电子显微分析实验报告.doc

2014年秋季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目 电子显微分析技能训练 学生所在院系 材 料 学 院 学生所在学科 材料加工工程 姓名 王保全 学号 14SD09004 学生类别 应用型 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是利用细聚焦电子束在样品表面扫描时，激发出来的各种物理信号调制成像的。新式扫描电子显微镜的二次电子像分辨率已经达到34mm，放大倍数可以原位数倍放大到20万倍左右。由于扫描电子显微镜的景深远比光学显微镜大，可以用它进行显断口分析。用扫描电子显微镜观察显微断口形貌时，样品不必复制，可进行观察，这给分析带来了极大的方便。因此，目前显微断口的分析工作都是通过扫描电子显微镜完成的。电子显微枪的效率不断提高，使得扫描电子显微镜样品室附近的空间增大，可以装入更多的探测器。因此，现在的扫描电子显微镜不只是分析形貌，它可以和其它分析仪器相结合，使人们能够在同一台仪器上进行形貌、微区成分和晶体结构等微观组织结构的同位分析。1扫描电子显微镜的构造和工作原理扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图像显示和记录系统，真空系统三个基本部分组成。图1为扫描电子显微镜原理的框图。图1扫描电子显微镜原理的框图1.1电子光学系统（镜筒）1.1.1电子枪扫描电子显微镜中的电子枪与透射电子显微镜的电子枪相似，只是加速电压比透射电子显微镜低。1.1.2电磁透镜扫描电子显微镜中各电磁透镜都不作成像透镜用，而是作聚光镜用，它们的功能只是把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为50um的束斑缩小成一个只有数个纳米的细小斑点。要达到这样的缩小倍数，必须用几个透镜来完成。扫描电子显微镜一般都有三个聚光镜，前两个聚光镜是强磁透镜，可把电子束光斑缩小，第三个透镜是弱磁透镜，具有较长的焦距。布置这个末级透镜的目的在于使样品室和透镜之间有一定的空间，以便装入各种信号探测器。扫描电子显微镜中照射到样品上的电子书直径越小，就相当于成像单元的尺寸越小，相应的分辨率越高。采用普通热阴极电子枪，扫描电子束的束径可达到6nm左右。若采用六硼化镧阴极和场发射电子枪，电子束束径还可进一步缩小。1.1.3扫描线圈扫描线圈的作用是使电子书偏转，并在样品表面左右规则的扫动，电子束在样品上的扫描动作和县相关上的扫描动作保持严格同步，因为它们是由同一扫描发生器控制的。图2示出电子束在样品表面进行扫描的两种方式。进行形貌分析时都采用光栅扫描方式，见图2-a。当电子束进入上偏转线圈时，方向发生转折，随后又有下偏转线圈使它的方向发生第二次转折。发生二次偏转的电子束通过末级透镜的光心射到样品表面。在电子束偏转的同时还带有逐行扫描动作，电子束在上下偏转线圈的作用下，在样品表面扫描出方形区域，相应地在显像管荧光屏上也画出一帧比例图像。样品上各点受到电子束轰击时发出的信号可由信号探测器接收，并通过显示系统在显像管荧光屏上按强度描绘出来。如果电子束经上述偏转线圈转折后未经下偏转线圈改变方向，而直接由末级透镜折射到入射点位置，这种扫描方式称为角光栅扫描或摇摆扫描，见图2-b。入射束被上偏转线圈转折的角度越大，则电子束在入射点上摆动的角度也越大。在进行电子通道花样分析时，我们将采用这种操作方式。1.1.4样品室样品室內除放置样品外，还安置信号探测器。各种不同信号的收集和相应检测器的安放位置有很大的关系，如果安置不当，则有可能收不到信号或收到的信号很弱，从而影响分析精度。 样品台本身是一个复杂而精密的组件，它应能夹持一定尺寸的样品，并能使样品做平移、倾斜和转动等运动，以利于对样品上每一特定位置进行各种分析。