(nèi)容易導(dǎo)致?lián)舸┖突」夥烹姡阂虼穗妶?chǎng)強(qiáng)度不能太高，靜電透鏡焦距較長(zhǎng)，不能很好的矯正球差；l 主要用于電子槍中，使電子束會(huì)聚成形。l 在早期的電子顯微鏡中使用靜電透鏡，由于電子透鏡需要很強(qiáng)的電場(chǎng)，在鏡筒內(nèi)易形成擊穿和弧光，因此靜電透鏡的焦距不能做的很短，不能很好的校正球差。在現(xiàn)代電子顯微鏡中，除了使用電子槍使電子束匯聚成形外，大多使用磁透鏡代替靜電透鏡。電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，受到磁場(chǎng)的作用力 — 洛侖茲力 (左手定則 )：電子在磁場(chǎng)中的受力和運(yùn)動(dòng)有以下三種情況： 平行：電子不受磁場(chǎng)影響；垂直：電子在與磁場(chǎng)垂直的平面做勻速圓周運(yùn)動(dòng)；交角 θ：電子運(yùn)動(dòng)軌跡是一螺旋線。amp。 3. 電子在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)二、 電子光學(xué)基礎(chǔ)因?yàn)槁鍋銎澚υ陔姾蛇\(yùn)動(dòng)方向上的分量為 0，磁場(chǎng)不能改變運(yùn)動(dòng)電荷的能量，不改變電荷運(yùn)動(dòng)速度的大小。即電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，僅發(fā)生偏轉(zhuǎn)。如圖 a所示，電子在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力起到向心力的作用；當(dāng)電子的運(yùn)動(dòng)速度與磁場(chǎng)方向成一定的夾角 θ時(shí)，電子的一定速度可分為兩個(gè)方向的分矢量，平行于磁場(chǎng)方向的分矢量不