【正文】 22/9/7 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(xiě)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。 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 。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。 1942： 劍橋大學(xué)的馬倫首次制成世界第一臺(tái)掃描電鏡。 能量較高 （ 等于或接近入射電子的能量 ） 。 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 。 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 。 數(shù)量與試樣的厚度和加速電壓有關(guān) 。 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) 。 俄歇電子的能量一般是 50~2022eV， 逸出深度小 （ 4~20197。 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 。 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 。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。 電子探針定量分析時(shí)，必須考慮 X射線熒光效應(yīng)的影響，進(jìn)行 X熒光校正。 導(dǎo)帶上的電子躍回價(jià)帶時(shí) ， 可以是直接躍回價(jià)帶， 多余的能量以電磁幅射的形式一次釋放出來(lái) ， 其波長(zhǎng)由導(dǎo)帶與價(jià)帶的能級(jí)差 (△ E=EdEj)決定 。 這種情況下 ， 其多余的能量將分兩次釋放出來(lái) ， 如果都是以電磁波的形式釋放 ， 那么其波長(zhǎng)將由導(dǎo)帶能級(jí) 、 價(jià)帶能級(jí)和雜質(zhì)能級(jí)來(lái)決定 。 等于電子束作用面積 表面形貌和成份像 10~100 197。 掃描電鏡、電子探針 吸收電子 電子穿透 深度 大于電子束 形貌像、成份像 1000~10000 197。在均勻磁場(chǎng)中，磁力線互相干行，等磁位面是一系列垂直于磁力線的平行平面，磁場(chǎng)方向是固定的，電子在其中運(yùn)動(dòng)將作圓周運(yùn)動(dòng)或沿著磁場(chǎng)方向作螺旋運(yùn)動(dòng)。減小激磁電流，可使電磁透鏡磁場(chǎng)強(qiáng)度降低、焦距變長(zhǎng) (由 f1變?yōu)?f2 ） 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 34 電磁透鏡的分辨本領(lǐng) 式中： A常數(shù)； ?照明電子束波長(zhǎng)； Cs透鏡球差系數(shù) 。在透射電子顯微鏡中， α的值一般很小 (一般不會(huì)超過(guò) 5度 )，所以有 sin α≈ α；電子波在真空中傳播，所以 n=1，故瑞利公式又可以寫(xiě)成 0 ????1 / 4()bestsK C?? ?1 / 4 3 / 40 sr A C ?? ? ? 比 較項(xiàng) 目 透射光 鏡 透射 電鏡 光 源 可見(jiàn)光 (日光或電燈光 ) 電子源 (電子槍 ) 照明控制 玻璃聚光鏡 電子聚光鏡 樣 本 1mm厚的 載 玻片 約 100nm厚的薄膜 放大成像系統(tǒng) 玻璃透鏡 電子透鏡 介 質(zhì) 空氣和玻璃 高真空 成像原理 利用不同物質(zhì)對(duì)光的吸收不同 利用不同物質(zhì)對(duì)透射電子的散射不同 像的觀察 直接用眼 (接目鏡 ) 利用熒光屏 聚焦方法 移動(dòng)透鏡位置 改變線圈電流或電壓 分辨本領(lǐng) 200nm ～ 有效放大倍數(shù) 1000 1000000 物鏡孔徑角 約 70176。一般光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)在數(shù)十倍到數(shù)百倍，特殊可到數(shù)千倍。它們能同時(shí)提供試樣的有關(guān)附加信息。 20度， β=177。 30度 JEM2022透射電鏡 EM420透射電子顯微鏡 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 2022/9/7 44 SECTION: 透射電子顯微 分 辨 率： 加速電壓： 75200KV 放大倍數(shù)： 25萬(wàn)倍 日立 H700電子顯微鏡 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 2022/9/7 45 SECTION: 透射電子顯微 JEM2022透射電鏡 加速電壓 200KV LaB6燈絲 點(diǎn)分辨率 透射電鏡主要結(jié)構(gòu) 電鏡的基本組成包括電子槍（光源）與加速級(jí)管、聚光系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、放大系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)。 陰極、陽(yáng)極和控制極決定著電子發(fā)射的數(shù)目及其動(dòng)能，因此，人們習(xí)慣上把它們通稱為“電子槍”。 一般電子槍的發(fā)射原理與普通照明用白炙燈的發(fā)光原理基本相同 ， 即通過(guò)加熱來(lái)使整個(gè)槍體來(lái)發(fā)射電子 。近來(lái)越來(lái)越被廣泛使用的場(chǎng)發(fā)射型電子槍則沒(méi)有這一問(wèn)題。通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓可控制發(fā)射電流和發(fā)射表面。透射電鏡的好壞，很大程度上取決于物鏡的好壞。 電源的穩(wěn)定性是電鏡性能好壞的一個(gè)極為重要的標(biāo)志。 ? 像襯度是圖像上不同區(qū)域 明暗 程度的差別。 ? 振幅襯度包括質(zhì)量厚度襯度（質(zhì)厚襯度、散射襯度）和衍射襯度。 ? 明場(chǎng) 像（ BF）：直射電子成像，像清晰。 ? 來(lái)源于電子的非相干散射， Z越高，產(chǎn)生散射的比例越大； d增加，將發(fā)生更多的散射。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 透射電子顯微 2022/9/7 61 質(zhì)厚襯度 A B 試樣 電磁透鏡 物鏡光闌 IA IB A39。