新式扫描电子显微镜的样品室实际上是一个微型实验室，它带有多种附件，可使样品在样品台上加热、冷却和进行力学性能试验。1.2信号收集处理和图像显示记录系统二次电子、背散射电子、和透射电子的信号都可采用信号闪烁计数器来进行检测。信号电子进入闪烁体后即引起电离，当离子和电子复合后就产生可见光。可见光信号通过光导管送入光电倍增器，光信号放大，即又转化成电流信号输出，电流信号经视频放大器放大后就成为调制信号。如前所述，由于镜筒中的电子束和显像管中电子束是同步扫描的，而荧光屏上每一点的亮度是根据样品上被激发出来的信号强度来调制的，因此样品上各点的状态各不相同，所以接收到的信号也不相同，于是就可以在显像管上看到一幅反映样品各点状态的扫描电子显微图像。1.3真空系统为保证扫描电子显微镜电子光学系统的正常工作，对镜筒内的真空度有一低昂的要求。一般情况下，如果真空系统能提供1.33x10-21.33x10-3Pa的真空度时，就可防止样品的污染。如果真空度不足，除样品被严重污染外，还会出现灯丝寿命下降、极间放电等问题。图1所示为扫描电镜外观图。 图3扫描电镜外观图2扫描电镜的应用之丝状斑迹的判定在扫描电子分析中，电镜的电子枪发射出电子束，电子在电场的作用下加速，经过两三个电磁透镜的作用后在样品表面聚焦成极细的电子束。该细小的电子束在末透镜上方的双偏转线圈作用下在样品表面进行扫描，被加速的电子与样品相互作用，激发出各种信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子及阴极荧光等。这些信号被按顺序、成比例地交换成视频信号、检测放大处理成像，从而在荧光屏上观察到样品表面的各种特征图像。某钢厂供韩国的热轧板经用户电镀锌磷化后，发现板表面存在隐约可见的条纹，称为丝状斑迹缺陷。可以发现冷轧丝状斑迹的颜色随人射光的方向改变而发生明显变化，当人射光转动到某一方向时，即使很明显的丝状斑迹缺陷也会完全消失。使用扫描电镜观察丝状斑迹处与正常部位锌晶粒形貌的差异，见图4。正常部位锌的晶粒呈无取向状态分布，而丝状斑迹缺陷处锌的晶粒生长方向一致、呈较大片状沿轧制方向断续分布。缺陷溯源性研究表明:由于热轧时轧辊冷却水泄漏，导致热轧板局部表面形成高斯织构。高斯织构在钢板制备过程中没有消除而遗留下来，镀锌时锌晶粒定向生长，导致对光的折射能力不同，而表现为丝状斑迹缺陷。a）正常部位 b）丝状斑迹处图4 镀锌板表面不同部位锌晶粒的形貌透射电子显微镜透射电子显微镜是一种具有高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器，被广泛应用与材料科学等研究领域。透射电镜以波长极短的电子束为光源，电子束经聚光镜系统的电磁透镜聚焦成一束近似平行的光线穿透样品，再经成像系统的电磁透镜成像和放大，然后电子束投射到镜筒最下方的荧光屏上形成所要观察的图像。在材料科学领域，透射电镜主要可用于材料微曲的组织形貌观察，晶体结构分析和晶体缺陷分析。电子枪发射的电子在阳极电压的加速作用下，高速地穿过阳极孔，被聚光镜汇聚成很细的电子束照明样品。因为电子束穿透样品能力有限，所以要求样品做得很薄，观察区域的厚度在200nm左右。由于样品微曲的厚度、平均原子序数、晶体结构或位向有差别，使电子束透过样品时发生部分散射，其散射使透过物镜光阑孔的电子束强度产生差别，经过物镜聚焦放大在其像平面上，形成第一幅反应样品微观特征的电子像。然后再经中间镜和投影镜两级放大，投射到荧光屏上对荧光屏感光，即把电子的强度转换为人眼可见的光强度分布，或由照相底片感光记录，从而得到一幅具有一定衬度的高放大倍数的图像。图1 透射显微镜构造原理和光路1透射电子显微镜的结构和成像原理透射电子显微镜是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统、电源与控制系统及真空系统三部分组成。