1、现代材料测试与分析技术第四章第四章 电子显微分析电子显微分析部分扫描电镜、透射电镜照片展示部分扫描电镜、透射电镜照片展示现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术多壁碳纳米管（高分辨透射）多壁碳纳米管（高分辨透射）管壁管壁管中央管中央现代材料测试与分析技术4.1 引言引言-电子光学基础电子光学基础4.1.1 光学显微镜的局限性光学显微镜的局限性 指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。指显微镜能分辨的样品上两点间的最小距离。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。以物镜的分辨本领来定义显微镜的分辨本领。1)人的眼睛仅能分辨人的
2、眼睛仅能分辨0.10.2mm的细节的细节2)光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的光学显微镜，人们可观察到象细菌那样小的物体。物体。3)用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结用光学显微镜来揭示更小粒子的显微组织结构是不可能的，受光学显微镜分辨本领构是不可能的，受光学显微镜分辨本领(或分辨或分辨率率)的限制。的限制。现代材料测试与分析技术光学透镜分辨本领光学透镜分辨本领d0的公式：的公式：式中：式中：是照明束波长，是照明束波长，是透镜孔是透镜孔径半角，径半角，n 是物方介质折射率，是物方介质折射率，nsin或或NA称为数值孔径。称为数值孔径。现代材料测试与分析技术在物方介质为空气的情况下，任何光
3、学透镜系统在物方介质为空气的情况下，任何光学透镜系统的的NA值小于值小于1。d0 1/2 波长是透镜分辨率大小的决定因素。波长是透镜分辨率大小的决定因素。透镜的分辨本领主要取决于照明束波长透镜的分辨本领主要取决于照明束波长。若。若用波长最短的用波长最短的可见光可见光(=400nm)作照明源作照明源 d0=200nm 200nm是光学显微镜分辨本领的极限是光学显微镜分辨本领的极限=400700nm现代材料测试与分析技术4.1.2 电子的波性及波长电子的波性及波长 随着人们对微观粒子运动的深入认识，随着人们对微观粒子运动的深入认识，用于显微镜的一种新的照明源用于显微镜的一种新的照明源 电子束电子束
4、被发现了。被发现了。现代材料测试与分析技术19241924年法国物理学家德年法国物理学家德.布罗意布罗意(De BroglieDe Broglie)提出一个假设：运动的微观粒子提出一个假设：运动的微观粒子(如电子、中如电子、中子、离子等子、离子等)与光的性质之间存在着深刻的类与光的性质之间存在着深刻的类似性，即微观粒子的运动服从波似性，即微观粒子的运动服从波-粒二象性的粒二象性的规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，规律。两年后通过电子衍射证实了这个假设，这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数这种运动的微观粒子的波长为普朗克常数 h h 对于粒子动量的比值，即对于粒子动量的比值，即 =h h/
5、mvmv 对于电子来说，这里，对于电子来说，这里，m m 是电子质量是电子质量kgkg，v v 是电子运动的速度是电子运动的速度m ms s-1-1。现代材料测试与分析技术 初速度为零的自由电子从零电位达到电位初速度为零的自由电子从零电位达到电位为为U(单位为单位为 v)的电场时电子获得的能量是的电场时电子获得的能量是eU：1/2mv2=eU 当电子速度当电子速度v 远远小于光速远远小于光速C 时，电子质时，电子质量量m 近似等于电子静止质量近似等于电子静止质量m0，由上述两式，由上述两式整理得：整理得：现代材料测试与分析技术将常数代入上式，并注意到电子电荷将常数代入上式，并注意到电子电荷 e
6、 的单的单位为库仑，位为库仑，h的单位为的单位为Js，我们将得到：，我们将得到：nm 表表4-1不同加速电压下的电子波长不同加速电压下的电子波长现代材料测试与分析技术当加速电压为当加速电压为100kV100kV时，电子束的波长约为可见时，电子束的波长约为可见光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明光波长的十万分之一。因此，若用电子束作照明源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透源，显微镜的分辨本领要高得多。但是，电磁透镜的孔径半角的典型值仅为镜的孔径半角的典型值仅为1010-2-2-10-10-3-3radrad（弧（弧度）度）。如果加速电压为。如果加速电压为100kV100kV，孔径半角
7、为，孔径半角为1010-2 2radrad，那么分辨本领为：，那么分辨本领为：d d0 0=0.61=0.613.73.71010-3-3/10/10-2-2=0.2250.225 nmnm现代材料测试与分析技术4.1.3 4.1.3 电磁透镜的聚焦原理电磁透镜的聚焦原理通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能通电的短线圈就是一个简单的电磁透镜，它能造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈造成一种轴对称不均匀分布的磁场。穿过线圈的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。的电子在磁场的作用下将作圆锥螺旋近轴运动。而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时而一束平行于主轴的入射电子通过电磁透镜时将被
