材料测试技术3.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,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,*,透射电子显微镜成像分析,质厚衬度是建立在非晶体样品中,原子对入射电子的散射,和,透射电子显微镜小孔径角成像,基础上的成像原理，是解释非晶态样品（如复型）电子显微图像衬度的理论依据。,它是由于样品不同区域,厚度或平均原子序数,的差别，使进入物镜光阑并聚焦于像平面的散射电子强度不同，从而产生了图像的衬度。,在复型样品、非晶态物质、合金中的第二相看到的衬度都属于此类,11.2.1,质厚衬度,质厚衬度与复型技术,1,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,质厚衬度产生的原因,元素的种类不同对电子的散射能力就不同。重元素比轻元素的散射能力强，成像时被散射到光阑以外的电子多，重元素成的像比轻元素的像暗，试样越厚，对电子的吸收越多，相应部位参与成像的电子就越少，所以厚样品的像比薄样品的像暗。,2,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,3,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,1.,从实物或大块试样上切割厚度为,0.3,0.5mm,厚的薄片。,线切割机,切片机,2.,样品薄片的预先减薄。,机械研磨法,(70um,100um),化学抛光法,(2050um),3.,样品的最终减薄,(,3mm),。,双喷电解抛光法,离子轰击法,切片薄膜制备工序：,+,-,4,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,5,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,衍射衬度成像原理,非晶态复型样品是依据,“,质量厚度衬度,”,的原理成像的。而晶体薄膜样品的厚度大致均匀，并且平均原子序数也无差别，因此不可能利用质厚衬度来获得满意的图像反差。为此需寻找新的成像方法，也就是,“,衍射衬度成像,”,，简称衍衬成像。,A,B,I,0,明场,物镜,物镜光阑,I,A,I,0,I,B,I,0,-,I,hkl,像平面,I,A,0,I,B,I,hkl,暗场,中心暗场,7,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,由于各处晶体取向或者晶体结构不同，满足布拉格衍射条件的程度不同，使得在样品下表面形成一个随位置不同而变化的衍射振幅分布，所以像的强度随衍射条件的不同发生相应的变化，称为,衍射衬度,。,薄膜样品的衍射衬度小结,8,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,薄晶体样品衍射衬度成像必须具备如下一些基本操作条件：,1,）必须有一个孔径足够小的物镜光阑；,2,）样品台必须在适当的角度范围以内可以任意地倾斜，以便利用晶体位向的变化选择适于成像的入射条件；,3,）电子显微镜应有方便的选区衍射装置，以便随时观察和记录衍射花样，选择用以成像的衍射束；,4,）必须有可以倾斜的照明系统。,9,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,衍衬理论简介,衍衬理论是电子衍射强度理论在晶体样品电子显微分析中的直接应用，以是否考虑在晶体内入射束与衍射束、以及衍射束之间的相互作用为主要依据，分为运动学理论和动力学理论。,因为晶体样品衍衬图像的衬度是由样品不同部位衍射束强度的差别产生的，为了预示并解释图像的衬度特征，需要考虑晶体的成分、结构、厚度、位向、相组成以及缺陷等等对衍射强度的影响，这就是衍衬理论的任务。,电子衍射，是由晶体内规则排列的原子对入射电子波的弹性相干散射的结果，所以为了求得衍射束的强度，首先必须讨论单个原子和晶胞对电子的散射。,10,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,2.,消光距离的概念,既然入射电子受到原子强烈的散射作用，则由数量极大的规则排列着的原子作为散射中心所组成的晶体所产生衍射波强度也将是很大的，因而在晶体内透射波和衍射波之间的相互作用实际上是不容忽视的。,由于强烈动力学相互作用使得,电子束在晶体内传播过程中透射波和衍射波的强度发生周期性振荡。振荡,的深度,周期定义为“消光距离”，以,g,表示。,11,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,衍射光路,振幅变化,强度变化,12,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,消光距离,g,的性质,对于确定的波长，消光距离是晶体的一种物理性质，同时也是不同衍射波矢量,g,的函数；,同一晶体中，不同的晶面产生的衍射波处于双束条件时，有不同的消光距离，即不同的,g,值。,“,消光”是指尽管满足衍射条件，但由于动力学相互作用的结果，在晶体内一定深度处衍射波或透射波的强度，将周期性地取零值。,13,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,衍衬运动学理论,两个基本假设,运动学理论是讨论晶体激发产生的衍射波强度的简单方法，其主要特点是不考虑入射波与衍射波之间的动力学相互作用。,1,）入射电子在样品内只可能受到不多于一次的散射。总的散射波振幅可以看作是各散射元产生的散射波振幅的线性叠加。,2,）入射电子波在样品内传播过程中，强度的衰减可以忽略，这意味着衍射波的强度与透射波相比始终是很小的。,14,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,两条途径,1,）采用足够薄的样品，使入射电子受到多次散射的机会减少到可以忽略的程度。,2,）让衍射晶面处于足够偏离布拉格条件的位向，即存在较大的偏离参量，此时衍射波强度较弱。,两个近似处理方法,1,）双光束近似,2,）柱体近似,I,0,=1,1-,I,g,I,g,I,III,II,I,g1,I,g2,I,g3,15,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,双束近似,(,运动学基本假设一,),在获得电子显微像时，通常采用双束成像条件：即除透射电子束外，只有一个强衍射束，且让它偏离精确的布拉格衍射条件。,用非常薄的样品，这时因吸收而引起的能量损失和多次散射以及严格双束情况下有限的透射和衍射束之间的交互作用可以忽略不计。,实际上，要做到这两条是非常困难的，只能尽可能地调整样品的取向，以期达到双束成像条件。,16,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,柱体近似模型,(,运动学基本假设二,),出于简化计算的目的，运动学理论采用柱体近似来计算透射波和衍射波振幅；,电子束在很薄的样品中传播，无论是透射束还是衍射束的振幅都是由截面甚小的晶柱内原子或晶胞散射振幅的叠加。