电子光学系统通常简称镜筒，是透射电子显微镜的核心，它的光路原理与透射光学显微镜十分相似，如图1所示。它分为三部分，即照明系统、成像系统和观察记录系统。晶体薄膜样品明暗场像的衬度，是由于样品的相应不同部位的结构或位向的差别导致衍射强度的差异而形成的，因此称其为衍射衬度，以衍射衬度机制为主而形成的图像称为衍衬像。如果只允许投射束通过物镜光阑成像，称其为明场像；如果只允许某支衍射束通过物镜光阑成像，则称其为暗场像。就衍射衬度而言，样品中不同部位结构或位向的差别，实际上表现在满足或偏离布拉格条件的程度上的差别。满足布拉格条件的区域，衍射束强度较高，而投射束强度相对较弱，用投射束成明场像该区域呈暗衬度；反之，偏离布拉格条件的区域，衍射束强度较弱，而投射束强度相对较高，该区域在明场像中呈亮衬度。而暗场像中的衬度则与选择哪只衍射束成像有关。如果在一个晶粒内，在双光束衍射条件下，明场像与暗场像的衬度恰好相反。1.1照明系统照明系统由电子枪、聚光镜和相应的平移对中、倾斜调节装置组成。起作用是提供一束亮度高、照明孔径角小、平行度好、束流稳定的照明源。为满足明场和暗场成像需要，照明束可在23范围内倾斜。1.1.1电子枪电子枪是透射电子显微镜的电子源。常用的热阴极三级电子枪，它由发夹形钨丝阴极、栅极和阳极组成，如图所示。a）自偏压回路 b)电子枪内的等电位面图2 电子枪图2-a为电子枪的自偏压回路，负的高压直接加在栅极上，而阴极和负高压之间因加上了一个偏压电阻，使栅极和阴极之间有一个数百幅的电位差。图2-b反映了阴极、栅极、和阳极之间的等电位面分布情况。因为栅极比阴极电位值更负，所以可以用栅极来控制阴极的发射电子有效区域。当阴极流向阳极的电子数量加大时，在偏压电阻两端的电位值增加，使栅极电位比阴极进一步变负，由此可以减小灯丝有效发射区域的面积，束流随之减小。若束流因某种原因减小时，偏压电阻两端的电压随之下降，致使栅极和阴极之间的点位接近。此时，栅极排斥阴极发射电子的能力减小，束流又可望上升。因此，自偏压回路可以起到限制和稳定束流的作用。由于栅极的电位比阴极负，所以自阴极端点引出的等位面在空间呈弯曲状。在阴极和阳极之间的某一地点，电子束会汇集成一个交叉点，这就是通常所说的电子源。交叉点处电子束直径约几十个微米。1.1.2聚光镜聚光镜用来会聚电子枪射出的电子束，以最小的损失照明样品，调节照明强度、孔径角和束斑大小。一般都采用双聚光镜系统，如图 所示。第一聚光镜是强励磁透镜，束斑缩小率为1050倍左右，将电子枪第一交叉点束斑缩小为15um；而第二聚光镜是弱励磁透镜，适焦时放大倍数为2倍左右。结果在样品平面上可获得210um的照明电子束斑。1.2成像系统1.2.1物镜物镜是用来形成第一幅高分辨率电子显微图像或电子衍射花样的透镜。透射电子显微镜分辨率的高低主要取决于物镜。因为物镜的任何缺陷都将被成像系统中其它物镜进一步放大。与取得物镜的高分辨率，必须尽可能降低像差。通常采用强励磁、短焦距的物镜，像差小。物镜是一个强励磁短焦距的透镜，它的放大倍数较高，一般为100300倍。目前，高质量的物镜其分辨率可达0.1nm左右。物镜的分辨率主要决定于极靴的形状和加工精度。一般来说，极靴的内孔和上下极靴之间的距离越小，物镜的分辨率越高。为了减小物镜的球差，往往在物镜的后焦面上安装一个物镜光阑。物镜光阑不仅具有减小球差、像散和色差的作用，而且可以提高图像的衬度。此外，在以后的讨论中还可以看到，物镜光阑位于后焦面位置上时，可以方便地进行暗场及衍衬成像操作。1.2.2中间镜中间镜是一个弱励磁的长焦距变倍率透镜，可在020倍范围调节。当放大倍数大于1时，用来进一步放大镜像；当放大倍数小于1时，用来缩小镜像。