电子显微结构分析

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,电子显微结构分析,本章主要内容,一、概述,二、电子光学基础,三、电子与固体物质的相互作用,四、透射电子显微分析,五、扫描电子显微分析,六、电子探针,X,射线显微分析,七、电子显微分析的应用,一、概述,电子显微分析就是利用聚焦电子束与物质相互作用产生的各种物理信号来分析试样中物质的微区形貌、晶体结构、化学组成等。这中间包括电子扫描电镜、电子透射电镜、电子探针微区分析，随着分析手段的发展，环境扫描电镜、扫描隧道显微分析、原子力扫描显微分析也渐渐成为分析手段的重要组成部分。,一、概述,一、概述,一、概述,一、概述,电子显微分析与其他的形貌、结构、成分分析方法对比，具有以下非常重要的优点：,1,、直接在高倍镜下观察试样的形貌、结构，可选择特定的区域进行分析；,2,、可直接分辨原子，能进行纳米尺度的晶体结构与化学组成分析；,3,、可以进行形貌、结构、物相及化学组成的综合分析；,在固体科学、材料科学、地质、医学、生物等各领域的研究用途都很广。,Si,衬底上,不同组分,Mg,x,Zn,1-x,O,薄膜的,SEM,照片,（,a,）,x=0,（,b,）,x=0.3,（,c,）,x=0.4,（,d,）,x=0.5,（,e,）,x=0.7,（,f,）,x=0.9,一、概述,电子显微镜,下的液晶分子形态,电子显微镜,下的液晶分子形态,扫描电子显微镜,一、概述,（一）、光学显微镜的局限,光学显微镜的分辨能力，是光学显微镜能看到且区分开的最小物质。,Abbe,根据衍射理论导出了光学透镜的分辨本领的公式为：,nm,。在式中，,r,为分辨本领，,为照明光源的波长，,n,为透镜的折射率，,为透镜孔径半角，习惯把,nsin,称为透镜的数值孔径。因此可以看出，要增加透镜的分辨本领，即减小,r,值有三个途径：,增加介质的折射率；,2,、增大物镜的数值孔径；,3,、采用短波长的照明光源。,一、概述,当使用可见光作为光源，采用组合透镜、大的孔径角、高折射率的介质浸没物镜时，物镜的数值孔径最大可提高到,1.6,，在最佳的情况下，透镜的极限分辨率可达到,200nm,。要进一步提高显微镜的分辨率，必须使用更短波长的照明源。即是这样使用波长为,275nm,的紫外光作为照明源，显微镜的极限分辨率也只能达到,100nm,。虽然,X,射线的波长可达,0.05,10nm,，但是不知道什么物质可使其改变方向，能进行有效的折射和聚焦成像。,因电子束也具有波动性，波长也很短，使用电子束作为照明源制成的电子显微镜具有更高的分辨率。且电子束在电场与磁场中可以方便的加以控制，应用前途更广。,光学显微镜,电子显微镜,眼晴：,准确性、灵敏性、适应性和精密的分辨能力。,人眼观察物体的粒度极限为,0.1mm,！,局限性,可以看到,细菌、细胞,那样小的物体。,但光学显微镜超过一定放大率后就失去作用，最好的光学显微镜的放大极限是：,2000,倍,利用,聚焦电子束,与试样物质相互作用产生的各种,物理信号,，分析试样物质的,微区形貌,、,显微结构,、,晶体结构,和,化学组成,。,电子显微分析的定义,:,透射电子显微镜（,TEM,）,扫描电子显微镜（,SEM,）,电子探针（,EPMA,）,电子显微分析的特点：,放大倍数高：,5,倍, 100,万倍；且连续可调；,（现代,TEM,可达,200,万倍 以上）,分辨率高：,0.20.3nm,（现代,TEM,线分辨率可达,0.1040.14,）,多功能、综合性：,形貌,+,物相,+,晶体结构,+,化学组成,二、 电子光学基础,电子光学是研究带电离子在电场与磁场中运动，其产生偏转、聚焦、成像等规律的一门科学。与光学在光学介质中传播规律有很多相似的地方：,1,、光线通过透镜聚焦，电子束则通过磁场与电场聚焦，磁场与电场是电子束的电子透镜；,2,、在几何光学中，光线都利用旋转对称面作为折射面；在电子光学中，在旋转对称的电场及磁场产生的等位面作为折射面。,3,、电子光学可以仿照几何光学把电子束的运动轨迹看作是射线，并引入几何光学参量来表征电子透镜对电子的聚焦成像作用。,电子光学与几何光学相似：,聚焦成像：几何光学,利用光学,透镜,会聚 光线,电子光学,利用,电场、磁场,会聚 电子束,几何光学,利用旋转对称面,（如球面）,作为折射面,电子光学,利用旋转对称电磁场产生的,等位面,作折射面,几何光学,光传播路径,光线,焦点、焦距,等表征,电子光学,电子运动轨迹,射线,焦点、焦距,等表征,电镜中电子光学系统的附加限制条件：,电子轨迹相对于旋转对称轴斜率极小，即张角很小，一般为,10,-2,10,-3,rad,r,电子径向位置坐标矢量,z,旋转对称轴的坐标,电子轨迹离轴距离很小，远小于电子束沿轴距离,电、磁场与时间无关，且处于真空中，,即真空中静场,；,忽略,电子束本身的空间电荷和电流分布；,入射电子束轨迹必须满足,离轴条件,：,r ,分辨率,（,r,小，分辨能力越高,）,照明光的波长,n,透镜所处环境介质的折射率,透镜孔径半角（,）,nsin,数值孔径,用,N.A,表示,分辨能力（分辨率、分辨本领）：,一个光学系统能分开两个物点的能力，数值上是刚能,清楚,地,分开,两个物点间的,最小距离,。