【正文】 2022/9/7 1 電子顯微分析技術(shù) 2022/9/7 2 2022/9/7 3 顯微鏡由兩個(gè)會(huì)聚透鏡組成 ， 光路圖如圖所示 。 物體 AB經(jīng)物鏡成放大倒立的實(shí)像 A1B1， A1B1位于目鏡的物方焦距的內(nèi)側(cè) ， 經(jīng)目鏡后成放大的虛像 A2B2于明視距離處 。 顯微技術(shù)的相關(guān)概念 ? 放大倍數(shù) ： M=成像大小 /實(shí)物大小 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 2022/9/7 4 是指光學(xué)儀器所能區(qū)分的兩相鄰物點(diǎn)之間最小距離 ， 通常用 δ表示 ， δ越小 ， 表示能分清物體的細(xì)節(jié)越細(xì) ， 分辨本領(lǐng)越好 可見(jiàn)光系統(tǒng)最小分辨率 δ =200nm 分辨本領(lǐng) 2022/9/7 5 圓孔的 Fraunhofer衍射示意圖 (a)和衍射圓斑 (b) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 2022/9/7 5 光波衍射 中央亮斑被稱之為 Airy斑 R=?/(N*sin?) 2022/9/7 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 6 根據(jù)“瑞利”判據(jù)，當(dāng) A、 B兩點(diǎn)靠近到使像斑的重疊部分達(dá)到各自的一半時(shí)，則認(rèn)為此兩點(diǎn)的距離即是透鏡的分辨本領(lǐng)；由此得出顯微鏡的分辨本領(lǐng)公式（阿貝公式）為： d=?/(N*sin?) 其中 : N*sin?是 透鏡的孔徑數(shù) (簡(jiǎn)寫為 N*A) 常于鏡頭上標(biāo)明，其最大值為 因此，上式可近似化簡(jiǎn)為： d= ? 光學(xué)顯微鏡可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為 400~760nm。 光波的衍射 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 2022/9/7 7 傳統(tǒng)光學(xué)顯微系統(tǒng)的不足： 1. 第一 ， 光線不可能傳遞所有信息 ， 光波訊號(hào)是決定分辨本領(lǐng)高低的主要因素 ， 受光波的衍射 (Diffraction)等制約 2. 第二，分辨本領(lǐng)的高低取決于光學(xué)儀器元件的精度， 對(duì)光學(xué)顯微鏡來(lái)說(shuō)，起主要作用的是物鏡，由計(jì)算得到光學(xué)顯微鏡所能分辨的最小距離 δ=(λ/Nsinα) 3. 第三，對(duì)光學(xué)儀器而言，任何系統(tǒng)的最終像將形成在某種裝置上，如眼睛的視網(wǎng)膜，電視攝像的鏡頭等，這些光學(xué)“儀器”的分辨率，不僅有一定的限制，而且僅能反映可見(jiàn)光 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量2022/9/7 8 電子顯微分析方法的種類 ? 透射電子顯微鏡 (TEM)可簡(jiǎn)稱透射電鏡 ? 掃描電子顯微鏡 (SEM)可簡(jiǎn)稱掃描電鏡 ? 電子探針 X射線顯微分析儀簡(jiǎn)稱電子探針 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 2022/9/7 9 它們的根本不同點(diǎn)在于光學(xué)顯微鏡以可見(jiàn)光作照明束，透射電子顯微鏡則以電子為照明束。在光學(xué)顯微鏡中將可見(jiàn)光聚焦成像的是玻璃透鏡，在電子顯微鏡中相應(yīng)的為磁透鏡。 ? TEM 【 Transmission Electron Microscope 】 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 2022/9/7 10 Philips CM12透射電鏡 1924年 de Broglie提出波粒二象性假說(shuō) 1927 Davisson amp。 Germer, Thompson and Reid 進(jìn)行了電子衍射實(shí)驗(yàn)。 