因此样品可以看成是由许许多多这样的晶柱平行排列组成的散射体，晶柱之间不发生交互作用，这就是晶柱近似。,17,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,理想晶体的衍射强度,理想晶体指不存在位错、层错、晶界第二相等导致原子偏离正常位置，引起畸变的晶体。,Z,z,dz,O,k,r,入射波,k,k,衍射波,d,g,入射波,I,0,=1,O,A,k,k,O,G,g,s,K=,k-k,t,1-,I,g,I,g,考虑厚度为,t,的完整晶体内晶柱,OA,所产生的衍射强度。,K=,k-k,=,g+s,=,2,Kr,=,2,sr,=,2,sz,18,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,1.,等厚条纹（衍射强度随样品厚度的变化）,如果,晶体保持在确定的位向，则衍射晶面偏离矢量,S,保持恒定，,衍射强度,Ig,随样品厚度的变化为,随着样品厚度的增加，,衍射强度发生周期性振荡，振荡的周期为,t,g,=1/s,当,t=n/s,时，,衍射强度,I,g,=0,当,t=(n+1/2)/s,时，衍射强度最大，,I,gmax,=1/(,s,g,),2,理想晶体衍衬运动学方程的应用,19,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,明场像,暗场像,O,t,I,g,I,T,上表面,下表面,1,s,等厚条纹形成原理示意图,晶粒,I,晶粒,II,电子束,倾斜界面示意图,20,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,2.,等倾条纹（衍射强度随样品位向的变化）,如果样品的厚度不变，但是局部晶面取向发生变化，衍射强度将随偏离参量的变化而变化，有,I,g,=,(,2,t,2,/,g,2,)sin,2,(,ts,)/(,ts,),2,s=0,时，衍射强度有极大值，当,s=(2n+1)/2t(n=1,2,),时，衍射强度都有极大值，不过随着,s,的增大，衍射强度的极大峰值迅速下降,。,当,s=1/t,时，出现第一个极小值。,当,s=n/t,时，衍射强度出现第,n,个极小值，是衍射强度发生消光的位置。,所以当,t,一定时，随着,s,的增加，衍射强度也发生周期性振荡。,21,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,22,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,23,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,振荡周期为,s,g,=1/t,衍射强度将随晶体取向变化，在,s=,0,处精确满足布拉格衍射条件，两侧的偏离参量符号相反，并且数值增大，衍衬像中,s=,0,处为亮线（暗场）或暗线（明场），两侧有明暗相间的条纹出现（因强度迅速,下降,，条纹的数目有限），同一亮线或暗线对应相同的偏离参量。这种特征衬度称为等倾消光条纹。,倾动一下样品，样品上相应于,s=,0,的位置发生变化，消光条纹的位置也跟着发生变化。等倾消光条纹对样品取向非常敏感。,24,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,扫描电镜,Scanning,electronic,microscope,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,成像原理,利用细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。,26,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,电子束与固体样品 作用时 产生的信号,背散射电子,二次电子,吸收电子,透射电子,特征,X,射线,俄歇电子,27,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,背散射电子,Backscattered electron,弹性背散射电子,原子核撞击,散射角大于,90,o,不损失能量,非弹性背散射电子,核外电子撞击,改变方向、损失能量,28,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,背散射电子用途,形貌分析,电子来自表层,几,百纳米的深度,成分分析,产额随样品原子,序数增大而增多,29,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,2.,二次电子,S,econdary Electron,在入射电子束作用下被轰击出来的并离开样品表面的核外电子,能量较低，一般不超过,50,eV,。,30,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,二次电子用途,形貌分析,电子来自表层,5-10nm,的深度范围内发射出来，对样品的表面形貌十分敏感。,二次电子产额和原子序数之间没有明显依赖关系，,不能用于成分分析,31,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,3.,吸收电子,Absorbed Electrons,若样品较厚，入射电子进入样品后，经多次非弹性散射能量损失殆尽而被样品吸收。,A,32,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,吸收电子用途,微区成分分析,当电子束入射一个多元素的样品表面时，由于不同原子序数部位二次电子产额基本相等，则产生背散射电子较多的部位其吸收电子的能量较少，反之依然，因此，吸收电子能产生原子序数衬度,33,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,4.,透射电子,Transmited,Electrons,入射电子穿过薄样品,取决于微区厚度、成分和晶体结构,微区成分分析,利用特征能量损失电子配合能量分析器。,34,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,5.,特征,X,射线,Characteristic X-ray,由特征,X,射线辐射产生的,X,射线,取决于样品原子序数,微区元素及成分分析,35,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,6.,俄歇电子,Auger Electrons,俄歇效应产生的电子,取决于特征壳层能量,平均自由程很小,(1nm),表面层成分分析,36,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,第二节 扫描电镜的构造和工作原理,电子光学系统,信号收集和图,象显示记录系统,真空系统,37,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials一、电子光学系统,电子枪,电磁透镜,扫描线圈,样品室,38,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,1.,电子枪,Electron Gun,Filament,Wehnelt Cap,Anode,39,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,2.,电磁透镜,Electron Lenses,功能：把电子枪的束斑逐级聚焦缩小，使原来直径约为,50,m,束斑缩小成一个只有数纳米的细小斑点。