,（一）、光学显微镜的局限性,可见光作光源，,N.A,可提高到,1.5,1.6 -,得,r/2,光学显微镜的极限分辨本领大约是所使用照明光线波长的一半,因此光学透镜的分辨本领极限为,200nm,紫外线（,100-400nm,）：,=275nm,，,r,100nm,X,射线（,0.1-100nm,）：,难以使之改变方向、折射、聚焦成像,电子束：,=0.03880.00087nm r=0.1nm,电子在电、磁场中易改变运动方向，且电子波的波长比可见光短得多，所以电子显微镜在高放大倍数时所能达到的分辨率比光学显微镜高得多。,阿贝定律的意义：,减小,r,值 的途径有：,(1)N.A,， 即,n,和,(2),二、 电子光学基础,（二）、电子的波动性与波长,根据,De Broglie,提出的运动着的微观粒子具有波粒二象性的观点，任何运动着的微观粒子也伴随着一个波，这就是物质波或德布罗意波。,粒子的能量,E,与动量,P,和波长,、频率,的关系如下： ， 。式中,h,是普朗克常数，,h,6.62610,-34,JS,，这与光子与光波的关系是一样的。从晶体对入射电子波的衍射也证实了德布罗意波的观点。,电子在电场中得到加速运动，其动能与运动速度,v,之间的关系为： 。在式中，,V,称为加速电压，,m,是电子的质量。,二、 电子光学基础,当加速电压较低时，电子的运动速度很小，它的质量近似于电子的静止质量，由此计算电子的波长为： ；把电子的静止质量、电荷与普朗克常数都代入，则 。因此，电子的波长与加速电压平方根成反比。,当电子加速电压较高时，电子的运动速度很大，电子的质量也变大，须引入相对论校正，则电子波的波长为： ，,c,为光速，把电子的静止质量、电荷与普朗克常数都代入， 。一般上，电镜的加速电压为,50,200Kv,，则电子波长为,0.00536,0.00251nm,，是可见光的十万分之一，可极大地提高显微镜的分辨率。,加速电压,(kV),电子波长,(nm),加速电压,(kV),电子波长,(nm),1,0.0388,80,0.00418,10,0.0122,100,0.0037,20,0.00859,200,0.00251,30,0.00698,500,0.00142,50,0.00536,1000,0.00087,表 电子波长（经相对论较正）,比可见光的波长小几十万倍。比结构分析中常用的,X,射线的波长也小,1,2,个数量级。,与,X,射线比较：,X,射线常用：,= 0.050.25nm,电子波常用：,= 0.00250.0054nm,（三）、电子在电磁场中的运动和电子透镜,电子光学折射定律,1.,电子在静电场中的运动,2.,静电透镜,3.,电子在磁场中的运动,4.,磁透镜,5.,磁透镜与光学透镜的比较,6.,磁透镜与静电透镜的比较,二、 电子光学基础,二、 电子光学基础,1,、电子在电磁场中的运动,电子在静电场受到电场力的作用，产生加速度。从初速度为,0,的自由电子达到,V,电位时，电子的运动速度为,v, 。当电子的初速度不为,0,、运动方向与电场方向不在一条直线上时，则电场力不仅改变电子运动的能量，也改变电子运动的方向。,一般可以把电场看成由一系列等电位面分割的等电位区构成，当一个初速度为,v1,的电子,e,以与等电位面法线成一定角度,的方向运动时，等电位上方与下方的电位分别为,V1,、,V2,，电子在等电位上方与下方的速度分别为,v1,、,v2,，运动轨迹为直线。但电子通过等电位面时，在交界点上电子的运动方向发生突变，电子的运动速度也从,v1,变为,v2,。,二、 电子光学基础,这是因为电场对电子的作用力总是沿着电子所处点等电位面的法线，从低电位指向高电位。所以沿电子所处点的等电位面法线方向电场力的分量为,0,，电子沿该方向的运动速度保持不变。,若电子在等电位面两边的速度分别为,v,1,、,v,2,，与等电位面法线的夹角分别为,、,，则有： 或,假设初始电位点为,0,，电子的初速度为,0,，电子经,V,1,、,V,2,加速后的运动速度分别为 和,二、 电子光学基础,所以：,这与光的折射率中的表达式十分相似，相当于折射率,n,，这说明电场中等电位面是对电子折射率相同的表面，与光学系统中介质界面的作用相同。,当电子由低电位进入较高电位区时，折射角小于入射角，电子的轨迹趋向于法线；反之，电子的轨迹将离开法线。,实际上，电场的电位是连续变化的，当,V,0,时，电子的折射轨迹变成曲线轨迹。,V,1,V,2,A,B,v,2,v,1,二、 电子光学基础,2,、静电透镜,一定形状的光学介质面可以使光线聚焦成像，一定形状的等电位面也可以使电子束聚焦成像，,产生这种旋转对称等电位曲面族的电极装置称为静电透镜。,静电透镜有二极和三极，分别是由两个或三个具有同轴圆孔的电极组成。下图是三极式静电透镜的电极电位、等电位曲面族的形状示意图。,阴极尖端附近的自由电子在阳极作用下获得加速度；,控制极附近,的电场,(,推着电子,),对电子起会聚作用；,阳极附近,的电场对电子有,“,拉,”,作用，即有发散作用，但因这时电子的速度很大，所以发散作用较小。