顯微結構分析(一)
半導體晶片表面缺陷之分析
龔志榮副教授編撰
一、實驗之目的
本實驗旨在使學員了解，如何使用化學浸蝕方式顯現半導體晶片表面材料缺陷和利用光學干涉顯微鏡觀察晶片表面之浸蝕孔，進而評估晶片缺陷之密度。
二、實驗設備和材料
實驗設備主要為諾瑪斯基干涉式光學顯微鏡(Nomarski interference contrast optical microscope)，用來觀察經化學浸蝕後之砷化鎵(GaAs)晶片表面狀態。
三、實驗原理
(一)半導體材料缺陷孔蝕之分析
晶格缺陷一般均會存在於材料內部，它們的存在通常都會影響材料的特性。由於半導體材料大都應用在微電子元件及光電元件中，材料內部的缺陷往往會導致元件功能之不良或壽命之衰減，對於缺陷的容忍度很低。因此探討半導體晶片表面的缺陷例如差排等，乃評估晶片品質好壞的指標。在所有缺陷分析方法中，藉由濕式化學浸蝕(wet chemical etching)來顯現半導體材料內之差排孔蝕(etching pit)密度，是最常被用來鑑定半導體晶片品質的方法之一。
在濕式化學浸蝕中，浸蝕液對缺陷區附近材料之浸蝕速率高於非缺陷區，因此常會發生選擇性孔蝕(selective etch)，因此在干涉式光學顯微鏡下即可清楚的觀察到缺陷，並得以計算其密度。表一所列為部份半導體晶片缺陷孔蝕所使用之浸蝕液組成圖。
圖一為干涉式光學顯微組織照片，顯示砷化鎵晶片上之差排孔蝕。
表一
Si
圖一
(二)微分干涉對比光學顯微鏡
這種利用干涉對比方式將晶片表面之些微的高低分佈明顯的表現在光學顯微觀察中，乃由諾瑪斯基氏(G.Nomarski)在1952年所發明。圖二所示為諾瑪斯基微分(differential)干涉對比顯微鏡主要的光學組件和光路徑之對應關係。其中，最重要的組件有:偏光鏡(polarizer)和分光稜鏡(Normarski prism)，它們的功能分別是將未極化(unpolarized)入射光極化成為45 角之極化(polarized)光和將此極化光進一步分離成兩道光束。
圖二.Nomarski微分干涉對比顯微鏡之光學組件之對應關係
圖三說明分光稜鏡的結構，其實是由兩塊光軸互相垂直的稜鏡組合而成。極化光進入第一塊稜鏡後，分量光束(two components of the polarized light beam)感受到不同折射率造成在前進速率(speed)上有差別，當它們碰到稜鏡接合點時，遂形成兩道分離光束，光束間所張之發散角(angle of divergence)正好契合物鏡之焦距，藉由調整稜鏡可改變此兩道光束在試片表面反射後之相差(phase difference)，進而形成不同顏色之相對比，以分析晶片表面之高低分佈。
圖三.Nomarski稜鏡，由兩片光軸相互垂直之稜鏡所組成，可將極化光分離成兩道光束。
如圖四所示，不同的表面起伏分佈在諾瑪斯基顯微鏡下的微分干涉對比強度分佈。
若試片表面上有階梯，一般會在階梯處呈現成一線狀條紋，而具備相同斜率之斜面會呈
現相同之對比(顏色)，即使高度不同之兩平面在顯微鏡下亦會呈現出相同顏色。
圖四.不同物體表面起伏外觀，在微分干涉對比顯微鏡下之微分干涉強度對比分佈。
四.實驗步驟
本實驗所使用之蝕刻儀器如圖五
(1)首先將氫氧化鉀(KOH)試劑放入白金坩鍋，接著以電熱器將坩鍋升溫至300?C ?