8、聚焦在主轴的某一点。将被聚焦在主轴的某一点。现代材料测试与分析技术4.1.4 电磁透镜的像差及分辨本领电磁透镜的像差及分辨本领 控制电子束的运动在电子光学领域中主要使控制电子束的运动在电子光学领域中主要使用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生用电磁透镜装置。但电磁透镜在成像时会产生像差。像差。像差分为几何像差和色差两类。像差分为几何像差和色差两类。几何像差：几何像差：由于透镜磁场几何形状上的缺陷由于透镜磁场几何形状上的缺陷而造成的像差。而造成的像差。色差：色差：由于电子波的波长或能量发生一定幅由于电子波的波长或能量发生一定幅度的改变而造成的像差。度的改变而造成的像差。现代材料测试与分析技术P
9、象P透镜物P光轴图（a）球差现代材料测试与分析技术平面BPA透镜平面物P光轴PBfA 平面A图（b）象散 现代材料测试与分析技术能量为E的电子轨迹象1透镜物P光轴图（c）色差能量为E-E的电子轨迹象2现代材料测试与分析技术 透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关透镜的实际分辨本领除了与衍射效应有关以外，还与透镜的像差有关。以外，还与透镜的像差有关。光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜光学透镜，已经可以采用凸透镜和凹透镜的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的的组合等办法来矫正像差，使之对分辨本领的影响远远小于衍射效应的影响影响远远小于衍射效应的影响;但电子透镜只有会聚透镜，没有发散透镜，但电子透
10、镜只有会聚透镜，没有发散透镜，所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。所以至今还没有找到一种能矫正球差的办法。这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容这样，像差对电子透镜分辨本领的限制就不容忽略了。忽略了。现代材料测试与分析技术4.3 扫描电镜扫描电镜 SEM现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术4.3.1 SEM的特点和工作原理的特点和工作原理 特点：特点：SEM SEM能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺能弥补透射电镜样品制备要求很高的缺点，样品制备非常方便，可直接观察大块试样点，样品制备非常方便，可直接观察大块试样景深大，固体材料样品表面和界面分析，适景深大，固体材料样品表面和界面分
11、析，适合于观察比较粗糙的表面、材料断口合于观察比较粗糙的表面、材料断口放大倍数连续调节范围大放大倍数连续调节范围大 分辨本领比较高分辨本领比较高可做综合分析可做综合分析现代材料测试与分析技术扫描电镜能完成：扫描电镜能完成：表（界）面形貌分析；表（界）面形貌分析；配置各种附件，做表面成分分析及表层配置各种附件，做表面成分分析及表层晶体学位向分析等。晶体学位向分析等。现代材料测试与分析技术扫描电镜的成像原理扫描电镜的成像原理 与透射电镜不同，它不用透镜来进行放大与透射电镜不同，它不用透镜来进行放大成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫成像，而是象闭路电视系统那样，逐点逐行扫描成像。描成像。现代材
12、料测试与分析技术现代材料测试与分析技术由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压由三极电子枪发射出来的电子束，在加速电压作用下，经过作用下，经过2-3个电子透镜聚焦后，在样品表个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物面按顺序逐行进行扫描，激发样品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、X射线、俄歇电子等。射线、俄歇电子等。现代材料测试与分析技术这些物理信号的强度随样品表面特征而变。这些物理信号的强度随样品表面特征而变。它们分别被相应的收集器接受，经放大器按它们分别被相应的收集器接受，经放大器按顺序、成比例地放大后，送
13、到显像管。顺序、成比例地放大后，送到显像管。现代材料测试与分析技术 供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电供给电子光学系统使电子束偏向的扫描线圈的电源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，源也是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作此电源发出的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电因此，样品上电子束的位置与显像管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。子束的位置是一一对应的。现代材料测试与分析技术4.3.2 4.3.2 扫描电镜成像的物理信号扫描电镜成像的物理信号 扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰
14、击扫描电镜成像所用的物理信号是电子束轰击固体样品而激发产生的。具有一定能量的电子，固体样品而激发产生的。具有一定能量的电子，当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核当其入射固体样品时，将与样品内原子核和核外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体外电子发生弹性和非弹性散射过程，激发固体样品产生多种物理信号。样品产生多种物理信号。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术背散射电子背散射电子 它是被固体样品中原子反射回来的一部分入它是被固体样品中原子反射回来的一部分入射电子。又分射电子。又分弹性弹性背散射电子和背散射电子和非弹性非弹性背散射电背散射电子，前者是指只受到原子核单次或很少几次大角子，
15、前者是指只受到原子核单次或很少几次大角度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没度弹性散射后即被反射回来的入射电子，能量没有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子有发生变化；后者主要是指受样品原子核外电子多次非弹性散射而反射回来的电子。多次非弹性散射而反射回来的电子。现代材料测试与分析技术二次电子二次电子它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，它是被入射电子轰击出来的样品核外电子，又称为次级电子。又称为次级电子。在样品上方装一个电子检测器来检测不同在样品上方装一个电子检测器来检测不同能量的电子，结果如图能量的电子，结果如图4-544-54所示。二次电子的所示。二次电子的能量比较低能量比较低，一
16、般小于，一般小于5050eVeV；背散射电子的能背散射电子的能量比较高量比较高，其约等于入射电子能量，其约等于入射电子能量 E E0 0。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术吸收电子吸收电子吸收电子是随着与样品中原子核或核外吸收电子是随着与样品中原子核或核外电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和电子发生非弹性散射次数的增多，其能量和活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的活动能力不断降低以致最后被样品所吸收的入射电子。入射电子。现代材料测试与分析技术透射电子透射电子 它是入射束的电子透过样品而得到的电它是入射束的电子透过样品而得到的电子。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、子。它仅仅取决于
17、样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等。晶体结构及位向等。图图4-554-55是电子在铜中的透射、吸收和是电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系。背散射系数的关系。现代材料测试与分析技术电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系电子在铜中的透射、吸收和背散射系数的关系为背散射系数，为背散射系数，为二次电子发射系数，为二次电子发射系数，为吸收系数，为吸收系数，T为透射系数为透射系数现代材料测试与分析技术由图知，样品质量厚度由图知，样品质量厚度(t)(t)越大，则透越大，则透射系数越小，而吸收系数越大；样品背射系数越小，而吸收系数越大；样品背散射系数和二次电子发射系数的和也越散射系数和二次电子发射
18、系数的和也越大大,但达一定值时保持定值。但达一定值时保持定值。现代材料测试与分析技术样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满样品本身要保持电平衡，这些电子信号必须满足以下关系：足以下关系：ip=ib+is+ia+it 式中：式中：ip 是入射电子强度；是入射电子强度；ib 是背散射电子强度；是背散射电子强度；is 是二次电子强度；是二次电子强度；ia 是吸收电子强度；是吸收电子强度；it 是透射电子强度。是透射电子强度。现代材料测试与分析技术将上式两边同除以将上式两边同除以ip，得，得 +a+T=1式中：式中：=ib/ip，为背散射系数；，为背散射系数；=is/ip，为二次电子发射系数；，为二
