第二章电子显微分析

第二章电子显微分析ElectronMicro-Analysis电子光学基础电子与固体物质的相互作用透射电子显微分析扫描电子显微分析电子探针X射线显微分析电子显微分析的应用其他显微分析方法案例1图2-1多孔玻璃SEM照片案例2图2-3PZT单晶颗粒SEM照片案例3图2-3Yb:YAG陶瓷断面的SEM照片(含气孔)问题2-1什么是电子显微分析？电子显微分析的特点是什么？电子显微分析——是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。透射电子显微镜（TEM）扫描电子显微镜（SEM）电子探针（EPMA）电子显微分析的应用电子显微分析可用于研究物质的微区形貌显微结构晶体结构化学组成电子显微分析的特点高分辨率：0.2~0.3nm（线分辨率：0.104~0.14）；高放大倍数：15倍~100万倍（200万倍），且连续可调；是一种微区、选区分析方法：能进行nm尺度的晶体结构、化学组成分析；多功能、综合性分析：形貌、结构（显微结构、晶体结构）、成份。电子光学是研究带电粒子（电子、离子）在电场和磁场中运动，特别是在电场和磁场中偏转、聚焦和成像规律的一门科学。本课程所涉及的电子光学仅局限于电子显微镜这类仪器中电子的运动规律——研究各种形式对称的电、磁场和电子运动轨迹。§2.1电子光学基础光学显微镜的局限性电子的波性及波长电子在电磁场中的运动和电磁透镜电磁透镜的像差和理论分辨本领电磁透镜的场深和焦深电镜中电子光学系统的附加限制涉及的电、磁场与时间无关，且处于真空中，即真空中的静场；场中没有自由空间电荷或电流分布，即忽略了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：（2-2）式表示电子轨迹相对于旋转对称轴的斜率极小，即张角很小，一般为10-2~10-3rad。0||2r12dzrd（2-1）（2-2）电子光学与几何光学的相似仿照几何光学把电子运动轨迹看作光线，可用几何光学参数来表征（如焦点、焦距等）。几何光学中用光传播介质的旋转对称面（如球面）作为折射面。电子光学电镜成像系统中用旋转对称的电场、磁场的等位面作折射面。聚焦成像：几何光学——光学透镜电子光学——电场、磁场什么是显微镜的分辨本领（分辨能力、分辨率），它和那些因素有什么关系？问题2-2一、光学显微镜的局限性分辨率（分辨能力、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。阿贝公式：r—分辨率与λ成正比（r小，分辨能力越高）局限性：对可见光：取λ=600nmr=200nm电子束：λ=0.0388~0.00087nmr=0.1nm)(sin61.0nmnr（2-3）电子的波性是什么？电子波长由什么决定？问题2-3二、电子的波性及波长1.电子波性——DeBroglie波1924年，德布罗意提出了运动着的微观粒子（如中子、电子、离子等）也具有波粒二象性假说——运动着的微观粒子也伴随着一个波——物质波或德布罗意波。hpEhvhhpm2.电子波长初速度为0的电子从0电位到V电位时，电子的运动速度为：01502hVemV（Ǻ或0.1nm）（2-9）212EeVm（2-7）当c时m=m0电子的波长λ与加速电压V的平方根成反比。当V=100KVλ=0.0037nm（引入相对论校正）与X射线比较：X射线：λ=0.05—0.25nm电子波：λ=0.0025—0.0054nm加速电压(kV)电子波长(nm)加速电压(kV)电子波长(nm)10.0388800.00418100.01221000.0037200.008592000.00251300.006985000.00142500.0053610000.00087表2-1电子波长（经相对论较正）问题2-3什么是静电透镜、磁透镜？静电透镜和磁透镜各有什么特点？各用于电镜中的什么位置？三、电子在电磁场中的运动和电磁透镜1.电子在静电场中的运动电场力的加速作用折射作用当电子运动方向与电场方向不在一条直线上，电场力的作用不仅改变电子运动的能量，而且也改变电子的运动方向。221121sinsinVV2eVmV1V2V1yV1xV2yV2xYXθγV其中相当于折射率。2.静电透镜静电透镜：一定形状的等电位曲面族可使电子束聚焦成像，产生这种旋转对称等电位曲面族的电极装置即为静电透镜。与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似。二极式三极式静电透镜总是会聚透镜；强电场导致镜筒内击穿和弧光放电。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；静电透镜用于电子枪中使电子束会聚成形。3.电子在磁场中的运动电子在磁场中运动时，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：与平行：电子不受磁场影响；与垂直：电子在与磁场垂直的平面做圆周运动；与交角θ：电子运动轨迹是一螺旋线。BBBFeB（2-16）4.磁透镜短线圈磁透镜包壳磁透镜极靴磁透镜磁透镜——旋转对称磁场对电子束有聚焦成像用，产生这种旋转对称磁场的线圈装置。与一定形状的光学介质界面（如玻璃凸透镜的旋转对称弯曲折射界面）可以使光线聚焦成像相似。特点：与静电透镜比，焦距短，聚焦能力强。使用：磁透镜在电子显微镜中用于使电子束聚焦、成像。5.磁透镜与光学透镜的比较①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。②磁透镜是可变焦距和可变倍率透镜与成反比。③磁透镜场深大（200~2000nm）焦深长（80cm）2IN2VDfKFIN（2-20）f四、电磁透镜的像差和理论分辨本领旋转对称的磁场可以使电子束聚焦成像，但要得到清晰而又与物体的几何形状相似的图像，必须有以下几个前提：磁场的分布是严格轴对称的;满足旁轴条件;电子的波长（速度）相同——折射率相同。