350C ，而其溫度隨時間增加的曲線如圖六。
(2)將{001}面的GaAs 晶片浸入熔融之KOH 內1.5至9分鐘。
(3)蝕刻之後將試片置於坩鍋外冷卻至室溫，置入盛去離子水的燒杯中以超音波震盪器
震盪清洗。
(4)以OM 觀察時蝕刻前、後試片的表面狀況。
(5)計算試片表面之差排蝕孔密度(EPD)
()照片面積
倍率差排蝕孔數目2
?=EPD
圖五.氫氧化鉀化學浸蝕儀器示意圖
圖六.氫氧化鉀浸蝕試劑加熱之溫度和時間關係曲線
一、实验目的 1.观察不同材料在显微镜下的显微结构。 2.掌握偏光显微镜结构和使用方法。 3.学会利用偏光显微镜区分均质体和非均质体。 二、实验原理 材料的化学组成和显微结构是决定材料性能及应用效果的本质因素，研究材料的显微结构特征及其演变过程以及它们与性能之间的关系，是现代材料科学研究的中心内容之一。材料的显微结构与材料制备中的物理化学变化密切相关，通过显微结构分析，可以将材料的“组成－工艺过程－结构－性能”等因素有机地联系起来，对控制材料性能、开发新材料显得特别重要。 显微组织是决定材料各种性能最本质的因素之—，材料显微组织主要包括多晶材料中晶界的特征及多晶中晶粒的大小、形状和取向，对陶瓷材料和高分子材料还包括晶相及非晶相(玻璃相)的分布；气孔的尺寸、数量与位置，各种杂质、添加物、缺陷、微裂纹的存在形式及分布；对金属材料还包括共晶组织、马氏体组织等。 光学显微分析是利用可见光观察物体的表面形貌和内部结构，鉴定晶体的光学性质。透明晶体的观察可利用透射显微镜，如偏光显微镜。而对于不透明物质的观察只能使用反射显微镜，如金相显微镜。利用光学显微镜对晶体或非晶体材料进行鉴定，是研究材料的重要方法之一。 结晶相是材料的一个重要组成部分，大部分的材料都包含有各种晶相。这些晶相的种类、生长环境和形貌等性质对材料的结构、性能等具有重要影响。利用偏光显微镜则可以对晶相的上述特征进行鉴定和分析。自然界的晶体种类繁杂，但各种晶体都有其独特的光学特性。每一种晶体都有一定的生长习性、颜色等光学特性，利用偏光显微镜可以准确地测定各种晶体光学性质，对晶体鉴定具有重要意义。 三、偏光显微镜的构造和使用方法 1.偏光显微镜的基本构造
第11-12讲 教学目的：使学生了解扫描电子显微镜结构、工作成像原理及应用 教学要求：了解扫描电子显微镜的发展、原理与应用；了解扫描电镜相关术语；掌握扫描电镜制样技术 教学重点：1. 扫描电镜的工作原理； 2. 扫描电镜的二次电子像和背散射电子像 教学难点：两种种像差的形成原理； 教学拓展：扫描电镜的未来发展趋势 第3节扫描电子显微分析 扫描电子显微镜又称扫描电镜或SEM（scaning electron microscope），它是利用细聚 焦电子束在样品表面做光栅状逐点扫描，与样品相互作用后产生各种物理信号，这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在 1～30kV，实验时可根据被分析样品的性质适当地选择。扫描电镜的图像放大倍数在一定范围内（几十倍到几十万倍）可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图像横向长度与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示原子序数衬度。 3.1扫描电子显微镜概述、基本结构、工作原理 一、扫描电子显微镜概述 第一阶段理论奠基阶段 1、1834年法拉第提出“电的原子”概念； 2、1858年普鲁克发现阴极射线； 3、1878年阿贝-瑞利给出显微镜分辨本领极限公式； 4、1897年汤姆逊提出电子概念； 5、1924年德布罗依提出波粒二象性； 第二阶段试验阶段 1、1935年克诺尔提出用电子束从样品表面得到图像的原理并设计简单实验装置; 2、1938年冯．阿登制备出了第一台透射扫描电子显微镜;
1、X射线衍射仪 主要用途：材料结构相关的多方面分析：金属、陶瓷、矿物及人工合成的无机晶体；有机 晶体；非晶态；聚合物、各种复合材料等。 研究和分析内容：物相鉴定，相变，非晶态晶化过程，聚合物、聚集态结构，多晶择优取向，结晶度，晶格常数，一定范围的长周期测定，单晶定向，外延膜晶格匹配等等。 2、金相显微镜 用于研究金属的显微组织，作金属学与热处理、金属物理学、炼钢与铸造过程等金相试验 研究之用，能在明场、暗场和偏光下进行观察、投影和摄影 3、高分辨透射电子显微镜 主要用于材料内部的显微结构分析和微区成分的定量分析，主要应用如下： 物相鉴定，采用电子衍射花样和电子显微图像相结合的方法，对未知物相进行研究判定。 材料显微结构的表征，如材料的形貌、尺度、晶界、相界、孪晶、层错、位错、取向关系 等等，在一定条件下，可获得材料相变过程及显微结构变化的信息。 高分辨晶格点阵像和原子结构像的获得，可揭示材料在原子分辨尺度上的显微结构细节， 对物相鉴定，结构表征更有助益。 利用X射线能谱对材料的微小区域进行定量分析，把材料的结构研究和成分分析结合起来，有益于对材料的全面了解。 4、场发射扫描电子显微镜 主要用于观察材料表面的微细形貌、断口及内部组织，并对材料表面微区成分进行定性和 定量分析，主要用途如下： 无机或有机固体材料断口、表面形貌、变形层等的观察和机理研究 金属材料的相分析、成分分析和夹杂物形态成分的鉴定 观察陶瓷、混凝土、生物、高分子、矿物、纤维等无机或有机固体材料表面形貌。微型加 工的表征和分析集成电路图形及断面尺寸，PN结位置，结区缺陷。 