衍射襯度成像就是利用電子衍射效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生晶體樣品像襯度的方法。 ? 衍襯成像技術(shù)可對(duì)晶體中 的位錯(cuò)、層錯(cuò)、空位團(tuán)等 晶體缺陷進(jìn)行直接觀察。 Ang： Anglesite（ 硫酸鉛 ） 。 S： soot。 現(xiàn)在 SEM都與能譜 （ EDS） 組合 ， 可以進(jìn)行成分分析 。 透射電鏡一般是電子光學(xué)系統(tǒng)（照明系統(tǒng)）、成像放大系統(tǒng)、電源和真空系統(tǒng)三大部分組成。 用背散射電子像可以觀察未腐蝕樣品的拋光面元素分布或相分布，并可確定元素定性、定量分析點(diǎn)。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 83 凸凹不平的樣品表面所產(chǎn)生的二次電子 ， 用二次電子探測(cè)器很容易全部被收集 ， 所以二次電子圖像無(wú)陰影效應(yīng) ， 二次電子易受樣品電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響 。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 87 背散射電子像 背散射電子像的形成，就是因?yàn)闃悠繁砻嫔掀骄有驍?shù) Z大的部位而形成較亮的區(qū)域，產(chǎn)生較強(qiáng)的背散射電子信號(hào)；而平均原子序數(shù)較低的部位則產(chǎn)生較少的背散射電子，在熒光屏上或照片上就是較暗的區(qū)域，這樣就形成原子序數(shù)襯度。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 90 團(tuán)聚體內(nèi)部的一次粒子結(jié)構(gòu)形態(tài) (a) 300 (b) 6000 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 91 αAl203團(tuán)聚體 鈦酸鉍鈉粉體的六面體形貌 20220 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 92 白云石癿表面特性 (SEM分析） 熱解段溫度 500℃ ，催化段溫度 850℃ 印尼褐煤未壓 SEM圖像 (X3000) 印尼褐煤 10t壓 SEM圖像 (X5000) 內(nèi)蒙褐煤未壓 SEM圖像 (X5000) 內(nèi)蒙褐煤 10t壓 SEM圖像 (X5000) 儲(chǔ)運(yùn)油泥中固體顆粒雜質(zhì)癿表面形貌 SEM分析 油泥分別經(jīng)正己烷（左）和甲苯（右）索氏提取后烘干所得癿固體顆粒。放大倍率不是越大越好，要根據(jù)有效 放大 倍率和分析樣品的需要進(jìn)行選擇。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 97 分辨率高 分辨率指能分辨的兩點(diǎn)之間的最小距離。 要提高分辨率可以通過(guò)減小照明波長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù) 電子顯微測(cè)量 SECTION: 掃描電子顯微 2022/9/7 98 景深 D大 景深大的圖像立體感強(qiáng) ， 對(duì)粗糙不平的斷口樣品觀察需要大景深的 SEM。如10000倍時(shí) ,TEM :D＝ 1?m， SEM:10?m, 100倍時(shí) ,OM:10?m， SEM=1000?m。 有的 SEM加入附件后 ，能進(jìn)行加熱 、 冷卻 、 拉伸及彎曲等動(dòng)態(tài)過(guò)程的觀察 。 其鏡筒部分構(gòu)造和 SEM相同，檢測(cè)部分使用 X射線譜儀，用來(lái)檢測(cè) X射線的特征波長(zhǎng)（波譜儀）和特征能量（能譜儀），以此對(duì)微區(qū)進(jìn)行化學(xué)成分分析。 隨后 衍生出一系列掃瞄探針顯微鏡（ Scanning Probe microscope， SPM）。 對(duì)于非導(dǎo)電的物質(zhì)則要求樣品覆蓋一層導(dǎo)電薄膜，但導(dǎo)電薄膜的粒度和均勻性難以保證，且掩蓋了物質(zhì)表面的細(xì)節(jié)。因此，AFM 除導(dǎo)電樣品外，還能夠觀測(cè)非導(dǎo)電樣品的表面結(jié)構(gòu)，且不需要用導(dǎo)電薄膜覆蓋，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V闊。 2. 位置檢測(cè)系統(tǒng)： 在原子力顯微鏡（ AFM）的系統(tǒng)中，當(dāng)針尖與樣品之間有了交互作用之后，會(huì)使得懸臂cantilever擺動(dòng)，所以當(dāng)激光照射在微懸臂的末端時(shí)，其反射光的位置也會(huì)因?yàn)閼冶蹟[動(dòng)而有所改變，這就造成偏移量的產(chǎn)生。 掃描器通常由壓電陶瓷管制作。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。因此，反饋控制是原子力顯微鏡系統(tǒng)的核心工作機(jī)制。 微懸臂位移檢測(cè)系統(tǒng) 針尖及樣品臺(tái) 掃描位置移動(dòng)系統(tǒng) 反饋控制及結(jié)果顯示 原子力顯微鏡的工作過(guò)程 原子力顯微鏡結(jié)合以上三個(gè)系統(tǒng)，將樣品的表面特性呈現(xiàn)出來(lái)： （ 1）使用探針來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)； （ 2）再利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量； （ 3）同時(shí)，把偏移信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。將這個(gè)代表微懸臂彎曲的形變信號(hào)反饋至電子控制器驅(qū)動(dòng)的壓電掃描器，調(diào)節(jié)垂直方向的電壓，使掃描器在垂直方向上伸長(zhǎng)或縮短，從而調(diào)整針尖與樣品之間的距離，使微懸臂彎曲的形變量在水平方向掃描過(guò)程中維持一定，也就是使探針－樣品間的作用力保持一定。當(dāng)針尖剛接觸到樣品時(shí)，懸臂振幅會(huì)減少到某一數(shù)值。反饋調(diào)節(jié)是通過(guò)改變 Z方向上壓電陶瓷管電壓完成的。 垂直分辨率：與針尖無(wú)關(guān)，而主要受 噪音影響。 a. 真空 b. 空氣 c. 有污染物