电子显微分析

真空 (< torr至
torr)
衍射: 直接成像：(a)点与点间1.8
(b)线与线间1.4
电磁透镜
扫瞄式：仅受试样基座大小影响
穿透式：~1000
局部微区域
可获资料 表面微细结构
主要为晶体结构,化学 晶体结构,微细组织,化学组成
組成
电子分布情况等
第二节 电子光学基础
光衍射使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平面形成一B1 、 B2 圆斑（Airy斑）。若O1 、 O2靠的太近，过分重叠，图象就模糊不清。
右图示出加速电压与电 子穿透厚度的关系：随 加速电压提高，电子穿透厚 度增加。在500kv以上时， 曲线由上升转 为平缓。
第三节 粒子（束）与材料的相互作用
一、电子束与材料的相互作用 二、电子与固体作用产生的信号 三、电子束与材料的其他相互作用（自学） 四、离子与固体作用产生的信号（自学）
——溅射与二次离子
m
m0
1 V
2
c
运动的粒子同时具有波动性，其波长与运动扩速度V有如下的
关系：
h
mV
式中：电子静止质量m0=9.1×10-31千克；普朗克常数h加速电子的动能与电场加速电压U的关系为：
eU m2cm0c2
式中e=1.6×10-19库仑，为电子电荷；光速c=3.0×108米/秒。故有：
h
150
2em 0U12m e0cU 2
U10.97 818 06U
根据上式可计算出不同加速电压下电子波的波长。见表1：
加速电压 U（KV）
电子波波 加速电压 长λ（nm ） U（KV）
电子波波 加速电压 电子波波 长λ（nm） U（KV） 长λ（nm）
20
0.00859 100
0.00371 500
0.00112
40
0.00601 120
0.00334 1000
0.00087
60
0.00487 160
0.00285
80
0.00418 200
0.00251
第二节 电子光学基础
提高加速电压，缩短电 子波长，可提高显微镜分辨 本领；加速电子速度越高， 对试样穿透的能力也越大， 这样可放宽对试样减薄的 要求。厚试祥与近二维状态 的薄试样相比，更接近三维 实际情况。
一、电子束与材料的相互作用
入射电子（又称为初始或一次电子）照射 固体时与固体中粒子相互作用，它包括：
①入射电子的散射 ②入射电子对固体的激发 ③受激发粒子在固体中的传播
电子散射源于库仑作用，它不同于光子在固体中的散射。
电子散射
1 弹性散射
入射电子照射固体时将与固体中的电子、原子核 等作用而发生散射。与辐射的散射一样，电子散射同 样有弹性和非弹性散射之分。
r 0.61 nsin
可见光作为光源时，透镜的分辨本领极限为200nm。要进一 步提高显微镜的分辨本领，则必须采用波长更短的照明源。
由于电子束流具有波动性，而电子波的波长要比可见 光的波长短的多。显然，如果用电子束作为照明光源制成 的电子显微镜将具有更高的分辨率。
第二节 电子光学基础
电子波 高速运动的电子应考虑相对论修正，即：
的原因和机理，以及其它方面的应用，为研究物
体表面结构及成份的利器。
绪论
➢电子探针（EPMA） 是在扫描电镜的基础上配上波谱仪或能谱仪的显微
分析仪器，它可以对微米数量级侧向和深度范围内的材 料微区进行相当灵敏和精确的化学成份分析，基本上解 决了鉴定元素分布不均匀的困难。
绪论 常用光电观测仪器比较
近代材料学者利用许多波性粒子与材料作用产生 讯号来分析材料之构造与缺陷。常用分析仪器包括光学 显微镜、X光衍射仪及电子显微镜。这些分析仪器各有 所长，亦有短缺不足之处。兹将此三种分析仪器之特性、 功能及适用范围表列於表1，最有效之分析方法乃在适 当配合使用各种仪器，以期各种功能相辅相成。
L
D
强度
d
O1 O2
B1
B2 R0
（a）
（b）
图（a）点O1 、 O2 形成两个Airy斑；图（b）强度分布
第二节 电子光学基础
0.81I R0
I
图（c）两个Airy斑 明显可分辨出
图（d）两个Airy斑 图（e）两个Airy斑
刚好可分辨出
分辨不出
第二节 电子光学基础
阿贝（Abbe）根据衍射理论推导出了光学透镜分辨本领的公式
绪论
表 1 各种主要分析仪器之比较表
常用光电观测仪器比较
仪器 特性
质波
波长
光学显微镜 可见光 ~5000
X光衍射仪 X光 ~1
电子 0.037
电子显微镜 (100 kV)
介质 鉴别率
空气 ~ 2000
偏折
聚焦镜 试片
光学镜片 不限厚度
讯号类 表明区域
空气
X衍射: 直接成像: ~ μm
无
反射：不限厚度 穿透：~mm 统计平均
绪论
❖电子显微分析主要仪器：
➢透射电子显微镜（TEM） 是一种具有原子尺度分辨能力，能同时提供物
理分析和化学分析所需全部功能的仪器。选区电子衍 射技术的应用，使得微区形貌与微区晶体结构分析结 合起来，再配以能谱或波谱进行微区成份分析，得到 全面的信息。
绪论
➢扫描电子显微镜（SEM）
SEM解释试样成像及制作试样较容易；以较高 的分辨率（3.5nm）和很大的景深，清晰地显示粗 糙样品的表面形貌，辐以多种方式给出微区成份等 信息，用来观察断口表面微观形态，分析研究断裂
设原子的质量为M，质量数为A，碰撞前原子处于 静止状态。电子质量与原子质量的比值me/M＝1/1836A。 根据动量和能量守恒定理，入射电子与原子（核）碰撞 后的最大能量损失可表示为
Emax2.1 71 0 3E A 0si2n
电子散射
2 非弹性散射
当入射电子与原子中电子的作用成为主要过程时， 由于作用粒子的质量相同，散射后入射电子的能量发生 显著变化，这种过程称为非弹性散射。在非弹性散射过 程中，入射电子把部分能量转移给原子，引起原子内部 结构的变化，产生各种激发现象。因为这些激发现象都 是入射电子作用的结果，所以称为电子激发。电子激发 是非电磁辐射激发的一种形式。
绪论
电子显微分析的主要仪器是电子显微镜(electron microscope，EM) 。
一般是指利用电磁场偏折、聚焦电子及电子与物质作用 所产生散射之原理来研究物质构造及微细结构的精密仪器。 近年来，由於电子光学理论的迅速发展，重新定义其为一种 利用电子与物质作用所产生讯号来鉴定微区域晶体结构 (crystal structure， CS) 、微细组织 (microstructure， MS) 、 化学成份(chemical composition，CC) 、 化学键结(chemical bonding，CB) 和电子分布情况 (electronic structure，ES) 的电子光学装置。