金属镀层厚度及各种固体材料膜层厚度的测定。 研究晶体的生长过程、相变、缺陷、无机或有机固体材料的粒度观察和分析 进行材料表面微区成分的定性和定量分析，在材料表面做元素的面、线、点分布分析。 5、电子探针显微分析仪 材料表面微区（微米级、亚微米级）化学组成的高速定性或定量分析； 材料表面或截面（包括纳米薄膜）的点扫描、线扫描（涂层或梯度结构中成分分布信息）、面扫描（成分面分布图像）分析； 材料表面形貌观察（二次电子像、背散射电子像、断口表面分析）； 材料或生物组织的扫描透射电子像（STEM）观察； 工业产品质量评价和失效分析。 6、热膨胀仪 可用于精确测量材料在热处理过程中的膨胀或收缩情况，且还可提供提供c-DTA（计算型DTA）功能。可用来研究材料的线性热膨胀、热膨胀系数(CTE)、烧结温度、烧结步骤、 相变、分解温度、玻璃化转变温度、软化点、软化温度、密度变化、添加剂对原材料的影 响等。右图所示为铁的线性热膨胀系数和热膨胀系数。在氦气气氛下以5 ℃/min测量。在
电子显微分析 课程编号：40350033 课程名称：电子显微分析 英文名称：Electron Microscopy 学分：3 教材：1.自编讲义，2.陈梦谪主编金属物理研究方法（第二分册） 课程简介： 材料的宏观力学，物理和化学性质是由它的微观形态、晶体结构和微区化学成分所决定的。电子显微术就是由电子与物质的相互作用上所反映的信息来认识材料的形貌、结构与微区成分的。它可以研究原子尺度（特别是纳米尺度）的现象，而且可进行动态原位观察以及对微区进行综合分析，它是材料科学与工程中最常用的实验方法之一。本课程作为学习电子显微术的入门课，主要介绍透射电子显微术（电子衍射和透射电镜象的衬度原理）与扫描电子显微术，阐明各种现象的物理本质，基本理论及其应用与常用的实验方法，也介绍了电子显微术的新的发展方向。本课程适用于材料、物理、化学、化工、机械、微电子、土木、生物、医学等学科的本科生或研究生。 基本要求： 通过课堂教学和实验，使学生初步掌握电子衍射相分析、电于街村图象解释、扫描电子显微术及能谱分析技术，了解电子显微分析技术的最新进展，使学生能够正确地运用电子显微分析技术开展有关的科学研究。 教学内容： 绪论（1学时） 第一章电子光学（3学时） 1.l 分辨率 1.2 磁透镜的聚焦原理 1.3 电子光学作图成象法 1.4 电子透镜的象差 第二章透射式电子显微镜（4学时） 2.l 电子显微镜的发展 2.2 电子显微镜构造与原理 2.3 TEM成象原理 2.4 电子显微镜的合轴调整 2.5 TEM主要性能测试 2.6 TEM样品制备 第三章电子与物质的相互作用（2学时） 3.l 电子的弹性散射 3.2 电子的非弹性散射
电子显微分析考试复习中南
材料结构分析 一、名词解释： 1、球差：球差是由于电子透镜的中心区域和边 沿区域对电子的会聚能力不同而造成的。电子通过透镜时的折射近轴电子要厉害的多，以致两者不交在一点上，结果在象平面成了一个满散圆斑。 色差：是电子能量不同，从而波长不一造成的2、景深：保持象清晰的条件下，试样在物平面 上下沿镜轴可移动的距离或试样超越物平面元件的距离。 焦深：在保持像清晰的前提下，象平面沿镜轴可移动的距离或者说观察屏或照相底板沿镜轴所允许的移动距离 3、分辨率：所能分辨开来的物平面上两点间的最小距离，称为分辨距离 4、明场像：采用物镜光阑将衍射束挡掉，只让透射束通过获得图像衬度得到的图像。 5、暗场像：用物镜光阑挡住透射束及其余衍射束，而只让一束强衍射束通过光阑所的图像。中心暗场像：入射电子束相对衍射晶面倾斜角，此时衍射斑将移到透镜的中心位置，该衍 射束通过物镜光栏形成的衍衬像称为中心暗场
成像。 衬度：试样不同部位由于对入射电子作用不同，经成像放大系统后，在显示装置上显示的 强度差异。 6、消光距离：衍射束的强度从0逐渐增加到最大，接着又变为0时在晶体中经过的距离。 7、菊池花样：由入射电子经非弹性不相干散射， 失去很少能量，随即入射到一定晶面时，满足布拉格定律，产生布拉格衍射，衍射圆锥与厄瓦尔德球相交，其交线放大后在底片投影出的由亮暗平行线对组成的花样。 8、衍射衬度：由于晶体试样满足布拉格反射条 件程度差异以及结构振幅不同而形成的电子图像反差，它仅属于晶体结构物质。 9、双光束条件：假设电子束穿过样品后，除了 透射束以外，只存在一束较强的衍射束精确地符合布拉格条件，其它的衍射束都大大偏离布拉格条件。作为结果，衍射花样中除了透射斑以外，只有一个衍射斑的强度较大，其它的衍射斑强度基本上可以忽略，这种情况就是所谓的双光束条件。
电子显微分析技术及应用 材料测试技术是材料科学与工程研究以及应用的重要手段和方法,目的就是要了解、获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系,即材料的基本性质和基本规律。同时为发展新型材料提供新途径、新方法或新流程。在现代制造业中,测试技术具有非常重要的地位和作用。材料的组织形貌观察,主要是依靠显微镜技术,光学显微镜是在微米尺度上观察材料的组织及方法，电子显微分析技术则可以实现纳米级的观察。透射电子显微镜、扫描电子显微镜和电子探针仪等已成为从生物材料、高分子材料到金属材料的广阔范围内进行表面分析的不可缺少的工具。下面将主要介绍其原理及应用。 1.透射电子显微镜（TEM） a）透射电子显微镜 b)透射光学显微镜 图1：透射显微镜构造原理和光路 透射电子显微镜(TEM)是一种现代综合性大型分析仪器，在现代科学、技术的研究、开发工作中被广泛地使用。 所谓电子显微镜是以电子束为照明光源的显微镜。由于电子束在外部磁场或电场的作用下可以发生弯曲，形成类似于可见光通过玻璃时的折射现象，所以我们就可以利用这一物理效应制造出电子束的“透镜”，从而开发出电子显微镜。而作为透射电子显微镜(TEM)其特点在于我们是利用透过样品的电子束来成像，这一点有别于扫描电子显微镜。由于电子波的波长大大小于可见光的波长(100kV的电子波的波长为0．0037nm，而紫光的波长为400nm)，根据