,静电透镜结构,由电极组成,阴极,:,零电位,阳极,:,正电位,控制极,:,负电位,二、 电子光学基础,从静电透镜主轴上一物点,a,的散射电子，以直线轨迹向电场运动，当电子射入电场的作用范围并通过等电位面族时，将受到折射，最后被聚焦在轴上一点,a,，,a,成为,a,的像。,A,B,电子在阳极附近，如,B,点：,FFz,Fr (Fr,背离对称轴的方向,),发散作用。,但由于电子的速度已经很大，故发散作用较小。,静电透镜,受力分析,电子在控制极附近时,(A,点,),：,电场强度矢量,E,垂直于电场等位面，指向电位低的方向，电子受到的作用力,F,与,E,的方向相反：,FFz,Fr (Fz,平行轴, Fr,指向轴,),电场力使电子向轴靠近，,会聚作用。,静电透镜,结论,会聚作用大于发散作用：,静电透镜总是会聚透镜,；,静电透镜需要强电场，在镜筒内容易导致击穿和弧光放电：因此电场强度不能太高，静电透镜焦距较长，不能很好的矫正球差；,主要用于电子枪中，使电子束会聚成形。,在早期的电子显微镜中使用静电透镜，由于电子透镜需要很强的电场，在镜筒内易形成击穿和弧光，因此静电透镜的焦距不能做的很短，不能很好的校正球差。在现代电子显微镜中，除了使用电子枪使电子束汇聚成形外，大多使用磁透镜代替静电透镜。,电子在磁场中运动，受到磁场的作用力,洛仑兹力,(,左手定则,),：,电子在磁场中的受力和运动有以下三种情况：,平行：电子不受磁场影响；,垂直：电子在与磁场垂直的平面做匀速圆周运动；,交角,：电子运动轨迹是一螺旋线。,3.,电子在磁场中的运动,二、 电子光学基础,因为洛仑兹力在电荷运动方向上的分量为,0,，磁场不能改变运动电荷的能量，不改变电荷运动速度的大小。即电子在磁场中运动，仅发生偏转。,如图,a,所示，电子在与磁场垂直的平面内作匀速圆周运动，洛伦兹力起到向心力的作用；当电子的运动速度与磁场方向成一定的夹角,时，电子的一定速度可分为两个方向的分矢量，平行于磁场方向的分矢量不受任何影响；而垂直于磁场方向的分矢量则作圆周运动，其合成的运动轨迹是一个螺线。,4.,磁透镜,短线圈磁透镜,包壳磁透镜,极靴磁透镜,特殊磁透镜,例如：轴对称磁场系统,(,通电流的圆柱形线圈,),旋转对称的磁场对电子束有聚焦成像作用，产生这种旋转对称磁场的线圈装置。,在电子光学系统中用于使电子束聚焦成像的磁场是非均匀磁场，其等磁位面的形状与等电位面或光学透镜的界面相似，,短磁透镜,磁场沿轴延伸的范围远小于焦距的透镜，称短磁透镜。,通电流的短线圈及带有铁壳的线圈都可以形成短磁透镜：,短线圈磁透镜,包壳磁透镜,二、 电子光学基础,包壳磁透镜和极靴磁透镜,对于短磁透镜：,f0,，表明磁透镜总是会聚透镜,焦距,f,与加速电压,U,有关，加速电压不稳定将使图象不清晰。,f 1 / I,2,：表明当励磁电流稍有变化时，焦距,f,变化。,p,为物距，,q,为像距，,f,为透镜的焦距；,A,是与透镜结构有关的常数,(A0),；,U,是加速电压；,NI,为透镜线包的安匝数；,R,为线包的半径。,极靴磁透镜,特点：极靴附近磁场很强，对电子的折射能力大，可以使透镜的,f,变得更短。,极靴磁透镜是在包壳磁透镜中再增加一组特殊形状的极靴。,一组极靴由具有同轴圆孔的上下极靴和连接筒组成。,常用的极靴材料：,Fe-Co,合金，,Fe-Co-Ni,合金,轴向磁场强度分布曲线,有极靴的磁透镜的磁场强度比短线圈或包铁壳磁透镜更为集中和增强。,短线圈磁场中有一部分磁力线在线圈外侧，它对电子束的聚焦不起作用，因此短线圈磁透镜的磁场强度小，焦距长。,特殊磁透镜,特点：,焦距很短，约等于透镜磁场的半宽度；,球差可比普通磁透镜小一个数量级，,有利于提高透镜的分辨本领。,单场透镜,有的电镜是将试样放在透镜上、下极靴中间的位置，上极靴附近磁场起会聚电子束的作用，下极靴附近磁场起物镜作用，,单场磁透镜。,不对称磁透镜,上下极靴的,孔径不相同,的磁透镜称不对称磁透镜。,如用于,透射电镜的物镜,，上极靴孔要大些，使试样能放在透镜的焦点位置附近，并便于试样的倾斜和移动。,扫描电镜中物镜,的下极靴孔比上极靴孔大，以便于在其附近安放某些附件。,5.,磁透镜与光学透镜的比较,磁透镜场深大（,2002000nm,）；焦深长（,80cm,）,f,与（,IN,）,2,成反比,磁透镜是,可变焦距,和,可变倍率,透镜,磁透镜对电子有旋转作用，所得到的电子光学像相对于物来说旋转了一个角度,磁转角,虽然静电透镜也是会聚透镜，但现代电子显微镜中几乎都采用磁透镜，用于使电子束聚焦、成像。其主要原因有两点：,静电透镜要求高电压，但高压总是危险的！,磁透镜的焦距可以做得很短，可获得较高的放大倍数和较小的球差。,6.,磁透镜与静电透镜的比较,上面讨论的电子透镜的聚焦成像问题有限制条件，即假定：,(,透镜电磁场,),具有理想的轴对称性,轨迹满足旁轴条件,电子波的,波长,(,速度,),相同,实际情况与理想条件偏离，造成电子透镜各种,像差,像差的存在，影响图像的清晰度和真实性，决定了透镜只具有一定的分辨本领，从而限制了电子显微镜的分辨本领。