19、次电子发射系数；a=ia/ip，为吸收系数；，为吸收系数；T=it/ip，为透射系数。，为透射系数。现代材料测试与分析技术特征特征X X射线射线 特征特征X射线是原子的内层电子受到激发之后，射线是原子的内层电子受到激发之后，在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和在能级跃迁过程中直接释放的具有特征能量和波长的一种电磁波辐射。波长的一种电磁波辐射。现代材料测试与分析技术俄歇电子俄歇电子 如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的如果原子内层电子能级跃迁过程所释放的能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层能量，仍大于包括空位层在内的邻近或较外层的电子临界电离激发能，则有可能引起原子再的电子临界电离激发能
20、，则有可能引起原子再一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。一次电离，发射具有特征能量的俄歇电子。现代材料测试与分析技术直接轰直接轰击出核击出核外电子外电子内层激内层激发电子发电子跃迁释跃迁释放能量放能量内层激发电子跃迁内层激发电子跃迁释放能量，同时激释放能量，同时激发邻层发射电子发邻层发射电子现代材料测试与分析技术 X射线衍射仪 电子探针仪 扫描电镜X 射 线 二次电子韧致辐射 入射电子 背散射电子阴极荧光 吸收电子 俄歇电子 试 样 透射电子 衍射电子 俄歇电镜 透射电子显微镜 电子衍射仪电子与物质相互作用产生的信息及相应仪器现代材料测试与分析技术4.3.3 4.3.3 扫描电镜的构造扫描电
21、镜的构造 现代材料测试与分析技术扫描电镜由六个系统组成扫描电镜由六个系统组成(1)电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）(2)扫描系统扫描系统(3)信号收集系统信号收集系统(4)图像显示和记录系统图像显示和记录系统(5)真空系统真空系统(6)电源系统电源系统现代材料测试与分析技术(1)(1)电子光学系统（镜筒）电子光学系统（镜筒）由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件由电子枪、聚光镜、物镜和样品室等部件组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦组成。它的作用是将来自电子枪的电子束聚焦成亮度高、直径小的入射束成亮度高、直径小的入射束（直径一般为（直径一般为10nm或更小）来轰击样品，使样品产生各种
22、或更小）来轰击样品，使样品产生各种物理信号。物理信号。现代材料测试与分析技术(2)(2)扫描系统扫描系统 扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫扫描系统是扫描电镜的特殊部件，它由扫描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：描发生器和扫描线圈组成。它的作用是：1)使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射使入射电子束在样品表面扫描，并使阴极射线显像管电子束在荧光屏上作线显像管电子束在荧光屏上作同步扫描同步扫描；2)改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改改变入射束在样品表面的扫描振幅，从而改变扫描像的放大倍数。变扫描像的放大倍数。现代材料测试与分析技术(3)(3)信号收集系统信号收集系统 扫描电镜应用的物理信
23、号可分为：扫描电镜应用的物理信号可分为：1）电子信号电子信号，包括二次电子、背散射电子、，包括二次电子、背散射电子、透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流透射电子和吸收电子。吸收电子可直接用电流表测，其他电子信号用表测，其他电子信号用电子收集器电子收集器；2）特征特征X射线信号射线信号，用，用X射线谱仪检测射线谱仪检测；3）可见光讯号可见光讯号（阴极荧光），用（阴极荧光），用可见光收集可见光收集器器。现代材料测试与分析技术常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光常见的电子收集器是由闪烁体、光导管和光电倍增管组成的部件。其作用是将电子信号电倍增管组成的部件。其作用是将电子信号收集起来，然后成比例
24、地转换成光信号，经收集起来，然后成比例地转换成光信号，经放大后再转换成电信号输出放大后再转换成电信号输出(增益达增益达106)，这，这种信号就用来作为扫描像的调制信号。种信号就用来作为扫描像的调制信号。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，收集二次电子时，为了提高收集有效立体角，常在收集器前端栅网上加上常在收集器前端栅网上加上+250V偏压，使离偏压，使离开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器。开样品的二次电子走弯曲轨道，到达收集器。这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分这样就提高了收集效率，而且，即使是在十分粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的