光学理论，我们可以预期电子显微镜的分辨本领应大大优于光学显微镜。 图l是现代TEM构造原理和光路。可以看出TEM的镜筒(Column)主要有三部分所构成：(1)照明系统，即电子枪；(2)成像系统，主要包括聚光镜、物镜、中间镜和投影镜；(3)观察系统。 通过TEM中的荧光屏，我们可以直接几乎瞬时观察到样品的图像或衍射花样。我们可以一边观察，一边改变样品的位置及方向，从而找到我们感兴趣的区域和方向。在得到所需图像后，可以利用相机照相的方法把图像记录下来。现在新一代TEM也有的装备了数字记录系统，可以将图像直接记录到计算机中去，这样可以大大提高工作效率。 2.扫描电子显微镜（SEM） 下图为扫描电子显微镜的原理结构示意图。由三极电子枪发出的电子束经栅极静电聚焦后成为直径为50mm的电光源。在2-30KV的加速电压下，经过2-3个电磁透镜所组成的电子光学系统，电子束会聚成孔径角较小，束斑为5-10m m的电子束，并在试样表面聚焦。末级透镜上边装有扫描线圈，在它的作用下，电子束在试样表面扫描。高能电子束与样品物质相互作用产生二次电子，背反射电子，X射线等信号。这些信号分别被不同的接收器接收，经放大后用来调制荧光屏的亮度。由于经过扫描线圈上的电流与显象管相应偏转线圈上的电流同步，因此，试样表面任意点发射的信号与显象管荧光屏上相应的亮点一一对应。也就是说，电子束打到试样上一点时，在荧光屏上就有一亮点与之对应，其亮度与激发后的电子能量成正比。换言之，扫描电镜是采用逐点成像的图像分解法进行的。光点成像的顺序是从左上方开始到右下方，直到最後一行右下方的像元扫描完毕就算完成一帧图像。这种扫描方式叫做光栅扫描。 图2：扫描电子显微镜的原理和结构示意图
溶胶凝胶法制备 CaO稳定ZrO2粉体的微观结构分析试验方案 对材料显微结构的分析，是材料科学中最为重要的研究方法之一。其准确、快捷的分析结果为材料的制备工艺、材料性能微结构表征研究以及材料的显微结构设计提供了可靠的实验和理论依据。显微结构主要的测试手段包括电子衍射EDP，明、暗场成像，高分辨HREM，电子出射波重构EWR等等。 二氧化锆广泛地用于高级耐火材料、特种陶瓷、普通陶瓷、结构陶瓷、功能陶瓷、人造宝石、光学玻璃、光学纤维等领域。由于锆具有重要的核性质，因此，它又是原子能反应堆中重要的结构材料。在不同温度下，氧化锆以三种同质异形体存在，即单斜晶系（常温，m-ZrO2），四方晶系（1170℃，t–ZrO2），立方晶系（2370℃，c-ZrO2）。这三种晶系之间可以互相转化，由单斜相加热向四方相转化时会伴随有7%左右的体积收缩；由四方相向单斜相冷却过程中伴随有体积膨胀。由于纯氧化锆制品在生产过程中伴随体积变化易产生裂纹甚至碎裂，因此在实际使用中通常通过加入稳定剂调节制品的稳定性，通过稳定或半稳定氧化锆原料，可以制得性能良好的氧化锆陶瓷。稳定剂的选择通常有CaO、Y2O3、MgO等，制备出纯度高、化学组成均匀、粒径小、烧结性能良好的稳定氧化锆纳米粉末是制造氧化锆陶瓷的重要前提条件。本报告拟设计方案通过X射线衍射（XRD）与透射电子显
微镜（TEM）对溶胶凝胶法制得CaO稳定ZrO2细粉进行测试与表征。 1）、溶胶凝胶法制备ZrO2（CaO）细粉 试验在CaO加入比例15%～20%之间进行。将CaO与盐酸反应制得一定浓度的CaCl2溶液。根据拟合成ZrO2(CaO) 粉体的量，将标定好的ZrOCl2?8H2O溶液和CaCl2溶液混合，并加入适量PEG作为分散剂，制得Zr4+浓度为1mol/L 的混合溶液。将该溶液与无水乙醇均匀混合后，置于恒温水浴中加热至75℃并保温2h，使混合溶液转为白色凝胶。然后在搅拌条件下，将上述凝胶反向滴入氨水溶液中进行沉淀反应，同时保持PH值≥9。将滴定后的溶液陈化、水洗、醇洗、干燥后，得到前驱体。最后，将前驱体分别在400℃～ 800℃煅烧2h，制得CaO含量不同的ZrO2(CaO)复合粉体。 2）、XRD测试 XRD（X-ray diffraction）即X射线衍射，是通过对材料进行X 射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。 试验拟在400～800℃间选择三个温度点对原料进行煅烧，同时CaO的加入量拟在15%至20%间进行对比。通过XRD对煅烧完成的试样进行测试，可以比较不同温度及不同稳定剂比例下试样中的晶相组成。以此可以判断氧化锆在何种温度下的晶形转变最为明显，以及CaO的添加量在何种比例可以起到最佳作用等。 3）、TEM测试
几种材料微观结构分析方法简介 Introduction to several materials microstructure analysis method 黑道梦境间谍 指导教师:XXX 摘要:材料的微观世界丰富多彩,处处蕴含着材料之美.然而如何分析材料的微观结构是一个很重要的问题.本文章将介绍几种分析材料微观结构的方法, 通过微观结构分析仪器来对微观材料结构进行探索 关键词:材料微观结构X射线激光拉曼光谱电子显微分析方法