,电子透镜的缺陷,像 差：,图像模糊不清,像与物的几何形状不完全相似,导,致,球差,色差,轴上像散,畸变,物面上,一点,散射出电子束，不能全部会聚在一点,物面上的,各点,不按比例成像于同一平面,四、电磁透镜的像差和理论分辨本领,是由于电磁透镜磁场的近轴区和远轴区对电子束的会聚能力不同而造成的。,假设张角最大电子的像落在,P,点,张角最小电子的像落在,P,点,透镜光阑有一定大小,同是,P,点发出的电子,当,张角不同,时,落在不同点上,透镜,光阑,1.,球 差,无论像平面在什么位置，都不能得到一清晰的点像，而是一个一定大小的弥散圆斑。,正球差,远轴区对电子束的会聚能力比近轴区大。,负球差,远轴区对电子束的会聚能力比近轴区小。,球差最小弥散圆：在,PP,间某一位置可获得最小的弥散圆斑。,M,放大倍数；,C,s,球差系数；,孔径半角,球差是电子显微镜最主要的像差之一，它往往决定了显微镜的分辨率。,球差几乎是一种无法克服的像差。,最小弥散圆,半径为：,几何光学中由于光,颜色,(,波长,),不同,，经过透镜折射率不同，在不同点聚焦而产生的像差称,色差,。,电子光学中，电子透镜成像也有色差。,加速电压的波动,及,阴极逸出电子能量,的起伏，使得成像电子的,波长不完全相同,，使透镜的焦距发生变化。,这种色差使得一个物点变成为某种散射图形，影响了图像的清晰度。,2.,色 差,色 差：是由于电磁透镜磁场对不同波长的电子的会聚能力不同而造成的。,一个物点散射的具有不同波长的电子，进入透镜磁场后将沿着各自的轨迹运动，不能聚焦在一个像点上,引起电子束波长（能量）变化的原因：,加速电压不稳定，引起电子束能量波动。,电子受到一次或多次非弹性散射，致使能量受损。,减小试样厚度利于减小色差。,色差最小弥散圆半径：,C,c,透镜的色差系数（随激磁电流增大而减小）,孔径半角,E/E,成像电子束能量变化率,由于透镜磁场不是理想旋转对称磁场而引起的像差。,实际的透镜磁场不完全旋转对称，只是近似的,双对称场,场分布有,两个互相垂直的对称面,（,XZ,面、,YZ,面）,透镜在不同对称面方向的,焦距不同,3.,轴上像散,物点,P,在,XZ,平面,上成象于,P,点,在,YZ,平面,上成象于,P,点,一物点所成像是椭圆斑，图像不清晰,产生原因：极靴材料不均匀、加工精度、装配误差、污染等,轴上像散是影响电镜分辨本领的主要像差之一,电镜配置有消像散器，尽量校正像散,最小弥散圆半径：,f,A,像散引起的最大焦距差,枕型畸变,桶型畸变,旋转畸变,正方形物,球差系数随激磁电流减小而增大,低放大倍数时易产生畸变,小电流，球差严重,4.,畸 变,正球差,枕型畸变,负球差,桶型畸变,磁转角,旋转畸变,受,衍射效应,、,球差,、色差、轴上像散等因素的影响,理论分辨本领为,0.2nm,随高压电子束做照明源及用低球差透镜，理论可达,0.1nm,仅考虑衍射效应和球差时，电磁透镜的理论分辨本领为,A,常数，约,0.40.5,，决定于推导时的不同假设条件。,5.,电磁透镜的分辨本领,五、电磁透镜的场深和焦深,1.,场 深,不影响分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离,(D,f,),。,场深反映：,试样在物平面上下移动的距离；,试样的允许厚度。,当,r=1nm =10,-3,10,-2,rad,时，,D,f,2002000nm,在不影响成像分辨率条件下（,Xr,），场深,D,f,：,对于加速电压为,100KV,的电镜，样品厚度一般控制,200nm,以下,在透镜场深范围内，试样各部位均能调焦成像,2.,焦 深,在不影响透镜成像分辨本领的前提下， 像平面可沿镜轴移动的距离（,D,i,）。,焦深反映：,像平面可上下移动的距离。,观察屏或照相底片可上下移动的距离及安装位置。,焦深,D,i,：,当,r=1nm =10,-2,rad M=2000,倍时,D,i,=80cm,当用倾斜的观察屏观察，或照相底片位于观察屏下方时，同样可得到清晰的图像。,小 结,电子显微分析的内容；,电子显微分析的特点；,分辨率（分辨能力、分辨本领）；,电子波长；,电子在电场中的运动、静电透镜、特点；,电子在磁场中的运动、磁透镜、特点；,电磁透镜的像差和理论分辨率；,电磁透镜的场深和焦深。,2.2,电子与固体物质的相互作用,电子束与物质相互作用，可以产生背散射电子、二次电子、吸收电子、俄歇电子、透射电子、荧光,X,射线等各种信号。,利用这些信号可以进行透射电镜、扫描电镜、电子探针、俄歇电子能谱、,X,射线光电子能谱分析。,一、电子散射,二、内层电子激发后的驰豫过程,三、自由载流子,四、各种电子信号,五、相互作用体积与信号产生的深度和广度,热,-,光,X,射线, 二次电子等,散 射,弹性散射,非弹性散射,只变方向，不变能量,既变方向，也变能量,散射截面,(,),：,表征原子对电子散射作用的大小,一个电子被一个试样原子散射后偏转角等于或大于,角的几率,一、电子散射,聚焦电子束沿一定方向射入试样时,在原子库仑电场作用下，入射电子方向改变,散射,。