电子显微镜法.ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电子显微镜法,1,概况,结构与参数,成像原理,制样方法,应用举例,5.1,透射电子显微镜,5.1.1,概况与发展史,显微镜,是人类认识微观世界的重要工具。,第一种显微镜的发明是,光学显微镜,。光学显微镜使用可见光做照明源，用,玻璃透镜,来聚焦光和放大图像。光学分辨本领受光波长限制，极限分辨本领为,200nm,。小于,200nm,物体的观测须使用小于光波长的照明源。,电子显微镜,使用高能量的加速电子代替光做照明源，使用,电磁线圈,代替玻璃透镜来聚焦成像。,高速运动的粒子与短波辐射相联系，例如在,100kV,电压下加速的电子，相应的波长为，比可见光的波长小几十万倍,。,现代电子显微镜的分辨本领已经达到原子大小的水平,一些加速电压与电子波长的关系,透射电镜的加速电压一般为,50,100kV,，电子波长为，透射电镜的加速波长小十几万倍，比结构分析中常用的,X,射线的波长也小,1,2,个数量级。,电磁透镜,研究发现：静电磁场可以使电子的运动方向发生改变，对称的静电磁场可以,像玻璃聚焦光线,那样把电子束汇聚成一点，这使得用电子束聚焦成像成为可能，这样就产生了电磁透镜。由于电磁透镜能把电子束象光一样地聚焦成像，所以使用电子束做为光源的显微镜就应运而生了。这就是,电子显微镜。,电子光学中的折射,静电透镜,磁透镜,Philips CM12,透射电镜,加速电压,60,、,80,、,100,、,120KV,日立,H,700,电子显微镜,加速电压：,75,200KV,JEM-2010,透射电镜,加速电压,200KV,透射电子显微镜光路原理图,透射电镜 结构,5.1.2,结构与参数,透射电镜一般是由,电子光学部分、真空系统,和,供电系统,三大部分组成。,1,电子光学部分,整个电子光学部分完全置于镜筒之内，自上而下顺序排列着电子枪、聚光镜、样品室、物镜、中间镜、投影镜、观察室、荧光屏、照相机构等装置。根据这些装置的功能不同又可将电子光学部分分为,照明系统、样品室、成像系统及图像观察和记录系统,。,照明系统,样品室,成像系统,观察和记录系统,(1),照明系统,照明系统由,电子枪、聚光镜,和,相应的平移对中及倾斜调节装置,组成。它的,作用：,是为成像系统提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。为满足暗场成像的需要照明电子束可在,2-3,度范围内倾斜。电子枪。它由阴极、栅极和阳极构成。在真空中通电加热后使从阴极发射的电子获得较高的动能形成定向高速电子流。聚光镜。聚光镜的作用是会聚从电子枪发射出来的电子束，控制照明孔径角、电流密度和光斑尺寸。,照,明,系,统,示,意,图,阴极（接,负高压）,控制极（比阴极,负,1001000,伏）,阳极,电子束,聚光镜,试样,(2),样品室,样品室中有样品杆、样品杯及样品台。其,位于照明部分和物镜之间，它的主要作用是通过试样台承载试样，移动试样。,(3),成像系统,一般由物镜、中间镜和投影镜组成。中间镜和投影镜的作用是将来自物镜的图像进一步放大。,透射电镜的两种工作模式,电磁透镜的,像差,球差：由电磁透镜磁场中近轴区域和远轴区域对电子束的折射不同引起物点通过透镜没有会聚成一个像点，而是会聚在一定范围的轴向距离上。,电磁透镜的像差,色差：有电子波能量非单一引起物点通过透镜没有会聚成一个像点，而是会聚在一定范围的轴向距离上。,电磁透镜的像差,像散：电磁透镜磁场轴不对称所产生的物点通过透镜没有会聚成一个像点，而是会聚在一定范围的轴向距离上。（消像散器）,2,真空系统,真空系统由机械泵、油扩散泵、换向阀门、真空测量仪泵及真空管道组成。它的作用是排除镜筒内气体，使镜筒真空度至少要在,10,-3,pa,以上。,要求电镜的镜筒内部处于高真空，因为：,在空气中，运动的电子与气体分子碰撞而散射，使得电子的平均自由路程减小，在电镜中，从灯丝到荧光屏的距离约为,1m,，为了使电子的平均自由路程大小达到这个距离，需要优于,10,-2,Pa,的真空度；电子枪的高压需要处于高真空中，以免引起放电；高真空可以延长电子枪中灯丝的寿命；试样处于高真空中可以减小污染等。