1 引言 材料科学在21世纪的地位愈发重要,各种各样的材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。材料科技是未来高科技的基础, 而微观材料分析方法是材料科学中必不可少的实验手段。因此, 微观材料分析方法对材料科学甚至是整个科技的发展都具有重要的意义和作用. 2 X射线分析 X射线是一种波长很短的电磁波，这是1912年由劳埃M.von Laue指导下的著名的衍射实验所证实的。X射线衍射是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、不同结构相的含量及内应力的方法。这种方法是建立在一定晶体结构模型基础上的间接方法，即根据与晶体样品产生衍射后的X射线信号的特征去分析计算出样品的晶体结构与晶格参数，并且可以达到很高的精度。然而由于它不是显微镜那样可以直接观察，因此也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来。由于X射线聚焦的困难，所能分析样品的最小区域（光斑）在毫米数量级，因此对微米及纳米级的微观区域进行单独选择性分析也是无能为力的。 通常获得X射线是利用一种类似热阴极二极管的装置，用一定材料制作的板状阳极（A，称为靶）和阴极（C，灯丝）密封在一个玻璃-金属管壳内，阴极通电加热，在阳极和阴极间加以直流高压U（数千伏至数十千伏），则阴极产生的大量热电子e将在高压电场作用下飞向阳极，在它们与阳极碰撞的瞬间产生X射线，如图1.1所示。 因此，产生X射线的条件是： 1产生自由电子； 2使电子作定向的高速运动； 3在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。 用仪器检测此X射线的波长，发现其中包含两种类型的波谱，即连续X射线波谱和特征X射线波谱。 其中特征X射线是：当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材料的标志或特征，故称为特征X射线谱。特征谱只取决于阳极靶材元素的原子序数。 3 激光拉曼光谱分析 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射 (Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉
材料结构显微分析 实训报告 院系：_____材料工程系______ 专业：___ 材料工程与管理 班级：_____机电1304 _____ 姓名：_____XXX__ ___ 学号：_____131020XXXX 2020 年6 月29日
一、低碳钢Q235金相实训 1、热处理工艺 将试样加热至880℃，保温1h，炉冷，进行退火处理。 2、金相图 图(a) 和(b)是Q235进行退火处理后的显微组织，由图可知在200倍和500倍时经4%硝酸酒精溶液腐蚀后白色为铁素体F，黑色为片状珠光体P。 (a) 退火处理后低碳钢Q235的显微组织200x (b) 退火处理后低碳钢Q235的显微组织500x
三、1、热处理工艺 近共晶Al-Si合金铸态试样，未经热处理。 2、金相图 图(c) 和(d) 是铸态近共晶Al-Si合金的显微组织，由图可知在200倍和500倍时经0.5%氢氟酸水溶液腐蚀后白色为蔷薇状的α-Al，黑色为粗大的针片状共晶硅。 (c) 铸态Al-Si合金的显微组织200x (d) 铸态Al-Si合金的显微组织500x
1、热处理工艺 将近共晶Al-Si合金试样加热至530℃，保温4h，水冷；再经过200℃，保温4h，空冷，进行固溶时效处理。 2、金相图 图(e)和(f)是近共晶Al-Si合金试样加热至530℃，保温4h，水冷；再经过200℃，保温4h，空冷，进行固溶时效处理后的显微组织，由图可知在200倍和500倍时经0.5%氢氟酸水溶液腐蚀后白色为α-Al，黑色为细小共晶硅。 (e) 固溶时效处理后Al-Si合金的显微组织200x (e) 固溶时效处理后Al-Si合金的显微组织200x
材料显微结构分析方法 Analysis of Materials Microstucture 一.内容提纲：材料显微结构分析是材料科学中最为重要的研究方法之一。准确、快捷的分析结果为材料的制备工艺、材料性能微结构表征研究及其材料显微结构设计提供可靠的实验和理论依据。本课程主要介绍包括物显微结构形貌观察、物相种类确定及其定量分析、Rietveld拟合方法、择优取向类型及其测定、微晶及纳米粉体尺寸测定、体材料及其微区成分分析和定量测定等；同时侧重介绍进行上述显微结构分析通常所采用的各种现代仪器的主要功能特性及其分析方法，其中包括X射线衍射仪(XRD)、X光荧光分析仪(XRF)、电子探针(EPME)、波谱仪(WDS)、能谱仪(EDS)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等，并且按排了相应的实验。 通过本课程的学习，使研究生了解材料科学研究工作者通常关注的主要显微结构分析内容；掌握各种常见分析仪器的功能和基本原理；学会根据不同显微结构分析内容，准确选择、利用各种分析方法和手段，并得出正确的判断。培养学生分析、解决问题的能力。二. 教学学时: 48 课堂教学 32 实验 16 三. 先修课程: 1.材料科学基础