,原子对电子的散射,1.,原子核对电子的弹性散射,2.,原子核对电子的,非,弹性散射,3.,核外电子对电子的,非,弹性散射,单电子激发,等离子激发,声子激发,2.2,电子与固体物质的相互作用,1,、原子核对电子束的弹性散射,入射电子束与试样中原子核发生碰撞时，由于原子核的质量远大于电子的质量，入射电子束产生散射，只改变方向而不改变能量。这个模型可由卢瑟福的经典散射模型演示。,弹性散射由于其能量等于或接近于入射电子束的能量，是透射电镜中成像和衍射的基础。,2,、原子核对电子束的非弹性散射,当入射电子束运动到原子核附近时，入射电子束还受到原子核库仑力制动而减速，成为非弹性散射。入射电子束的能量损失产生,X,射线，能量损失越大，,X,射线波长越短；但由于能量损失不是固定的，其波长是连续变化而无特征波长，称为连续辐射或韧致辐射，不能用来分析，反而会产生连续背底影响分析的灵敏度和准确度。,2.2,电子与固体物质的相互作用,3,、核外电子对入射电子的非弹性散射,此时，入射电子束的运动方向改变，且产生能量损失，原子核外电子受到激发。非弹性散射机制主要有：,（,1,）单电子激发，是入射电子与核外电子碰撞，将核外电子激发到空能级或脱离原子核称为二次电子，原子变为离子，这个过程叫电离。,二次电子的能量较低，仅在试样表面,10nm,层内产生、且需要克服电子逸出功才能逸出。他的主要特点是：对试样表面状态非常敏感，显示表面微区的形貌结构非常有效。二次电子像的分辨率非常高，是扫描电镜的主要成像手段。,（,2,）等离子激发，我们可以把晶体看作是点阵固定的正离子与漫散在整个空间的价电子云组成的电中性体，即等离子体。入射电子可引起价电子的集体振荡，在入射电子路径附近产生带正电的区域及在较远区域产生带负电的区域。瞬间破坏晶体局部的电中性，随后正电与负电的区域反复变化，称为价电子的集体振荡。价电子的集体振荡是可离子化的，这种能量量子称为等离子。,2.2,电子与固体物质的相互作用,等离子振荡波长较长，动量小，入射电子激发等离子后一般不会产生大角度散射。,（,3,）声子激发,由于晶格振动的能量也是量子化的，称为声子。声子的能量较低，通常的热运动都可以激发声子。声子的波长很小动量较大，当入射电子与声子碰撞时，可看作是电子激发声子或吸收声子的碰撞过程，虽然碰撞后入射电子的能量变化不大，但动量改变大，可以产生大角度散射。,Z,试样原子序数,E,0,入射电子能量,r,电子与核的距离,Z,大, E,0,小, r,0,小,-,大,散射角,1.,原子核对电子的弹性散射,入射电子运动到核附近，受核散射,由于,m,原子核,m,电子,电子只变方向，不变能量,弹性散射,(,相当于弹性碰撞,),被库仑电势制动而减速,2.,原子核对电子的非弹性散射,入射电子运动到核附近，受核散射，方向改变、能量受损，损失的能量,EX,射线,因,E,不固定,-,X,射线波长无特征值，波长连续,连续辐射 或 韧致辐射,会在,X,射线谱上产生连续背底，不能用来进行成分分析,3.,核外电子对入射电子的非弹性散射,入射电子的运动方向改变，能量受损，,原子则受到激发,（,1,）单电子激发,（,2,）等离子激发,（,3,）声子激发,入射电子与核外电子碰撞，将,核外电子激发到空能级,或,脱离原子核成为二次电子（此过程称为电离）。,电离：入射电子把某个核外电子打出去，成为二次电子，原子变成离子的过程。,二次电子的,级联过程,：入射电子产生的二次电子还有足够能量继续产生二次电子,.,直至最后能量很低，不足以维持此过程为止。,二次电子,信号,：试样,表面,和,深处,都能产生二次电子，但仅在试样表面,10nm,层,内产生且能,克服逸出功,的二次电子才有可能逸出成为信号。,二次电子特点,:,能量低,:,50ev,对试样表面状态非常敏感，显示表面微区的形貌结构非常有效。,二次电子应用,分辨率较高，是,SEM,的主要成像手段,单电子激发的对象：,价电子,原子的核外电子：最外层的价电子,能量高，易被激发,价电子激发使入射电子产生小角度散射,内层电子,能量低，激发所需能量大，至少为结合能,产生大角度散射,（,1,）单电子激发,二次电子,晶体是由,正离子,和漫散在整个空间的,价电子云,构成的,电中性体,可以把晶体看成是等离子体。,等离子体：是由正离子、负电子及中性粒子组成的电中性体。,当入射电子经过晶体时，在其路径近旁，,价电子,受排斥而作,径向发散,运动,则在入射电子,路径附近,产生带,正电,的区域,路径较远,处为带,负电,区域,电中性被破坏,正、负电区域的,静电作用,又使负电区域多余的价电子向正电区域运动,当运动,超过平衡位置,后，负电区变为正电区，再重复上面动作,-,如此往复不已,这种纵波式的往复振荡是许多原子价电子参加的长程作用，称为价电子的集体振荡。,（,2,）等离子激发：,电子入射到晶体中，引起价电子集体振荡，过程如下：,振荡的能量,E,p,是量子化的,这种,能量量子,称为,等离子,。,入射电子激发等离子后就要损失能量,E,p,E,p,是固定值，且随不同元素而变化,特征能量损失,特征能量损失电子：,损失了,E,p,能量后的电子。