25、背面粗糙的表面上，包括凹坑底部或突起外的背面部分，都能得到清晰的图像。部分，都能得到清晰的图像。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术(4)(4)图像显示和记录系统图像显示和记录系统 这一系统的作用是将信号收集器输出的信这一系统的作用是将信号收集器输出的信号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度号成比例地转换为阴极射线显像管电子束强度的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫的变化，这样就在荧光屏上得到一幅与样品扫描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变描点产生的某一种物理讯号成正比例的亮度变化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用化的扫描像，同时用照相方式记录下来，或用数字化形式存储于计
26、算机中。数字化形式存储于计算机中。现代材料测试与分析技术4.3.4 4.3.4 扫描电镜的主要性能扫描电镜的主要性能 (1)(1)放大倍数放大倍数 扫描电镜的放大倍数可用表达式扫描电镜的放大倍数可用表达式 M=AC/AS 式中式中AC是荧光屏上图像的边长，是荧光屏上图像的边长，AS是电子束是电子束在样品上的扫描振幅。在样品上的扫描振幅。目前大多数商品扫描电镜放大倍数为目前大多数商品扫描电镜放大倍数为20-20000倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。倍，介于光学显微镜和透射电镜之间。现代材料测试与分析技术(2)(2)分辨本领分辨本领 SEM的分辨本领与以下因素有关：的分辨本领与以下因素有关：1)
27、1)入射电子束束斑直径入射电子束束斑直径 入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的入射电子束束斑直径是扫描电镜分辨本领的极限。热阴极电子枪的最小束斑直径极限。热阴极电子枪的最小束斑直径6nm，场，场发射电子枪可使束斑直径小于发射电子枪可使束斑直径小于3nm。现代材料测试与分析技术2)2)入射束在样品中的扩展效应入射束在样品中的扩展效应 电子束打到样品上，会发生散射，扩散范电子束打到样品上，会发生散射，扩散范围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品围如同梨状或半球状。入射束能量越大，样品原子序数越小，则电子束作用体积越大。二次原子序数越小，则电子束作用体积越大。二次电子信号在电子信号在5-10nm
28、深处的逸出，吸收电子信深处的逸出，吸收电子信号、一次号、一次X射线来自整个作用体积。这就是说，射线来自整个作用体积。这就是说，不同的物理信号来自不同的深度和广度。不同的物理信号来自不同的深度和广度。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术(3)(3)景深景深 SEM景深很大。它的景深取决于分辨本领景深很大。它的景深取决于分辨本领和电子束入射半角和电子束入射半角 ac。由图可知，扫描电镜。由图可知，扫描电镜的景深的景深F为为因为因为 ac 很小，所以上式可写作很小，所以上式可写作ctgdF0cdF0现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术4.3.5 4.3.5 扫描
29、电镜的样品制备扫描电镜的样品制备防止电子束在样品表面的电子堆积，防止电子束在样品表面的电子堆积，局部放电，必须让样品表面导电局部放电，必须让样品表面导电现代材料测试与分析技术4.2 4.2 透射电镜透射电镜透射电镜相关部件透射电镜相关部件图为日立公司图为日立公司H800透射电子显透射电子显微镜微镜(镜筒镜筒)现代材料测试与分析技术高压系统高压系统现代材料测试与分析技术真空系统真空系统现代材料测试与分析技术控制系统控制系统现代材料测试与分析技术观察系统观察系统现代材料测试与分析技术4.2.14.2.1透射电镜的工作原理和特点透射电镜的工作原理和特点 透射电镜：透射电镜：是以波长极短的电子束作为照
30、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具有高明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。四部分：四部分：电子光学系统、电源系统、电子光学系统、电源系统、真空系统、操作控制系统真空系统、操作控制系统现代材料测试与分析技术镜镜 筒筒 一般由电子枪、聚光镜、物镜、一般由电子枪、聚光镜、物镜、中间镜和投影镜、样品室和荧光屏中间镜和投影镜、样品室和荧光屏组成透射电镜的组成透射电镜的电子光学系统电子光学系统。现代材料测试与分析技术 透射电镜，通常采用热阴极电子枪来透射电镜，通常采用热阴极电子枪来获得电子束作为照明源。获得电子
31、束作为照明源。热阴极发射的电子，在阳极加速电压热阴极发射的电子，在阳极加速电压的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光的作用下，高速穿过阳极孔，然后被聚光镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。镜会聚成具有一定直径的束斑照到样品上。具有一定能量的电子束与样品发生作具有一定能量的电子束与样品发生作用，产生反映用，产生反映样品微区厚度、平均原子序样品微区厚度、平均原子序数、晶体结构或位向差别数、晶体结构或位向差别的多种信息的多种信息。现代材料测试与分析技术 透过样品的电子束强度，取决于这些透过样品的电子束强度，取决于这些信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成信息，经过物镜聚焦放大在其平面上形成一幅反映这些