,3,供电控制系统,加速电压和透镜磁电流不稳定将会产生严重的色差及降低电镜的分辨本领，所以,加速电压,和,透镜电流,的稳定度是衡量电镜性能好坏的一个重要标准。,主要性能参数,（,1,）,分辨率,是,TEM,的最主要性能指标，表征电镜显示亚显微组织、结构细节的能力。,点,分辨率：能分辨两点之间的最短距离,线,分辨率：电子图像上能分辨出的最小晶面间距，这种分辨率也称为晶格分辨率，又称,晶格分辨率,。,近代高分辨电镜的点分辨率可达,0.3nm,，线分辨率可达,0.144nm,。,（,2,）放大倍数,指电子图像对于所观察试样区的,线性,放大率,。,目前高性能,TEM,的放大倍数范围为,80100,万倍。,将仪器的最小可分辨距离放大到人眼可分辨距离（约,）所需的放大倍数称为,有效放大倍数,。一般仪器的最大倍数稍大于有效放大倍数。,(3),加速电压,指电子枪阳极相对于阴极灯丝的电压，决定了发射的电子的波长,。,电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（厚试样）、分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。,普通,TEM,的加速电压一般为,50,200kV,，通常所说的加速电压是指可达到的最高加速电压。,物镜后焦面上形成一幅斑点花样经物镜下面的各透镜再次放大后投射到观察屏上，形成我们观察到的,衍射花样,。,g,R,(4),相机长度和相机常数,相机长度为,L,，观察屏上衍射斑距透射斑的距离为,R,，,为入射电子束波长，,d,为晶面距，,则：,R=L,/d,称,K=L,为相机常数,相机常数通常可以利用金膜衍射花样或者利用已知晶体结构单晶体的衍射花样测定。,明场,像：直射电子成像，像清晰。,暗场,像：散射电子成像，像有畸变、分,辨率低。,中心暗场,像：入射电子束对试样倾斜照,明，得到的暗场像。像不畸,变、分辨率高。,明场成像与暗场成像,5.1.3,透射电镜成像及衬度形成原理,成像电子的选择是通过在,物镜,的,背焦面,上插入,物镜光阑,来实现的。,透射电镜的,衬度,形成原理,衬度：显微图像中不同区域的明暗差别。,散射衬度（质厚衬度）,衍射衬度,相位衬度,（,1,）质厚衬度,由于试样上各部位散射能力不同所形成的衬度称为,散射衬度,（又称,质厚衬度,）,，,它是非晶态形成衬度的主要原因,。,样品不同微区存在,原子序数,Z,（密度）,和,厚度,d,的差异形成的。,来源于电子的非相干弹性散射，,Z,越高，产生散射的比例越大；,d,增加，将发生更多的散射。,不同微区,Z,和,d,的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子强度有差别，形成像的衬度。,Z,较高、样品较厚区域在屏上显示为较暗区域。,图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化。,明场像,亮,暗,无机,/,聚合物复合材料,（,2,）衍射衬度,由于样品对电子的衍射产生的衬度称为,衍射衬度,，,它是晶体样品形成衬度的主要原因,。,举例解释：,电压一定时，入射束强度是一定的，假设为,I,0,，衍射束强度为,I,D,。在忽略吸收的情况下，透射束为,I,0,-I,D,。这样如果只让透射束通过物镜光阑成像，那么就会由于样品中各晶面或强衍射或弱衍射或不衍射，导致透射束相应强度的变化，从而在荧光屏上形成衬度。,形成衬度的过程中，起决定作用的是晶体对电子束的衍射。这就是衍射衬度的由来,。,2d,hkl,sin,=n,(n,为级数）,明场像,中心暗场像,（,3,）相位衬度,相位衬度是由于电子波的干涉所产生，是超薄样品和高分辨像的衬度来源，可以观察原子像和分子像。,要求,：,TEM,样品可分为间接样品和直接样品。