,应用： 电子能量损失谱,能量分析电子显微术,有特征能量的电子成像,能量选择电子显微术,（,3,）声子激发,声子：,晶格振动,的能量也是量子化的，它的能量量子称为声子。,入射电子和晶格的作用可以看作是,电子激发声子,（或吸收声子）的碰撞过程。,碰撞后，电子发生大角度散射，能量变化甚微，动量改变可以相当大。,二、内层电子激发后的驰豫过程,前面讲了电子散射，主要从原子核、核外电子两方面讲述了它们对电子能量和方向改变所起到的作用。,通常，电子入射到试样中，使价电子激发的几率较大，但也有可能使,内层电子,激发。,俄歇电子发射,转为晶格振动,驰豫过程,辐射跃迁,非辐射跃迁,特征,X,射线,都具有特征能量,可进行成分分析,当,内层电子,被入射电子轰击脱离了原子后，原子处于,高度,激发状态，它将,跃迁,回到能量较低状态,驰豫,注意“跃迁” ：指其他较高能级电子填补内层空穴，而把能量放出一部分，从而使整个原子的能量降下来。,三、自由载流子,当高能量的入射电子照射到半导体、绝缘体和磷光体上时，不仅可使,内层电子激发产生电离,，还可使,满带,中的,价电子激发,到导带中去，在满带和导带内产生大量空穴和电子等,自由载流子,。,自由载流子可进一步产生,阴极荧光,、,电子束电导,和,电子生伏特效应等,。,1.,阴极荧光,自由载流子在半导体的局部电场作用下，各自运动到一定的区域（如,p-n,结）积累起来，形成净空间电荷而产生电位差。,2.,电子束电导,3.,电子生伏特,高能电子束照射半导体材料，将产生自由载流子，若此时在试样两端建立电位差，自由载流子将向异性电极移动，产生附加电导。,是指物质在,高能电子束,照射下发出可见光（或红外、紫外）的现象。,（,PP112,页 图,2-15,）,四、电子与物质相互作用产生的各种电子信号,弹性散射电子,&,弹性背散射电子,背散射电子,&,二次电子,&,俄歇电子,弹性背散射电子,单次非弹性背散射电子,多次非弹性背散射电子,如前所述“原子核对电子的弹性散射”,-,产生弹性散射电子，其能量等于或接近入射电子的能量,E,0,。,1.,弹性散射电子,“,初次,”,电子,注意这种电子的涵盖面,:,只要是电子在入射及传播过程中，发生的散射过程都是弹性的，能量未改变，就都在此定义范围内。,从发生弹性散射的,次数,来说：,单次,弹性散射电子,+,多次,弹性散射电子,只关注次数,，不强调它发生弹散后，向什么,方向,运动（即不关心它是从表面逸出了，还是留下了，还是透射了）,从发生弹性散射后，,电子最终的,去向,来说：,一部分的总散射角,90,，从试样表面逸出,弹性,背散射,电子, 一部分,的,方向改变小，在试样中继续传播或从试样另一面透射（总之没有从入射面逸出）,只关注能量,2.,背散射电子,“,初次,”,电子,电子射入试样后，将受到原子的弹性和非弹性散射，就要改变运动方向。,经历数次方向改变后，一部分电子的总散射角,90,，重新从试样表面逸出，称, ,。,从定义来看，只要是受到试样散射后，,从试样表面逸出,的，就统统划归为背散射电子，而并不考虑这些电子的散射经历，比如：经过多少次碰撞？所发生的碰撞是弹性的还是非弹性的？最后返回到入射方向的电子能量是否有损失？损失多少？等等,背散射电子,弹性,背散射电子：能量接近或等于,E,0,，,E=0,单次非弹性,背散射电子：能量损失，但只损失 一次，,E,与,E,0,相差不多，,E,小,多次,非弹性,背散射电子：能量损失，且损失多次，,E,与,E,0,相差多，,E,大,且随次数,n,不同， ,E,不同，,E,不同（是变量）,只关注方向,在背散射电子中，,E,E,0,的弹性背散射电子最多，其次是,E,稍小的单次非弹，多次非弹非常少。因此实际在试样上方接收到的背散射电子是能量接近于,E,0,的弹性背散射电子占主导地位。,背,背,背,背,特点：,背散射电子的产额随原子序数,Z,的增大而增大,背散射电子图像的衬度与成分密切相关,背散射电子像,元素的定性分布情况,应用：,SEM,和电子探针仪,二次电子是“单电子激发”过程中被入射电子轰出的试样原子的核外电子。,3.,二次电子,“,二次,”,电子,级联过程,二次电子信号：在试样表面,10nm,层内产生且能克服逸出功的,电子谱中，探测器只能探测不同能量电子的数目，而并不能把能量相近的二次电子和背散射电子区分开。,习惯上,50ev,，当成真正的二次电子,50ev,，归入背散射电子,特点及应用：二次电子像分辨率高，是,SEM,主要成像信号。,4.,特征,X,射线,产生的根本原因是原子内层电子的跃迁。,化学元素有特定波长特征,X,射线,成分分析,应用：,SEM,（增加,X,射线谱仪附件）,5.,俄歇电子,属于,“二次”,电子类别,原子内壳层电子被打出后，内层出现空位，当较外层电子填补时，能量传给另一外层电子，使它被打出去,双电离。,Auger,电子仅在表面,1nm,层内产生,Auger,电子能量一般几十,几百,eV,特点及应用：,Auger,电子对表面微量元素有很高的灵敏度，且分析速度快，可进行定性分析、定量分析、表面状态分析。