32、信息的透射电子像，经过中一幅反映这些信息的透射电子像，经过中间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得间镜和投影镜进一步放大，在荧光屏上得到三级放大的最终电子图像，还可将其记到三级放大的最终电子图像，还可将其记录在电子感光板或胶卷上。录在电子感光板或胶卷上。透镜电镜和普通光学显微镜的光路是透镜电镜和普通光学显微镜的光路是相似的，如图相似的，如图4-34-3所示。所示。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术透射电镜的显著特点是分辨本领高。透射电镜的显著特点是分辨本领高。目前世界上最先进的透射电镜的分目前世界上最先进的透射电镜的分辨本领已达到辨本领已达到0.1nm,0.1nm
33、,可用来直接观可用来直接观察原子像。察原子像。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术4.2.2 4.2.2 透射电镜的结构及原理透射电镜的结构及原理 透射电镜主要有电子光学系统透射电镜主要有电子光学系统(镜筒镜筒)、电、电源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。源系统、真空系统和操作控制系统等四部分。电源系统、真空系统和操作系统都是辅助电源系统、真空系统和操作系统都是辅助系统。系统。现代材料测试与分析技术电源系统：电源系统：电子枪高压电源、透镜电源和电子枪高压电源、透镜电源和控制线路电源等。控制线路电源等。真空系统：真空系统：维持镜筒维持镜筒(凡是电子运行的空间凡是电子运行的空间)的真空
34、度在的真空度在1010-4-4 TorrTorr以上，以确保电子枪电以上，以确保电子枪电极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分极间绝缘，防止成像电子在镜筒内受气体分子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。子碰撞而改变运动轨迹，减小样品污染等。1 1torrtorr1 1毫米汞柱压强毫米汞柱压强133.3133.3PaPa现代材料测试与分析技术 基于对机械稳定性的考虑，透射电镜基于对机械稳定性的考虑，透射电镜的镜筒一般是直立积木式结构（自上而的镜筒一般是直立积木式结构（自上而下）：下）：电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中电子枪，聚光镜，样品室、物镜、中间镜和投影镜，荧光屏和照相装置。间镜和投影镜，荧
35、光屏和照相装置。现代材料测试与分析技术通常将镜筒分为照明、成像及图像观察和记录通常将镜筒分为照明、成像及图像观察和记录三个系统。三个系统。照明系统：照明系统：电子枪、聚光镜电子枪、聚光镜成像系统：成像系统：样品室、物镜、中间镜和投影镜样品室、物镜、中间镜和投影镜图像观察和记录系统：图像观察和记录系统：荧光屏和照相装置荧光屏和照相装置现代材料测试与分析技术1.1.照明系统照明系统 照明系统的作用：照明系统的作用：提供光源，控制其稳定度、照明强度和提供光源，控制其稳定度、照明强度和照明孔径角；照明孔径角；选择照明方式选择照明方式(明场或暗场成像明场或暗场成像)。现代材料测试与分析技术(1)电子枪电
36、子枪 电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪电子枪是透射电镜的电子源。因为电子枪决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品能力，决定了像的亮度、图像稳定度和穿透样品能力，所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电所以相应地要求其亮度、发射稳定度和加速电压都要高。压都要高。最常用的加速电压为最常用的加速电压为50100kV，近来超，近来超高电压电镜的加速电压已达数千高电压电镜的加速电压已达数千kV。现代材料测试与分析技术 目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，目前常用的电子枪是热阴极三极电子枪，如图所示。它由发夹形钨丝阴极、阳极和位于如图所示。它由发夹形钨丝阴极、阳极和位于阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的
37、栅极组阴、阳极之间且电位比阴极负数百伏的栅极组成。成。这是一种静电透镜，它能使阴极发射的电这是一种静电透镜，它能使阴极发射的电子会聚，得到一个小于子会聚，得到一个小于100m100m的电子束斑。的电子束斑。现代材料测试与分析技术电子枪电子枪电子电子沿垂直于等电位沿垂直于等电位面的方向加速，面的方向加速，所以存在最小的所以存在最小的有效光源有效光源现代材料测试与分析技术 电子枪种类电子枪种类:钨钨(W)(W)灯丝灯丝(热游离方式热游离方式)六硼化镧六硼化镧(LaB(LaB6 6)灯丝（热灯丝（热游游离离方方式式）场发射场发射 (Field Emission)(Field Emission)（场发