2.X射线衍射技术 3.扫描电子显微镜 4. 透射电子显微镜 四. 教学对象： 适用于金属、陶瓷、有机、半导体、复合材料等学科研究生。 五. 教材: 主要教材：自编讲义 主要参考书： 1. 自编文献汇编 2. X光衍射技术基础，王英华主编，原子能出版社 3. Svanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis 六. 主要讲授内容： 1．物相定量分析 (1)定量分析基本原理 (2)参考强度法 (3)含玻璃相的K值法的定量相分析
电子显微分析技术及其应用 恶魔 （恶魔大学恶魔学院，湖北武汉） [内容提要]：本文阐述的电子显微技术及其在纳米材料中的应用。同时本文介绍了透射电镜（TEM）、扫描电镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)等技术，并论述的电子显微技术在实际中的应用。 [关键词]：电子显微技术；TEM；SEM；STM 材料测试技术是材料科学与工程研究以及应用的重要手段和方法，目的就是要了解、获知材料的成分、组织结构、性能以及它们之间的关系，材料的基本性质和基本规律。同时为发展新型材料提供新途径、新方法或新流程。在现代制造业中,测试技术具有非常重要的地位和作用。特别是基于电磁辐射及运动粒子束与物质相互作用的各种性质建立的各种分析方法已成为材料现代测试分析方法的重要组成部分，以光谱分析、电子能谱分析、衍射分析与电子显微分析等4大类方法，以及基于其他物理性质或电化学性质与材料的特征关系建立的色谱分析、质谱分析、电化学分析及热分析等方法也是材料现代分析的重要方法。 材料及产品性能和质量的检测是检验和评价制造装备以及产品能否合格有效的重要关口。 在材料纳米材料分析当中，最长用到的电子显微分析技术包括了透射电镜（TEM）、扫描电镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)等技术，通过这些技术来对物质的显微形貌、成分和结构进行分析。 一透射电镜技术 透射电子显微镜，是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透射聚焦成像的一种高分辨本领、高放大倍数的电子光学仪器。它由电子光学系统(镜筒)、电源和控制系统(包括电子枪高压电源、透镜电源、控制线路电源等)、真空系统3部分组成。分辨本领和放大倍数是透射电子显微镜的两项主要性能指标，它体现了仪器显示样品显微组织和结构细节的能力。 透射电镜一般分为分析型透射电镜和高分辨透射电镜。TEM的分辨率较高，可用于研究纳米材料的结晶情况，观察纳米粒子的形貌、分散情况及测量和评估纳米粒子的粒径，是研究材料微观结构的重要仪器。 利用透射电镜的电子衍射能够较准确地分析纳米材料的晶体结构，配合XRD, SAXS，特别是EX-AFS等技能更有效地表征纳米材料。可结合电子显微镜和能谱两种方法共同对某一微区的情况进行分析。此外，微区分析还能够用于研究材料夹杂物、析出相、晶界偏析等微观现象。利用透射电镜法测试纳米材料的粒度大小及其分布，是最直观的测试方法之一，可靠性较高，但该法的准确性很大程度上取决于取样的代表性和扫描区域的选择。利用TEM进行微观结构分析时，配以能谱可以研究元素在试样内部的存在状态或分布情况。近年来，高分辨率透射电镜(HRTEM)的应用越来越广泛，利用HRTEM可获取有关晶体结构的更可靠的信息。 二扫描电镜技术 扫描电子显微镜, 成像原理与透射电镜不同,不用透镜法放大成像, 而是以类似电视摄像显像的方式, 用细聚焦电子束在样品表面扫描是激发产生的某些物理信号来调制成像。扫描电子显微镜由于其具有制样简单、使用方便、可直接观察大样品(如100mm@100mm)、并具有景深大、分辨率较高、放大倍数范围宽、可连续调节、可进行化学成分和晶体取向测定等一系列优点, 在失效分析中得到了广泛的应用。 SEM在纳米材料的分析中应用很广，它可用于纳米材料的粒度分析、形貌分析以及微观结构的分析等。SEM一般只能提供微米或亚微米的形貌信息，与TEM相比，其分辨率较低，因而表征结果不如透射电镜准
论几种材料微观结构分析方法 摘要：决定材料性质最为本质的内在因素：组成材料各元素原子结构，原子间相互作用相互结合，原子或分子在空间排列，运动规律，以及原子集合体的形貌特征，因此探测物体内部微结构对于材料的研究有着重要的物理意义 关键词:X射线;光学显微镜;扫描电镜；透射电子显微镜；红外光谱分析 一、X射线单晶体衍射仪(X-ray single crystal diffractometer,简写为XRD) 基本原理：根据布拉格公式：2dsinθ=λ可知，对于一定的晶体，面间距d一定，有两种途径可以使晶体面满足衍射条件，即改变波长λ或改变掠射角θ。X射线照射到某矿物晶体的相邻网面上，发生衍射现象。两网面的衍射产生光程差ΔL=2dsinθ，当ΔL等于X射线波长的整数倍nλ(n为1、2、3….，λ为波长)时，即当2dsinθ=nλ时，干涉现象增强，从而反映在矿物的衍射图谱上。不同矿物具有不同的d值。X射线分析法就是利用布拉格公式并根据x射线分析仪器的一些常数和它所照出的晶体结构衍射图谱数据，求出d，再根据d值来鉴定被测物。 主要功能：收集晶体衍射数据以及进一步确定晶体结构，过程主要包