1933年柏林大學(xué)的 Knoll和 Ruska研制出第一臺(tái)電鏡（點(diǎn)分辨率 50nm, 比光學(xué)顯微鏡高 4倍 )， Ruska 為此獲得了 Nobel Prize（ 1986） ? SEM 【 Scanning Electron Microscope 】 主要是利用樣品表面產(chǎn)生的二次電子或散射電子成像來(lái)對(duì)物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，是探索微觀世界的有力工具 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 2022/9/7 11 1935： 法國(guó)的卡諾爾提出掃描電鏡的設(shè)計(jì)思想和工作原理。 1942： 劍橋大學(xué)的馬倫首次制成世界第一臺(tái)掃描電鏡。 電子波 高速 運(yùn)動(dòng)的電子所具有的動(dòng)能是由電場(chǎng)提供的 ： 1/2mν2=eU， λ=h/m ν 電子 具有的波長(zhǎng)應(yīng)為 ； λ=h/(2meU)=(nm) 其中 :h= 1034(Js),e= 1019(C),m= 1031(kg) 在電子顯微鏡中 ， 電子的加速電壓很高 ， 電子速度很大 ， 接近光速 。 此時(shí)需考慮運(yùn)動(dòng)速度對(duì)粒子質(zhì)量的影響 ． 根據(jù)相對(duì)性原理而得到電子波的波長(zhǎng)表達(dá)式為： λ= (1+ 106U) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 2022/9/7 12 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量2022/9/7 13 0 500 1000 1500 2022 2500 3000電子波長(zhǎng)(A)電壓(kV )加速電壓 (kV) 電子波長(zhǎng) (A) 25 50 75 100 200 500 1000 3000 電子波長(zhǎng)與電場(chǎng)電壓關(guān)系： 成反比 入射電子束 吸收電子 二次電子 背散射電子 俄歇電子 特征 X射線 透射電子 透射電子 （包含非彈性散射電子） （彈性散射電子） 樣 品 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 電子與物質(zhì)的相互作用 SECTION: 物理學(xué)基礎(chǔ) 2022/9/7 14 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 背散射電子 (Back scattering electron簡(jiǎn)稱 ) 被試樣反彈回來(lái)的入射電子 ， 包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子 。 能量較高 （ 等于或接近入射電子的能量 ） 。 產(chǎn)率與試樣的表面形態(tài)和成分有關(guān) ， 隨試樣原子序數(shù)的增大而增大 。 在掃描電鏡中 ， 用其獲取試樣的表面 形貌像 和 成分像 。 概念 特點(diǎn) 用途 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 二次電子 (Secondary electron簡(jiǎn)稱 ) 在入射電子的撞擊下 ， 脫離原子核的束縛， 逸出試樣表面的自由電子 。 能量較低 (小于 50eV)， 產(chǎn)生范圍小 （ 僅在試樣表面 10nm層內(nèi)產(chǎn)生 ） ； 產(chǎn)率與試樣的表面形態(tài)密切相關(guān) ， 對(duì)試樣的表面狀態(tài)非常敏感 ， 能很好地反映試樣的表面形貌 。 在掃描電鏡中用其獲取試樣的表面 形貌像 。 概念 特點(diǎn) 用途 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 吸收電子 (Absorption electron簡(jiǎn)稱 ) 被試樣吸收的入射電子稱為吸收電子 。 數(shù)量與試樣的厚度 、 密度 、 組成試樣的原子序數(shù)有關(guān) 。 試樣的厚度越大 、 密度越大 ， 原子序數(shù)越大 ， 吸收電子的數(shù)量就越大 。 如果試樣足夠厚 ， 電子不能透過(guò)試樣， 那么入射電子的強(qiáng)度 I0與背散射電子的強(qiáng)度 IB、 二次電子的強(qiáng)度 IS和吸收電子的強(qiáng)度 IA之間有以下關(guān)系 I0=IB+IS+IA (1) 故吸收電子像是二次電子像 、 背散射電子像的負(fù)像 。 在掃描電鏡中用其獲取試樣的 形貌像 、 成分像 。 