,（,1,）供,TEM,分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度以控制在约,100200nm,为宜。,（,2,）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知道影响的方式和程度。,5.1.4 TEM,在高分子研究中的应用,（,1,）液相滴附法,（,2,）超薄切片法,（,50-60nm,厚）,（,3,）投影法,制样方法,(p222-225),（,4,）复型法,火胶棉（或其他塑料）一级复型（负复型）,碳棉一级复型（正复型）,C.,塑料薄膜,-,碳膜二级复型,（,5,）蚀刻法,（适用于高分子结晶或高分子多相复合体系）,溶剂、氧化剂和等离子体蚀刻,（,6,）离子轰击减薄法,TEM,在高分子研究中的应用介绍,(p225-230),在材料研究中的应用,内部结构分析（电子显微像，各种,衬度图,）,相结构分析,(,电子衍射花样,),（,1,）研究高分子单晶结构,透射电镜的衬度形成原理,景深大,成像富立体感,第一种显微镜的发明是光学显微镜。,电压越高，电子束对样品的穿透能力越强（厚试样）、分辨率越高、对试样的辐射损伤越小。,电子探针就是依据这个原理对样品进行微区成分分析的。,为满足暗场成像的需要照明电子束可在2-3度范围内倾斜。,（a）ZrO2陶瓷三点弯曲断口形貌4000，,二次电子和背散射电子收集器,3 电子探针(波谱仪和能谱仪),以二次电子（SE）为调制信号，由于SE能量低(小于50 ev)，在固体样品中自由程很短，仅为1-10 nm，所以从样品上方检测到的SE，主要来自样品表面5-10 nm的薄层内。,电子束与物质的相互作用,图像上的衬度变化反映了样品相应区域的原子序数和厚度的变化。,因而空间分辨率与入射电子束斑直径相当，故SE具有较高的分辨率。,负1001000伏）,扫描电镜观察的样品应有良好的导电性，或至少样品表面要有良好的导电性。,JEM-2010透射电镜,金相显微镜：抛光、侵蚀,（,2,）研究多组分多相高分子的微观织态结构,A.,嵌段共聚物,B.,橡胶增韧塑料,C.,互穿聚合物网络,(IPN),D.,聚合物复合材料,高分子乳液粒子,（,3,）研究高分子微球形态,高分子微球,碳棒,其他样品的电镜照片,不同温度下,TiO2,晶粒生长的情况,球表面的,Au,，氧化镧，,Fe2O3,Zn,粒，,Al2O3,，单壁碳管,高分子网，晶体层面，纳米球,样品表面的凹凸形态和附着物,多晶体的衍射花样,单晶体的衍射花样,引言,扫描电镜的主要特点,扫描电镜原理与结构,扫描电镜衬度原理,扫描电镜分析示例,电子探针（波谱仪和能谱仪）,5.2,扫描电子显微镜,扫描电子显微镜的简称为扫描电镜，英文缩写为,SEM,(Scanning Electron Microscope),。,它是用细聚焦的电子束轰击样品表面，通过电子与样品相互作用产生的二次电子、背散射电子等对样品表面或断口形貌进行观察和分析,。现在,SEM,都与能谱（,EDS,）组合，可以进行成分分析。所以，,SEM,也是,显微结构分析,的主要仪器，已广泛用于材料、冶金、矿物、生物学等领域。,5.2.1,引言,Element,Weight%,Atomic%,C,87.94,90.67,O,12.06,9.33,Totals,100.00,5.2.2,扫描电镜的主要特点,放大倍率高,分辨率高,景深大,成像富立体感,在聚焦完成后，在焦点前后的范围内都能形成清晰的像，这一前一后的距离范围，便叫做,景深。,样品制备简单,可进行综合分析（如元素分析）,5.2.3,扫描电镜成像原理,成像原理,扫描电子显微镜的成像原理和透射电子显微镜不同。它不用电磁透镜放大成像，而是用聚焦电子束在样品表面扫描时激发出来的,各种物理信号,来调制成像的。这些信号被相应的接收器接收，经放大后送到显像管，调制显像管的亮度。,电子束与物质的相互作用,扫描电子显微镜主要收集的信号是,二次电子和背散射电子,。,各种信息的作用深度,从图中可以看出，俄歇电子的穿透深度最小，一般穿透深度小于,1nm,，二次电子小于,10nm,。