主要像差：球差色差轴上像散畸变实际的电磁透镜并不能完全满足上述条件，物面上一点散射出电子束不一定会聚在一点。物面上各个点并不按比例成像于同一平面。结果：图像模糊不清；像与物的几何形状不完全相似。——像差1.球差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——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电子束不一定会聚在一点。314SsmMCar（2-21）球差最小弥散圆：在某一位置可获得最小的弥散圆斑。——透镜的球差系数。（2-21）式说明弥散圆半径正比于透镜放大倍数M和透镜孔径半角α的3次方。最小弥散圆半径为：sC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。2.色差色差——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电子束不一定会聚在一点。EECCcr（2-23）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。部分电子受到一次或多次非弹性散射。最小弥散圆半径：Cc——透镜的色差系数。减小色差的方法：减小试样厚度3.轴上像散产生原因：极靴材料不均匀、加工精度、装配误差、污染等。轴上像散是由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场而引起的像差。轴上像散可看作为近似的双对称场。最小弥散圆半径：frAA21（2-24）fA是像散引起的最大焦距差。轴上像散将影响电镜的分辨率。电镜中有消像散器，把像散校正到容许程度。4.畸变正球差：远轴区对电子束会聚能力大于近轴区——枕型畸变负球差：——桶型畸变磁转角：——旋转畸变5.电磁透镜的分辨本领分辨本领除受λ影响外，还受衍射效应、球差、色差、轴上像散等因素的影响。其中以衍射效应和球差是最主要的，仅考虑衍射效应和球差时，电磁透镜的理论分辨本领为A为常数，约为0.4~0.5，决定于推导时的不同假设电磁透镜的理论分辨本领为0.2nm。随高压电子束做照明源及用低球差透镜，理论上可达0.1nm。4321SthACr（2-25）理论分辨率球差系数五、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。场深反映了：试样可上下移动的距；试样的允许厚度。Df与r成正比，与α成反比。当r=1nmα=10-3~10-2rad时，Df≈200~2000nm。故对加速电压为100KV的电镜，样品厚度一般控制在200nm以下，在透镜场深范围内，试样各部位均能调焦成像。在Xr（不影响成像分辨率）的条件下，透镜的场深Df：（2-27）rDf22.焦深焦深：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（D1）。焦深反映了：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Di：Di与M2和r成正比，与α成反比。当r=1nmα=10-2radM=2000倍时Di=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。（2-29）MDMDfir222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。1.作用的物理过程2.产生的物理信号3.作用深度和广度电子散射内层电子激发后的驰豫过程自由载流子X射线光电效应相互作用体积相互作用深度相互作用广度试样上方探测的电子信号吸收电子试样下方探测的电子信号§2.2电子与固体物质的相互作用聚焦电子束沿一定方向入射试样时,在原子库仑电场作用下，改变运动方向——电子散射。弹性散射——只改变方向，不改变能量(原子核对电子)。非弹性散射——既改变方向，也改变能量。§2.2.1作用的物理过程一、电子散射1.原子核对电子的弹性散射入射电子与原子核发生弹性碰撞时:m（原子核）﹥﹥m(电子)电子只改变方向,不改变能量—弹性散射（相当于弹性碰撞）。弹性散射的电子能量等于或者接近于入射电子能量E0。产生信号：透射电子背散射电子（散射角90°）（2-31）表明:Z大,E0小,r0小,α大。散射角α:rEenZ02（2-31）图2-13（a）原子核对入射电子的弹性散射入射电子的能量原子序数2.原子核对电子的非弹性散射入射电子被库仑电势制动而减速——非弹性散射。电子即改变方向，也损失能量。（△E）单电子激发等离子激发声子激发3.核外电子对入射电子的非弹性散射入射电子与核外电子的碰撞为非弹性散射单电子激发等离子激发声子激发（1）单电子激发——二次电子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）。产生信号：二次电子。二次电子特点:△能量低:＜50ev△对试样表面状态非常敏感，显示表面微区貌结构非常有效。二次电子：入射电子与核外电子碰撞，将核外电子激发脱离原子核成为二次电子。扫描电镜成像信号（2）等离子激发：晶体是由点阵固定位置的离子和漫散在整个空间的价电子云构成的电中性体。图2-14入射电子引起价电子集体振荡等离子激发：入射电子→价电子集体振荡→电子能量损失△Ep。Ep有固定值——特征能量损失；电子信号——特征能量损失电子；电子能量损失谱——能量分析电子显微术；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。驰豫过程——试样原子的内层电子被高能电子束轰击，脱离原子后，原子处于高能激发状态。外层电子将跃入内层空位，回到能量较低状态。辐射跃迁——特征X射线（标识X射线）；非辐射跃迁——俄歇电子。三、内层电子激发后的驰豫过程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