在电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的总放大倍数。如果把中间镜的物平面和物镜的像平面重合，则在荧光屏上得到一幅放大像，这就是电子显微镜中的成像操作，如图 所示；如果把中间镜的物平面和物镜的背焦面重合，则在荧光屏上得到一幅电子衍射花样，这就是透射电子显微镜中的电子衍射操作，如图3所示。a）高倍放大 b）电子衍射图3 成像系统光路1.2.3投影镜投影镜的作用是把中间镜放大（或缩小）的像（或电子衍射花样）进一步放大，并投影到荧光屏上，它和物镜一样，是一个短焦距的强磁透镜。投影镜的励磁电流是固定的，因为成像电子束进入投影镜是孔径角很小，因此它的景深和焦长都非常大。即使改变中间镜的放大倍数，使显微镜的总放大倍数有很大的变化，也不会影像图像的清晰度。有时，中间镜的像平面还会出现一定的位移，由于这个位移距离仍处于投影镜的景深范围之内，因此，在荧光屏上的图像依旧是清晰的。图4 给出JEM-2010F型透射电子显微镜的外观图。图 给出镜筒结构剖面图和真空系统图。目前，高性能的透射电子显微镜大都采用5级透镜放大，即中间镜和投影镜有两级，分第一中间镜和第二中间镜，第一投影镜和第二投影镜（见图 ）图4 JEM-2010F型透射电子显微镜外观图1.3观察记录系统观察和记录装置包括荧光屏和照相机构。在荧光屏下面放置一个可以自动换片的照相暗盒，照相时只要把荧光屏搬往一侧垂直竖起，电子束即可使照相底片曝光。由于透射电子显微镜的焦长很大，虽然荧光屏和底片之间有数厘米的间距，但仍能得到清晰的图像。通常采用在暗室操作情况下人眼较敏感的、发绿光的荧光物质来涂制荧光屏。这样有利于高放大倍数、低亮度图像的聚焦和观察。电子感光片是一种对电子束曝光敏感、颗粒度很小的溴化物乳胶底片，它是一种红色盲片。由于电子与乳胶相互作用比光子强得多，照相曝光时间很短，只需几秒钟。早期的电子显微镜用手动快门，构造简单，但曝光不均匀。新型电子显微镜均采用电磁快门，与荧光动作密切配合，动作迅速，曝光均匀；有的还装有自动曝光装置，根据荧光屏上图像的亮度，自动的确定曝光所需的时间。如果配上适当的电子线路，还可以实现拍片自动计数。电子显微镜工作时，整个电子通道都必须置于真空系统之内。新式的电子显微镜中电子枪、镜筒和照相室之间都装有气阀，各部分都可单独地抽真空和单独放气，因此，在更换灯丝、清洗镜筒和更换底片时，可不破坏其它部分的真空状态。2透射电镜的应用之抗外挤钢管的微观作用机制在透射电子分析中，电镜的电子枪发出的高速电子束经聚光镜均匀照射到样品上，作为一种粒子，有的人射电子与样品发生碰撞，导致运动方向的改变，形成弹性散射电子;有的与样品发生非弹性碰撞，形成能量损失电子;有的被样品俘获，形成吸收电子。作为一种波，电子束经过样品后还可发生干涉和衍射。总之，均匀的人射电子束与样品相互作用后将变得不均匀，这种不均匀依次经过物镜、中间镜和投影镜放大后在荧光屏上或胶片上就表现为图像对比度，它反映了样品的信息。一般认为，钢管的抗外挤能力与材料的屈服强度、残余应力、钢管不圆度以及钢管壁厚偏差等因素有关。通过控制这些性能参数，同时使用微合金化技术和斜轧工艺，已成功研发压溃强度超标准值80%的抗挤钢管。使用TEM发现，通过微合金化生成了大量的不同尺寸分布的纳米级碳氮化物析出相，尤其是生成的VC纳米颗粒沿基体110方向析出，见图5。这些颗粒在轧制过程可以钉扎晶界、细化晶粒，在调质过程可以产生析出强化的作用，采取的合金化措施可以提高材料的强韧性。在外力作用下的压溃过程中，不同尺寸的纳米颗粒，尤其是沿基体110方向上析出的纳米颗粒，可以有效地对位错运动产生钉扎作用，阻碍滑移系的运动，从而延缓压溃失稳过程的发生，所以压溃性能显著提高。 (Cr,Fe)23C6,Mo2C和(Ti,Nb,V)C b）VC纳米颗粒图5 微合金化生成的析出相