38、射）（场发射）现代材料测试与分析技术 热游离方式热游离方式：利用高温使电子具有足够的能量去克服：利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数电子枪材料的功函数(work function)(work function)能障而逃离。能障而逃离。场发射方式场发射方式：当在真空中的金属表面受到：当在真空中的金属表面受到108V/cm108V/cm大小大小的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来。的电子加速电场时，会有可观数量的电子发射出来。其原理是高电场使电子的电位障碍产生其原理是高电场使电子的电位障碍产生SchottkySchottky效应效应(量子隧穿效应），使能障宽度变窄，高度变低
39、，电子量子隧穿效应），使能障宽度变窄，高度变低，电子可直接可直接 穿隧穿隧 通过此狭窄能障并离开阴极。通过此狭窄能障并离开阴极。现代材料测试与分析技术 钨灯丝钨灯丝 六硼化镧六硼化镧(LaB(LaB6 6)电子能量散布电子能量散布 2 eV 1 eV2 eV 1 eV 钨的功函数钨的功函数 4.5eV 2.4eV4.5eV 2.4eV 操作温度操作温度 2700K 1500K2700K 1500K 使用寿命使用寿命 4080h 100500h4080h 100500h现代材料测试与分析技术 场发射式电子枪场发射式电子枪 亮度更高亮度更高107A/cm2 电子能量散布仅为电子能量散布仅为 0.2
40、-0.3 eV 其分辨率可高达其分辨率可高达 1nm现代材料测试与分析技术 冷场发射式：电子束直径最小，亮度最高，影冷场发射式：电子束直径最小，亮度最高，影像分辨率最优。能量散布最小，故能改善在低像分辨率最优。能量散布最小，故能改善在低电压操作的效果。需在电压操作的效果。需在1010-10-10 torr torr的真空度下的真空度下操作，并定时短暂加热针尖至操作，并定时短暂加热针尖至2500K(2500K(此过程叫此过程叫做做flashing)flashing)，以去除所吸附的气体原子。它，以去除所吸附的气体原子。它的另一缺点是发射的总电流最小。的另一缺点是发射的总电流最小。现代材料测试与分
41、析技术 热场发射式：热场发射式：1800K温度下操作热式能维持较温度下操作热式能维持较佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下佳的发射电流稳定度，并能在较差的真空度下(10-9 torr)操作。虽然亮度与冷式相类似，但其操作。虽然亮度与冷式相类似，但其电子能量散布却比冷式大电子能量散布却比冷式大35倍，影像分辨率倍，影像分辨率较差，通常较不常使用。较差，通常较不常使用。现代材料测试与分析技术(2)(2)聚光镜聚光镜 聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子聚光镜大多是磁透镜，其作用是将来自电子枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来枪的电子束会聚到被观察的样品上，并通过它来控制照明强度、照明孔
42、径角和束斑大小。高性能控制照明强度、照明孔径角和束斑大小。高性能透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一透射电镜都采用双聚光镜系统。这种系统由第一聚光镜聚光镜(强激磁透镜强激磁透镜)和第二聚光镜和第二聚光镜(弱激磁透镜弱激磁透镜)组成。组成。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术第一聚光镜第一聚光镜 的缩小倍数为的缩小倍数为1050倍，它将有效光倍，它将有效光源强烈地缩小成源强烈地缩小成15 m的光斑像。的光斑像。第二聚光镜第二聚光镜 缩小倍数约为缩小倍数约为1/2倍。这样，通过第二倍。这样，通过第二聚光镜在试样平面上形成直径约为聚光镜在试样平面上形成直径约为2-10 m的光斑，的光斑
43、，显著地提高了照明效果。显著地提高了照明效果。现代材料测试与分析技术2.2.成像系统成像系统 物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。物镜、中间镜和投影镜现也都采用磁透镜。它们和样品室构成成像系统，作用是安置样品、它们和样品室构成成像系统，作用是安置样品、放大成像。放大成像。现代材料测试与分析技术(1)物镜物镜 物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有物镜是透射电镜的核心，它获得第一幅具有一定分辨本领的放大电子像。一定分辨本领的放大电子像。这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放这幅像的任何缺陷都将被其他透镜进一步放大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分大，所以透射电镜的分辨本领就取决于物镜的分
44、辨本领。因此，要求物镜有尽可能高的分辨本领、辨本领。因此，要求物镜有尽可能高的分辨本领、足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大足够高的放大倍数和尽量小的像差。磁透镜最大放大倍数为放大倍数为200倍，最大分辨本领为倍，最大分辨本领为0.1nm。现代材料测试与分析技术物镜的球面像差一般通过在物镜背焦面径向物镜的球面像差一般通过在物镜背焦面径向插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机插入物镜光阑，物镜的像散通常通过采用机械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来械消像散器、磁消像散器或静电消像散器来减小。减小。现代材料测试与分析技术像像现代材料测试与分析技术(2)(2)中间镜和投影镜中间镜和投影镜 中