括：挑选样品，上机，确定晶胞参数，设定参数进行数据收集，数据还原，结构解析。 二、光学显微镜（Optical Microscopy ，简写为OM） 基本原理：显微镜是利用凸透镜的放大成像原理，将人眼不能分辨的微小物体放大到人眼能分辨的尺寸，其主要是增大近处微小物体对眼睛的张角（视角大的物体在视网膜上成像大），用角放大率M表示它们的放大本领。因同一件物体对眼睛的张角与物体离眼睛的距离有关，所以一般规定像离眼睛距离为25厘米（明视距离）处的放大率为仪器的放大率。显微镜观察物体时通常视角甚小，因此视角之比可用其正切之比代替。 显微镜放大原理光路图 显微镜由两个会聚透镜组成，光路图如图所示。物体AB经物镜成放大倒立的实像A1B1，A1B1位于目镜的物方焦距的内侧，经目镜后成放大的虚像A2B2于明视距离处。 主要功能：把人眼所不能分辨的微小物体放大成像，以供人们提取微细结构信息。 三、扫描式电子显微镜（scanning electron microscope，简写SEM）工作原理：SEM的工作原理是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与电子束入射角有关，也就是说与样品的表面结构有关，次级电子由探测体收集，并在那里被闪
读书报告1 电子显微分析在稀土发光纳米材料中的应用 1.前言 稀土发光纳米材料稀土发光纳米材料是指颗粒尺寸在1-100nm的稀土离子掺杂发光材料。纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，因而表现出小尺寸效应、表面/界面效应、量子尺寸效应、量子限域效应等。受这些特性的影响，稀土发光纳米材料表现出许多不同于体相材料的物理和化学特性，从而影响了稀土掺杂离子的发光特性和发光动力学性质，如电荷迁移带、发射光谱、发光效率和强度、荧光寿命、能量传递速率、浓度猝灭和温度猝灭、光诱导发光等。 十余年来，稀土发光纳米材料在多个领域展示出诱人的应用前景，例如纳米级稀土荧光粉能够显著改善涂屏的均匀度，有助于提高清晰度和分辨率。三基色荧光粉若以纳米级稀土发光材料代替普通微米级荧光粉，可以降低光散射，大大提高LED出光效率，并能有效改善光色质量。另外，稀土发光纳米材料还广泛应用于细胞染色、太阳能电池等领域。 目前，有关稀土发光纳米晶的发光特性研究依然是科研的热点，新的合成方法与优越的性能不断地被开发出来。许多科学工作者在提高稀土发光纳米材料的发光效率、亮度、稳定性方面已做了深入的研究。而近年来对于稀土掺杂纳米晶的形貌、粒径、分散性、表面质量的调控及机理研究掀起了一个新的高潮，这主要有赖于电子显微分析技术与水热合成法的发展成熟化。本读书报告遴选了3篇较为典型的有关电子显微分析技术在稀土发光纳米材料表征中的重要应用作个简要的介绍，同时指出了自己的一些启示与看法。 2.文献阅读与启示 2.1. 文献1——TEM及HRTEM在材料微观形貌及晶格条纹分析中的应用 文献标题：“Synthesis and Characterization of Lanthanide Hydroxide Single-Crystal Nanowires” 来源：Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 4790-4793 通讯作者：李亚栋院士，清华大学无机化学研究所所长
《近代材料测试方法》复习题 1．材料微观结构和成分分析可以分为哪几个层次？分别可以用什么方法分析？ 答：化学成分分析、晶体结构分析和显微结构分析 化学成分分析——常规方法（平均成分）：湿化学法、光谱分析法 ——先进方法（种类、浓度、价态、分布）：X射线荧光光谱、电子探针、 光电子能谱、俄歇电子能谱 晶体结构分析：X射线衍射、电子衍射 显微结构分析：光学显微镜、透射电子显微镜、扫面电子显微镜、扫面隧道显微镜、原 子力显微镜、场离子显微镜 2．X射线与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？ 答：除贯穿部分的光束外，射线能量损失在与物质作用过程之中，基本上可以归为两大类：一部分可能变成次级或更高次的X射线，即所谓荧光X射线，同时，激发出光电子或俄歇电子。另一部分消耗在X射线的散射之中，包括相干散射和非相干散射。此外，它还能变成热量逸出。 （1）现象/现象：散射X射线（想干、非相干）、荧光X射线、透射X射线、俄歇效 应、光电子、热能 （2）①光电效应：当入射X射线光子能量等于某一阈值，可击出原子内层电子，产生光电效应。 应用：光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。光电效应 使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是 X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。 ②二次特征辐射（X射线荧光辐射）：当高能X射线光子击出被照射物质原子的 内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。 应用：X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射和非相干散射。相干散射 是X射线衍射分析方法的基础。 3．电子与物质相互作用有哪些现象和规律？利用这些现象和规律可以进行哪些科学研究工作，有哪些实际应用？ 答：当电子束入射到固体样品时，入射电子和样品物质将发生强烈的相互作用，发生弹性散射和非弹性散射。伴随着散射过程，相互作用的区域中将产生多种与样品性质有关的物理信息。 （1）现象/规律：二次电子、背散射电子、吸收电子、透射电子、俄歇电子、特征X射 线 （2）获得不同的显微图像或有关试样化学成分和电子结构的谱学信息