,40,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,扫描电镜有三个聚光镜,两个强磁透镜,缩小电子束光斑,一个弱磁透镜（物镜）,具有较长的焦距,照射在样品上的电子束直径越小，,成像单元尺寸越小，分辨率越高。,41,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,3.,扫描线圈,Scanning coils,扫描线圈作用,使电子束偏转，并在样品表面作有规则的扫动。,扫描方式,光栅扫描（相貌分析）,角光栅扫描（电子通道花样分析）,光栅扫描 角光栅扫描,物镜,入射电子束,入射电子束,42,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,4.,样品室,Sample chamber,主要功能：,放置样品,安置信号探测器,辅助功能（附件）：,加热和冷却试样,机械性能试验,43,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,主要性能,一,.,分辨率,扫描电镜分辨率与检测信号种类有关,信 号,二次电子,背,散射电子,吸收电子,特征,X,射线,俄歇电子,分辨率,510,50200,1001000,1001000,510,nm,44,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,45,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,影响扫描电镜分辨率的三大因素,电子束的束斑大小,检测信号的类型,检测部位的原子序数,46,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,SEM,分辨率测定方法,在已知放大倍数（一般在,10,万倍）条件下，把在图像上测到的最小间距（两个颗粒或区域）除以放大倍数所得数值就是分辨率。,真空蒸镀金膜样品,47,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,二,.,放大倍数,M=A,C,/A,S,A,S,:,电子束在样品表,面扫描幅度；,A,C,:,在荧光屏上阴极射,线同步扫描幅度。,A,S,A,C,在样品表面 在阴极射线管荧光屏上,光栅扫描,48,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,第四节 表面形貌衬度原理及其应用,一,.,二次电子成像原理,主要用于分析样品的表面形貌；,二次电子数量和原子序数,没有,明显关系；,二次电子对样品表面的几何形状十分敏感。,49,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,二次电子成像原理图,L,L,L,0,o,45,o,60,o,2L,50,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,Edge effect(secondary electron emission differing with surface condition).,51,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,52,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,Specimen IC chip.,The higher the accelerating voltage,the greater is the edge effect,making the edges brighter.,53,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,Ti-Fe,共晶合金,Zr,-Ti-Ni,合金,sputtered gold on carbon,Fracture surface of iron,54,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,55,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,56,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,第五节 原子序数衬度原理及其应用,1.,背散射电子形貌衬度特点,The generation region of backscattered electrons is larger than that of secondary electrons,namely,several tens of nm.Therefore,backscattered electrons give poorer spatial resolution than secondary electrons.But because they have a larger energy than secondary electrons,they are less influenced by charge-up and specimen contamination.,SEI,BEI,57,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,58,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,2.,背散射电子原子序数衬度原理,如果,A,区的,原子序数,大于,B,区的原子序数，则,A,区相对于图象上是,亮区,，,B,区为,暗区,。,A,A,A,A,B,B,B,背散射电子的产额与原子序数密切相关,在原子序数低于,40,范围内，原子序数越高，背散射电子产额越大，图象越亮，反之亦然,定性成分分析。