45、间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，中间镜和投影镜的构造和物镜是一样的，但它们的焦距比较长。其作用是将物镜形成的但它们的焦距比较长。其作用是将物镜形成的一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从一次像再进行放大，最后显示到荧光屏上，从而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为而得到高放大倍数的电子像。这样的过程称为三级放大成像。三级放大成像。现代材料测试与分析技术物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为物镜和投影镜属于强透镜，其放大倍数均为100倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为倍左右，而中间镜属于弱透镜，其放大倍数为020倍。三级成像的总放大倍数为：倍。三级成像的总放大倍数为：MT=MO MI
46、 MP 其中其中MO、MI、MP分别是物镜、中间镜和投影的分别是物镜、中间镜和投影的放大倍数。放大倍数。现代材料测试与分析技术 （a）高放大率（b）衍射（c）低放大率物物镜衍射谱一次象中间镜二次象投影镜选区光阑100现代材料测试与分析技术 磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。磁透镜可以通过改变电流来调节放大倍数。一般通过将物镜和投影镜的放大倍数一般通过将物镜和投影镜的放大倍数 MO、MP固定，而改变中间镜放大倍数固定，而改变中间镜放大倍数 MI 来改变总来改变总放大倍数放大倍数 MT。应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。应当指出，放大倍数越大，成像亮度越低。成像亮度与成像亮度与 MT2 成
47、反比。因此，要根据具体要成反比。因此，要根据具体要求选用成像系统的放大倍数。求选用成像系统的放大倍数。现代材料测试与分析技术 样品室位于照明系统和物镜之间，其作用是样品室位于照明系统和物镜之间，其作用是安装各种形式的样品台，提供样品在观察过程中安装各种形式的样品台，提供样品在观察过程中的各种运动，如平移（选择观察区域）、倾斜的各种运动，如平移（选择观察区域）、倾斜(选选择合适的样品位向择合适的样品位向)和旋转等。和旋转等。透射电镜样品非常薄，约为透射电镜样品非常薄，约为100200nm，必，必须用铜网支撑着。常用的铜网直径为须用铜网支撑着。常用的铜网直径为3mm左右，左右，孔径约有数十孔径约有
48、数十m，如图所示。，如图所示。现代材料测试与分析技术现代材料测试与分析技术3.图像观察和记录系统图像观察和记录系统 透射电镜中电子所带的信息转换成人眼透射电镜中电子所带的信息转换成人眼能感觉的可见光图像，是通过荧光屏或照相能感觉的可见光图像，是通过荧光屏或照相底板来实现的。人们透过铅玻璃窗可看到荧底板来实现的。人们透过铅玻璃窗可看到荧光屏上的像。光屏上的像。现代材料测试与分析技术4.2.3 TEM样品制备样品制备 电子束的穿透能力不大，这就要求要将试电子束的穿透能力不大，这就要求要将试样制成很薄的薄膜样品。样制成很薄的薄膜样品。电子束穿透固体样品的能力，主要取决于电子束穿透固体样品的能力，主要
49、取决于加速电压和样品物质的原子序数。加速电压越加速电压和样品物质的原子序数。加速电压越高，样品原子序数越低，电子束可以穿透的样高，样品原子序数越低，电子束可以穿透的样品厚度就越大。透射电镜常用的品厚度就越大。透射电镜常用的50100kV电子电子束来说，样品的厚度控制在束来说，样品的厚度控制在100200nm为宜。为宜。现代材料测试与分析技术TEM的样品制备方法的样品制备方法:支持膜法支持膜法 复型法复型法 晶体薄膜法晶体薄膜法 超薄切片法超薄切片法 高分子材料必要时还要高分子材料必要时还要:染色染色 刻蚀刻蚀现代材料测试与分析技术一一.粉末样品制备（支持膜法）粉末样品制备（支持膜法）粉末试样和
50、胶凝物质水化浆体多采用此粉末试样和胶凝物质水化浆体多采用此法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或法。一般做法是将试样载在一层支持膜上或包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。包在薄膜中，该薄膜再用铜网承载。现代材料测试与分析技术支持膜材料必须具备下列条件：支持膜材料必须具备下列条件：本身没有结构，对电子束的吸收不大；本身没有结构，对电子束的吸收不大；本身颗粒度要小，以提高样品分辨率；本身颗粒度要小，以提高样品分辨率；本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子本身有一定的力学强度和刚度，能忍受电子束的照射而不致畸变或破裂。束的照射而不致畸变或破裂。常用的支持膜材料有：常用的支持膜材料有：火棉胶、聚醋酸甲基火