,“,二次,”,电子,6.,特征能量损失电子,“,等离子激发” 后，,损失了特征能量,E,P,后的入射电子,应用：,TEM,电子能量损失谱,能量分析电子显微术,“,初次,”,电子,当试样厚度,小于,入射电子的穿透深度时，入射电子将,穿透试样,，从另一表面射出，称为透射电子。,7.,透射电子,是,TEM,的成像电子,若试样较薄（,10-20nm,）,透射电子主要是弹性散射电子,成像比较清晰，电子衍射斑点较明锐,若试样较厚,（但仍小于穿透深度）,透射电子包含大量非弹性散射电子，且能量是变量,由于色差，成像模糊,入射电子经多次,非弹性,散射后，能量耗尽，不再产生其他效应，称被试样吸收，这种电子称吸收电子。,8.,吸收电子,连接纳安表,测试样吸收电子产生的吸收电流。,试样,厚度,越大，,密度,越大，,原子序数,Z,越大，吸收电子越多，吸收电流越大。,应用：,SEM,和电子探针仪,可得原子序数不同的元素的定性分布,五、相互作用体积与信号产生的深度和广度,扩散：,入射电子射入固体试样，经多次散射后，完全失掉方向性，即各方向散射几率相等，称为,。,相互作用体积：,扩散作用使电子与物质相互作用不限于电子入射方向，而具有一定体积范围，称,。,蒙特一卡洛 电子弹道模拟技术显示,1.,相互作用体积,试样原子序数：,轻元素试样，相互作用体积呈,梨形,重元素试样，相互作用体积呈,半球形,入射电子能量：,能量，,体积,，但形状基本不变,电子束入射方向：,倾斜入射，试样表面处相互作用体积横向尺寸增加,2.,相互作用体积 形状和大小的影响因素：,相互作用体积形状和大小决定各种物理信号产生的深度和广度,信号深广度：俄歇电子,二次电子,背散射电子,1000kV,），亮度大，能量分散性小，有利于提高分辨率。,发叉式钨丝阴极三级电子枪,相当于阴极,(,发叉式热钨丝,),、栅极,(,控制极,),和阳极组成的,静电透镜,发叉式钨丝阴极三级电子枪示意图,阴极,加负高压（,-50200KV,）,阳极,接地（,0,电位）,控制栅极,加比阴极负几百,几千伏的偏压,其电位大小决定了阴极和阳极之间等电位面的分布和形状，从而控制阴极的电子发射电流,电子枪交叉点：,由阴极发射的发散电子束受到电场径向分量的作用，会聚，通过一,最小截面,，此处电子密度最高，称,。,是电镜的实际电子源。,磁透镜,中级透射电镜,单聚光镜,电子束斑直径与交叉斑直径相当，易造成试样热损伤和污染,高级透射电镜,双聚光镜,单聚光镜和双聚光镜工作原理比较,(2),聚光镜,将电子束会聚，照射在试样上,第,I,聚光镜,用短焦距强磁透镜，将电子枪形成的交叉斑,缩小,几十至上百倍。,第,II,聚光镜,用长焦距弱磁透镜，调节孔径角和亮度。其与试样间有较大空间，以便放置试样台、测角台及其他附件。,2.,成像放大系统,物镜,+ 1,2,级中间境,+ 1,2,级投影镜,中级,透射电镜,（三级成像放大系统）,物镜,+ 1,级中间境,+ 1,级投影镜,高级,透射电镜,（多级成像放大系统）,物镜,+ 2,级中间境,+ 2,级投影镜,物镜（磁透镜）,第一级放大镜；,形成一次电子图像及电子衍射谱,其分辨率对整个成像系统的分辨率影响最大；,短焦距,、,高放大,(100,倍,),、,低像差,的,强磁,透镜。,试样放在物镜的前焦面附近，可得到放大倍率高的图象。,中间境（磁透镜）,长焦距,、,可变倍数,(0,20,倍,),的,弱磁,透镜。,投影镜（磁透镜）,将中间镜像进一步放大，并投影到屏或底片上；,短焦距,、,高放大,倍数,(100,倍,),的,强磁,透镜。,消像散器：,类似于用散光镜来矫正人眼的散光缺陷,圆柱弱磁场，校正透镜磁场不对称性，消除像散。,其他：,第一中间镜又称为衍射镜,样品室、 物镜光阑,限制物镜的孔径角，增加图象的反差,、 衍射光阑等,消像散器：,类似于用散光镜来矫正人眼的散光缺陷,圆柱弱磁场，校正透镜磁场不对称性，消除像散。,其他,：,第一中间镜又称为衍射镜,样品室、 物镜光阑,限制物镜的孔径角，增加图象的反差,、 衍射光阑等,图,2,26,成像光路,（,a,）高放大倍数成像；（,b,）中放大倍数成像；（,C,）低放大倍数成像,3.,图像观察记录部分,观察、拍摄经成像放大的电子图像,(1),荧光屏,观察,（电子强度,光强分布，可倾斜和翻起,）,(2),照像盒,记录,（荧光屏,翻起时，电子束直接照射底片使之感光,）,(3),望远镜,放大,5-10,倍，观察更小细节和精确聚焦,4.,样品台,承载样品,平移、旋转、倾斜,顶插式：,上、下极靴间隙较小 球差小 分辨本领高,倾斜角度达,20,倾斜过程中观察点的像稍有位移,侧插式：,上、下极靴间隙较大 球差大 分辨本领差,倾斜角度达,60,倾斜过程中观察点的像稍不位移,镜筒内：,10,-4,10,-6,Torr,（,1mmHg,）,若电子枪中存在气体，会产生,气体电离和放电,避免炽热阴极灯丝受到,氧化,而烧断,避免电子与气体分子相碰撞而,散射,及,污染,样品,电子枪高压稳压电源；,磁透镜稳压稳流电源；,电气控制电路。