,59,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,The,backscattered electron image contains two types of information:one on specimen composition and the other on specimen topography.To separate these two types of information,a paired semiconductor detector is provided symmetrically with respect to the optical axis.Addition of them gives a composition image while subtraction gives a topography image.And with composition images of crystalline specimens,the difference in crystal orientation can be obtained as the so-called“channeling contrast,”by utilizing the advantage that the backscattered electron intensity changes largely before and after Braggs condition.,60,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,二,.,吸收电子成像,A,A,A,A,B,B,B,A,A,A,A,B,B,B,吸收电子的产额与背散射电子产额相反,样品的原子序数越小，背散射电子越少，吸收电子越多，反之样品的原子序数越大，背散射电子越多，吸收电子越少。,BEI,AEI,61,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,背散射电子衍射分析及其应用,X,射线衍射技术可获得材料晶体结构及取向的宏观统计信息，,但无法实现信息与微观组织形貌的统一分析；,透射电镜可实现材料微观组织形貌观察和晶体结构及取向分析的微区对应，,但获取信息是微区和局部的；,背散射电子衍射兼备,X,射线衍射宏观统计分析和透射电镜电子衍射微区分析。,62,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,背散射电子衍射实验条件与工作原理,基本构成,高灵敏度,CCD,相机；,电子束外部扫描控制、信号采集、衍,射花样自动识别标定的数据采集软件；,数据处理和分析应用软件。,63,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,工作原理,数据采集系统扣除背底并经,Hough,变换，自动识别进行标定,64,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,65,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,66,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,背散射电子衍射取向技术,背散射衍射技术是显微组织与晶体学分析相结合的一种新的图象分析技术；,成像依赖于晶体取向，也称为取向成像显微技术,(,OIM,),EBSD,主要应用：,利用取向成像，可以获得晶粒、亚晶粒或相的形态、尺寸和分布；,利用取向成像，可以获得晶体结构、晶粒取向、相邻晶粒取向差等晶体学信息；,物相鉴定及相含量测定；,根据菊池线质量进行应变分析。,67,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,织构分析,EBSD,技术不仅能测定各种取向的晶粒在样品中所占的比例，而且能确定各种取向在显微组织中的分布,68,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,69,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,70,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,晶粒间取向差分析,EBSD,技术可以测定样品每一点的取向，也可测出晶界两侧晶粒间的取向差和旋转轴,71,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,物相鉴定及其相含量测定,不同物相具有不同的晶体结构，其背散射电子衍射花样也将不同。根据衍射花样的特征和标定结果，很容易确定物相，特别在区分化学成分相似的物相方面，,EBSD,有明显的技术优势。,72,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,测量晶粒尺寸,EBSD,技术可选择晶界、亚晶界和相界面成像，在清晰显示晶粒、亚晶粒和第二相形貌的同时，在图像中很容易区分各类界面。,73,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,应变分析,晶体的缺陷密度是影响背散射电子衍射花样中菊池线清晰程度的主要因素，菊池线的清晰程度随缺陷密度增大而降低。因此，根据衍射花样的质量可定性评价应变的大小。,74,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,电子探针,Electronic Probe,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,功能：,微区成分分析,原理：,用,细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征,X,射线，分析,X,射线的波长或特征能量，定性分析元素的种类，测定,X,射线的强度，定量分析元素的含量,。,76,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,电子显微镜与电子探,针相组合,测定特征波长的谱仪,称为,波谱仪（,WDS),测定特征能量的谱仪,称为,能谱仪（,EDS),第一节 电子探针仪的结构与工作原理,77,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,一,.,波谱仪,WDS,分光晶体,检测器,D,入射电子,试样,各种波长,X,射线,78,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,聚焦方法,约翰型聚焦法,约翰逊型聚焦法,S,S,D,D,79,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,直进式波谱仪,回旋式波谱仪,80,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,二,.,能谱仪,EDS,81,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,能谱仪成分分析的特点,优点,1,.,效率高,2.,同一时间对分析点内所有元素进行定性分析,3.,结构简单,4.,粗糙表面分析,缺点,1.,分辨率低,2.,分析原子序数大于,11,的元素,3.,液氮冷却,82,Modern Analytical Instruments and Technology for Materials,