,以二次电子（,SE,）为调制信号，由于,SE,能量低,(,小于,50 ev),，在固体样品中自由程很短，仅为,1-10 nm,，所以从样品上方检测到的,SE,，主要来自样品表面,5-10 nm,的薄层内。在理想的情况下，这个深度范围内入射电子束无明显的扩展。因而空间分辨率与入射电子束斑直径相当，故,SE,具有较高的分辨率。,通常所说的扫描电镜的分辨率就是指,SE,像的分辨率。用,SE,成像是,SEM,最主要的功能，其分辨率是衡量,SEM,的主要指标。,扫描电镜成像过程示意图,“光栅扫描，逐点成像”,扫描电镜采用的是逐点成像的图像分解法，把样品被观察区划分成许多小单元，称为象元，在电子束对样品表面作光栅扫描时，可以逐点逐行地依次从各象元检测出信号，并按顺序成比例地转换为视频信号，再经视频放大和信号处理将其一一送到有电子束同步扫描的荧光屏的栅极，用来调制阴极射线管,(CRT),的电子束的强度，即显像管的亮度。因为,电镜中的电子束对样品的扫描与显像管中电子束的扫描保持严格同步,，所以显像管荧光屏上的图像就是样品上被扫描区域表面特征的放大像。,JSM-6700F,场发射扫描电镜,5.2.3,扫描电镜的主要结构,主要包括有,电子光学系统、,扫描系统、信号收集与显示系统、,电源和真空系统,等。,透射电镜一般是,电子光学系统（照明系统）、,成像放大系统,、电源和真空系统,三大部分组成。,比较,（,1,）电子光学系统,由,电子枪、电磁透镜、扫描线圈和样品室,组成。用于获得扫描电子束，故电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。,热发射三极电子枪,钨灯丝电子枪,六硼化镧电子枪,工作时，利用灯丝电源对灯丝直接加热，当灯丝达到工作温度,(2000 K,以上,),时，发射出电子。,电子枪,场发射电子枪,场发射电子枪是利用靠近曲率半径很小的阴极尖端附近的强电场使阴极尖端发射电子。,一般由三级电磁透镜组成，即第一聚光镜、第二聚光镜和末级聚光镜,(,即物镜,),。其主要功能是依靠透镜的电磁场与运动电子的相互作用将电子枪中交叉斑处形成的电子源逐级会聚成为在样品上扫描的极细电子束。,透射电镜的电子透镜是放大透镜，而扫描电镜的电子透镜是缩小透镜，它的“物”就是电子束交叉斑，打到样品上的入射电子束斑就是交叉斑的“像”。,电磁透镜,（,2,）样品室,（,3,）真空系统,10,-3,Pa,或更高的真空度。,真空度过低，将使电子枪发射电流不稳，高压打火，烧断灯丝以及易使镜体玷污，图像质量变坏等。,（,4,）信号收集和显示系统,二次电子和背散射电子收集器,扫描系统,显示系统,X,射线检测器,扫描电镜图像的放大倍率变化是由扫描系统来实现的。,若显示图像的,CRT,宽度为,a,，样品上被扫描区域宽度为,A,，则放大倍率,M,a,A,，因,a,是定值，故改变样品上被扫描区域的宽度,A,就改变了放大倍数。,扫描系统,SEM,的主要性能指标及影响因素,对于扫描电镜，限制和影响其分辨率的因素较多。其中较主要的有下列三个因素：,A.,入射电子束斑直径,通过减小电磁透镜的像差（主要是球差和像散）和增大透镜缩小倍数，可缩小入射电子束斑直径，从而提高扫描电镜分辨率。,B.,样品对电子的散射作用,样品上发射信息的最小范围，实际上决定于有效入射电子束斑的大小。,C.,信噪比,5.2.4,扫描电镜形貌衬度原理,(p234),凸凹不平的样品表面所产生的二次电子，用二次电子探测器很容易被收集，所以二次电子图像无阴影效应，二次电子易受样品电场和磁场影响。,二次电子像是表面形貌衬度像，它是利用对样品表面形貌变化敏感的物理信号作为调节信号得到的一种像衬度。,因为二次电子信号主要来处样品表层,5,10nm,的深度范围，它的强度与原子序数没有明确的关系，而对微区表面相对于入射电子束的方向十分敏感，二次电子像分辨率比较高，所以适用于显示形貌衬度。,二次电子发射量主要决定于样品表面的起伏状况。如果电子束垂直样品表面入射，则二次电子发射量最小,。,二次电子的发射率,与入射电子束和试样表面法线,n,之间的夹角,有如下关系：,式中,0,是一个与具体物质有关的常数。