课程论文 课程：材料分析测试方法 题目：材料电子显微分析技术及应用 姓名：王昀立 学号：1101900422 所属单位：1019101班 指导老师：孟庆昌
材料电子显微分析技术及应用 摘要：电子显微分析技术的应用主要分为以下三方面：透射电子显微镜（TEM）；扫描电子显微镜（SEM）；电子探针显微分析（EPMA）。 关键词：透射电子显微镜；扫描电子显微镜；电子探针显微分析。 本文主干结构： 电子衍射分析技术 ①透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope） 晶体薄膜衍衬分析技术 二次电子成像 ②扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope） 背散射电子成像等 ③电子探针显微分析（Electron probe Micro-Analysis）——定性分析及定量分析 1透射电子显微镜（TEM） 1.1透射电子显微镜简介 透射电子显微镜（TEM）是一种能够以原子尺度的分辨能力，同时提供物理分析和化学分析所需全部功能的仪器。特别是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。 透射电子显微镜与光学显微镜结构对比： a）透射电子显微镜b)透射光学显微镜
1.2电子衍射分析技术 1.2.1电子衍射分析技术简介 许多材料的晶粒只有几十微米大小，甚至几百纳米，不能用X 射线进行单个晶体的衍射，但却可以用电子显微镜在放大几万倍的情况下，有目的的选择这些晶体，用选区电子衍射和微束电子衍射来确定其物相或研究其晶体结构。1.2.2电子衍射几何 电子衍射几何仍服从Bragg 定律： 2d sinθ=λd —晶面间距； λ—电子波长； θ—Bragg 角。 1.2.3电子衍射的光学特点 第一，衍射束强度有时几乎与透射束相当，因此就有必要考虑它们之间的相互作用，使电子衍射花样分析，特别是强度分析变得复杂，不能象X 射线那样从测量强度来广泛地测定晶体结构； 第二，由于散射强度高，导致电子穿透能力有限，因而比较适用于研究微晶、表面和薄膜晶体。 1.2.4电子衍射花样 ①根据衍射花样确定样品是晶体还是非晶。 ②根据衍射斑点确定相应晶面的晶面间距。 ③衍射斑点指标化。??? r O G ’ L d
顯微結構分析(一) 半導體晶片表面缺陷之分析 龔志榮副教授編撰 一、實驗之目的 本實驗旨在使學員了解，如何使用化學浸蝕方式顯現半導體晶片表面材料缺陷和利用光學干涉顯微鏡觀察晶片表面之浸蝕孔，進而評估晶片缺陷之密度。 二、實驗設備和材料 實驗設備主要為諾瑪斯基干涉式光學顯微鏡(Nomarski interference contrast optical microscope)，用來觀察經化學浸蝕後之砷化鎵(GaAs)晶片表面狀態。 三、實驗原理 (一)半導體材料缺陷孔蝕之分析 晶格缺陷一般均會存在於材料內部，它們的存在通常都會影響材料的特性。由於半導體材料大都應用在微電子元件及光電元件中，材料內部的缺陷往往會導致元件功能之不良或壽命之衰減，對於缺陷的容忍度很低。因此探討半導體晶片表面的缺陷例如差排等，乃評估晶片品質好壞的指標。在所有缺陷分析方法中，藉由濕式化學浸蝕(wet chemical etching)來顯現半導體材料內之差排孔蝕(etching pit)密度，是最常被用來鑑定半導體晶片品質的方法之一。 在濕式化學浸蝕中，浸蝕液對缺陷區附近材料之浸蝕速率高於非缺陷區，因此常會發生選擇性孔蝕(selective etch)，因此在干涉式光學顯微鏡下即可清楚的觀察到缺陷，並得以計算其密度。表一所列為部份半導體晶片缺陷孔蝕所使用之浸蝕液組成圖。 圖一為干涉式光學顯微組織照片，顯示砷化鎵晶片上之差排孔蝕。
表一 Si
圖一
(二)微分干涉對比光學顯微鏡 這種利用干涉對比方式將晶片表面之些微的高低分佈明顯的表現在光學顯微觀察中，乃由諾瑪斯基氏(G.Nomarski)在1952年所發明。圖二所示為諾瑪斯基微分(differential)干涉對比顯微鏡主要的光學組件和光路徑之對應關係。其中，最重要的組件有:偏光鏡(polarizer)和分光稜鏡(Normarski prism)，它們的功能分別是將未極化(unpolarized)入射光極化成為45 角之極化(polarized)光和將此極化光進一步分離成兩道光束。 圖二.Nomarski微分干涉對比顯微鏡之光學組件之對應關係 圖三說明分光稜鏡的結構，其實是由兩塊光軸互相垂直的稜鏡組合而成。極化光進入第一塊稜鏡後，分量光束(two components of the polarized light beam)感受到不同折射率造成在前進速率(speed)上有差別，當它們碰到稜鏡接合點時，遂形成兩道分離光束，光束間所張之發散角(angle of divergence)正好契合物鏡之焦距，藉由調整稜鏡可改變此兩道光束在試片表面反射後之相差(phase difference)，進而形成不同顏色之相對比，以分析晶片表面之高低分佈。