,真空系统,电气系统,（二）透射电镜的主要性能指标,1.,分辨率：点分辨率：,0.23,0.25nm,线分辨率：,0.104,0.14nm,（人眼可分辨最小细节,0.1mm.,常配长工作距离立体显微镜,将细节进一步放大）,2.,放大倍数：,100,倍,80,万倍,200,万倍,3.,加速电压：,指电子枪阳极对阴极的电压，决定电子波波长,加速电压高，电子束穿透能力强，可观察厚试样，利于分辨率,普通电镜：,100,200KV,；,材料研究工作：,200KV,适宜,点分辨率：,定义：,电子图像上,刚,能分辨开的,相邻两点,在试样上的距离。,测量方法：,在照片上量出两个斑点中心之间的距离，除以图像的放大倍数。,线分辨率,指电子图像中能分辨出的最小晶面间距，也称晶格分辨率。,如金,(200),晶面,的间距是,0.204 nm,(220),晶面,的间距是,0.144 nm,0.144nm,0.204nm,如电镜能拍摄出金,(200),的晶格条纹像，该电镜的线分辨率就是,0.204 nm,，,若能拍摄出金,(220),的晶格条纹像，线分辨率就是,0.144 nm,。,二、 透射电镜样品制备,厚度要薄到电子束可以穿透。具体视加速电压大小和样品而异（,100kV,，,100nm,左右）。,100,200nm,，甚至几十纳米。,样品若含水分、易挥发物质及酸碱等腐蚀性物质，需预先处理（因电镜镜筒需处于高真空状态,),。,化学性质稳定、并有一定的机械强度，在电子轰击下不致损坏或变化。,非常清洁。,(,一,),要 求,:,经悬浮分散的超细,粉末颗粒,直接试样,经减薄的材料,薄膜,直接试样,复型方法复制的,复型膜,间接试样,(,二,),制备方法,主要有三种样品类型,支持膜：,粉末颗粒一般远小于铜网孔，先制备对电子束透明支持膜,火棉胶膜,、,碳膜,、,碳加强的火棉胶膜,1.,粉末样品制备,圆 孔,方 孔,2,3mm,样品分散：超声波振荡 ,悬浮液,干燥或用滤纸吸干,蒸碳膜,重金属投影,为提高像衬度和增加立体感,在真空镀膜机中，以某种角度蒸镀,大的,Cr,、,Ge,、,Au,、,Pt,等重金属原子。,2.,薄膜样品制备,超薄切片,生物试样；,电解抛光,金属材料；,化学抛光,半导体、单晶体、氧化物等；,离子轰击,无机非金属材料,（多相多组分非导电材料）,离 子 轰 击,减薄原理：,按预定取向切割成薄片,再经机械减薄抛光等预减薄至,30,40um,的薄膜,薄膜钻取或切取成尺寸为,2.5,3mm,的小片离子轰击减薄,高真空中两个相对的冷阴极离子枪，提供高能量,Ar,离子流,以一定角度对旋转样品的,两面轰击,。,当轰击能量大于样品表层原子结合能，,表层原子,受到氩离子激发而,溅射,经较长时间连续轰击、溅射，最终样品,中心穿孔,。,穿孔后的样品在孔边缘处极薄，对电子束是透明的,薄膜样品。,离子轰击减薄装置示意图,离子轰击减薄的薄膜样品断面,试样,离子枪阴极,离子枪阳极,电离室,3.,复型样品的制备,复型：用对电子束透明的,薄膜,把材料表面或断口的形貌,复制,下来，称为,。,常用复型方法：,碳一级复型,塑料,-,碳二级复型,萃取复型,本身是“非晶”的，在高倍成像时，也不显示其本身的任何结构细节；,对电子束足够透明；,具有足够的强度和刚度，在复制过程中不致破裂或畸变；,良好的导电、导热和耐电子束轰击性能；,分子尺寸应尽量小，以利于提高复型的分辨率，更深入地揭示表面形貌的细节特征,。,常用的复型材料,是,非晶碳膜,和,各种塑料薄膜,复型膜材料必须满足以下特点：,(1),碳一级复型,在试样待观察面,垂直蒸镀,一层厚,10,30nm,碳膜（针尖划成,2mm,见方小块），然后慢慢浸入对试样有轻度,腐蚀,作用的溶液中，使碳膜与试样分离，漂浮于液面。碳膜经漂洗、晾干即为碳一级复型样品。,优缺点：,因要用侵蚀液，,必须一次复型成功,。,分辨率较高,，约达,3,5nm,。,衬度较差,，不能区分形貌中的凹凸。,可在碳膜形成前或后，以一定角度投影重金属（增强衬度和立体感，但同时却降低分辨率）。,(2),塑料,-,碳二级复型,在待观察试块表面滴一滴,丙酮,（或醋酸甲酯），在丙酮未完全挥发或被试样吸干之前贴上一块醋酸纤维素塑料膜（简称,AC,纸,），待丙酮挥发后将醋酸纤维素膜揭下,第一级塑料复型,在塑料复型膜的复型面上垂直蒸碳形成一层,10,30nm,的碳膜,第二级碳复型。为增强衬度和立体感,重金属投影,。,在丙酮溶液中溶去塑料膜，碳膜漂浮于丙酮中，经漂洗、展开、晾干,二级复型样品,。,优缺点：,因第一级复型用塑料膜进行，膜易于从试块揭下，不需使用侵蚀剂，不破坏试样表面形貌，可重复复型。,分辨率低，一般为,10nm,左右。,(3),萃取复型,既复制试样的表面形貌，又把第二相粒子粘附下来并基本保持原分布状态。,侵蚀,试样，形成,浮雕,蒸碳、形成碳膜并将凸出的第二相粒子,包埋,住,在,侵蚀液,中使碳膜和凸出的第二相粒子与基体,分离,清洁碳膜。,三、电子衍射,1924,年，德布罗意提出物质波概念。,电子波,1927,年，戴维森等,电子衍射实验,证实电子波动性，但发展缓慢,1939-1940,年，商品电镜进入市场。,20,世纪,50,年代，随电子显微镜的发展，把,成像和衍射,有机联系起来，为物相分析显微结构和晶体结构分析开拓了新的途径。,例如：材料中晶粒太小（几十,um,甚至几百,nm,）不能用,X,射线进行,单个晶体,的