概念 特點(diǎn) 用途 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 二次電子像 吸收電子像 背散射電子形貌像 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 透射電子 (Transmission electron簡(jiǎn)稱 ) 穿透試樣的入射電子稱為透射電子 。 數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān) 。 試樣厚度 越 小， 加速電壓 越 高 ， 透過(guò)試樣的電子數(shù)量就 越 多 。 試樣比較薄的時(shí)候 ， 由于有透射電子存在 ， (1)式的右邊應(yīng)加上透射電子項(xiàng) ， 即 I0=IB+IS+IA+IT 透射電子是透射電子顯微鏡要檢測(cè)的主要信息 ， 用于 高倍形貌像 觀察 ， 高分辨晶格像 觀察和 電子衍射晶體結(jié)構(gòu)分析 。 概念： 特點(diǎn)： 用途： 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 俄歇電子 (auger electron) 由俄歇作用產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子 。 如下圖所示 ， 入射電子將試樣中某原子的內(nèi)層 (如 K層 )電子打飛后 ， 外層電子 (如 L2層電子 )將回躍到內(nèi)層 (K層 )來(lái)填補(bǔ)空位 ， 多余的能量 (△ E=EL2EK)不是以特征 X射線的形式釋放出來(lái) ， 而是傳給了外層 (如 L3層 )的電子 ， 使之激發(fā) 。 這個(gè)過(guò)程稱為俄歇作用 ， 由此產(chǎn)生的自由電子稱為俄歇電子 。 K L3 L2 L1 高能電子 光電子 KL2,L3俄歇電子 概念 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 俄歇電子與特征 X射線一樣 ， 具有特定的能量和波長(zhǎng) ， 其能量和波長(zhǎng)取決于原子的核外電子能級(jí)結(jié)構(gòu) 。 因此每種元素都有自己的特征俄歇能譜 。 俄歇電子的能量一般是 50~2022eV， 逸出深度小 （ 4~20197。） ， 相當(dāng)于 2~3個(gè)原子層 。 這種電子能反映試樣的表面特征 。 利用俄歇電子可以對(duì)試樣 表面成分 和 表面形貌 進(jìn)行分析 。 特點(diǎn) 用途 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 連續(xù) X射線 ? 與 X射線管產(chǎn)生連續(xù) X射線的原理一樣 ， 不同的是 ， 這里作陽(yáng)極的不是磨光的金屬表面 ， 而是試樣 ? 當(dāng)電子束轟擊試樣表面時(shí) ， 有的電子可能與試樣中的原子碰撞一次而停止 ， 而有的電子可能與原子碰撞多次 ， 直到能量消耗殆盡為止 。 每次碰撞都可能產(chǎn)生一定波長(zhǎng)的 X射線 ， 由于各次碰撞的時(shí)間和能量損失不同 ， 產(chǎn)生的 X射線的波長(zhǎng)也不相同 ， 加上碰撞的電子極多 ， 因此將產(chǎn)生各種不同波長(zhǎng)的 X射線 —— 連續(xù) X射線 ? 連續(xù) X射線在電子探針定量分析中作為背景值應(yīng)予扣除 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 特征 X射線 電子束與固體物質(zhì)作用會(huì)產(chǎn)生特征 X射線 ， 這與 X射線管產(chǎn)生特征 X射線的過(guò)程和原理相同 。 特征 X射線的波長(zhǎng)決定于原子的核外電子能級(jí)結(jié)構(gòu) 。 每種元素都有自己特定的特征 X射線譜 。 一種元素的某根特征 X射線 (如 Kα1)的波長(zhǎng)是不變的 ， 它是識(shí)別元素的一種特有標(biāo)志 。 在 X射線譜中發(fā)現(xiàn)了某種元素的特征 X射線 ， 就可以肯定該元素的存在 。 特征 X射線是電子探針 微區(qū)成分分析 所檢測(cè)的主要信號(hào) 。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量技術(shù) 熒光 X射線 由 X射線激發(fā)產(chǎn)生的次級(jí) X射線稱為熒光 X射線 。其產(chǎn)生機(jī)理與 X射線管產(chǎn)生 X射線的機(jī)理是一樣的，不同的是熒光 X射線以 X射線作激發(fā)源。 高能電子束轟擊試樣，會(huì)產(chǎn)生特征 X射線和連續(xù)