,可见二次电子的发射率随,角的增加而增大,。,参见杜希文,材料分析方法,p25,参见杜希文,材料分析方法,p25,样品制备要求,样品的制备相对于光学显微镜和透射电子显微镜的样品制备要简单的多。主要要求有：,观察的样品必须为固体（块状或粉末），同时在真空条件下能保持长时间的稳定。,扫描电镜观察的样品应有良好的导电性，或至少样品表面要有良好的导电性。,小心保护样品的原始状态。,5.2.5 SEM,在高分子研究中的应用,透射电子显微镜样品：薄,金相显微镜：抛光、侵蚀,扫描电子显微镜：,二次电子图像：表面导电,背散射电子成分图像：抛光,电子探针波谱仪：抛光,（,2,）几种典型的断口形貌的观察,a b,铝合金,韧窝断口,形貌,（,a,等轴韧窝,1000,，,b,剪切韧窝,1000,）,参见常铁军,材料近代分析测试方法,p117-119,透射电子显微镜光路原理图,研究高分子多相复合体系的形态结构,研究聚合物薄膜的表面形态,透射电镜的电子透镜是放大透镜，而扫描电镜的电子透镜是缩小透镜，它的“物”就是电子束交叉斑，打到样品上的入射电子束斑就是交叉斑的“像”。,像散：电磁透镜磁场轴不对称所产生的物点通过透镜没有会聚成一个像点，而是会聚在一定范围的轴向距离上。,不同微区Z和d的差异，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子强度有差别，形成像的衬度。,如果电子束垂直样品表面入射，则二次电子发射量最小。,Philips CM12透射电镜,它的作用：是为成像系统提供 一束亮度高、相干性好的照明光源。,二次电子和背散射电子收集器,（2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。,（3）研究高分子微球形态,a b,沿晶断口,形貌,（,a,）,ZrO,2,陶瓷三点弯曲断口形貌,4000,，,（,b,）,30CrMnSi,应力腐蚀开裂断口形貌,800,解理和准解理断口,形貌,疲劳断口,形貌,参见杜希文,材料分析方法,p31,（,3,）,SEM,在高分子材料研究中的应用,参见教材,p239-244,A.,研究结晶高分子的形态结构,B.,研究高分子多相复合体系的形态结构,C.,研究纤维和织物的表面形态结构,D.,研究聚合物薄膜的表面形态,E.X,射线显微分析,5.3,电子探针,(,波谱仪和能谱仪,),扫描电子显微镜检测电子与试样相互作用产生的二次电子、背散射电子可以得到试样形貌，如果检测入射电子与试样相互作用产生的特征,X,射线波长与强度，就可以对试样中元素进行定性、定量分析，即,电子探针,（波谱仪或能谱仪）。,基本原理,Mosely,定律,式中,v,为,X,射线频率，,Z,为原子序数，,R,和,为常数，,c,为,X,射线速度，,h,为普朗克常数，,为,X,射线特征波长，,特征,X,射线的能量。,由,Mosely,定律可见特征,X,射线的波长、能量取决于元素的原子序数，只要知道样品中激发的特征,X,射线的波长或能量就可确定试样中的待测元素，元素含量越多，激发出的特征,X,射线强度越大，所以测量其强度就可确定相应元素的含量。电子探针就是依据这个原理对样品进行微区成分分析的。,检测的是特征,X,射线的波长就是,波谱仪,。,检测的是特征,X,射线的能量就是,能谱仪,。,Element,Weight%,Atomic%,C,87.94,90.67,O,12.06,9.33,Totals,100.00,电子探针（波谱仪或能谱仪）结构的镜筒部分与扫描电镜相同，即由电子光学系统和样品室组成。所不同的是电子探针有一套检测特征,X,射线的系统,X,射线仪。,若配有检测特征,X,射线特征波长的谱仪称为电子探针波谱仪（,WDS,）。若配有检测特征,X,射线特征能量的谱仪称为电子探针能谱仪（,EDS,）。,除专门的电子探针外，大部分电子探针谱仪都是作为附件安装在扫描电镜上，,与电镜组成一个多功能仪器以满足微区形貌、晶体结构及化学组成的同位同时分析的需要。,谢谢观看,谢谢观看,