《和电子探针》PPT课件.ppt

1,第十章 扫描电子显微分析与电子探针,第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造 一、工作原理 二、构造与主要性能 第二节 像衬原理与应用 一、像衬原理 二、应用 第三节 电子探针X射线显微分析（EPMA）一、能谱仪 二、波谱仪 三、EPMA的基本工作方式,电子探针X射线显微分析仪简称电子探针(EPA或EPMA),扫描电子显微镜(SEM)简称扫描电镜,SEM(scanning electron microscope),扫描电子显微镜(SEM)原理的提出与发展，约与TEM 同时；但直到1964年，第一部商售SEM才问世。在最近20多年的时间内，扫描电子显微镜发展迅速，综合了X射线分光谱仪、电子探针以及其它许多技术而发展成为分析型扫描电子显微镜，分析精度不断提高，应用功能不断扩大。,SEM 特点,仪器分辨本领较高。二次电子像分辨本领可达1.0nm(场发射),3.0nm(钨灯丝)；仪器放大倍数变化范围大（从几倍到几十万倍），且连续可调；图像景深大，富有立体感，可直接观察起伏较大的粗糙表面（如金属和陶瓷的断口等）；试样制备简单；可做综合分析:1）、SEM装上波谱仪或能谱仪后，在观察扫描形貌图像的同时，可对试样微区进行元素分析。2）、装上不同类型的试样台和检测器可以直接观察处于不同环境（加热、冷却、拉伸等）中的试样显微结构形态的动态变化过程（动态观察）。,5,SEM示例,形貌观察,SEM TEM,金相组织观察,珠光体组织,断口形貌观察,解理断口,沿晶断口,韧窝断口,疲劳断口,SnO纳米线的SEM照片,清晨林中漫步,11,KYKY-2800B型扫描电子显微镜,北京中科科仪技术发展有限责任公司 KYKY Technology Development LTD.,12,JSM-6390LV钨灯丝扫描电子显微镜,技术参数 1.高真空模式：3.0nm 低真空模式：4.0nm 2.低真空度1 to 270Pa，高、低真空切换 3.样品台X:80mm Y:40mm T:-10 to+90degree R:360degree 4.加速电压0.5kV to 30Kv束流1pA1uA 5.真空系统马达驱动台能谱分析接口,日本电子株式会社(JEOL),13,JSM-6701F冷场发射扫描电子显微镜,日本电子株式会社(JEOL),14,JSM-7001F热场发射扫描电子显微镜,15,第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造,一、工作原理,SEM原理示意图,目前的扫描电子显微镜（分析型电镜）可以进行形貌、微区成分和晶体结构等多种微观组织结构信息的同位分析。,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调制成像。类似电视摄影显像的方式。,16,二、构造与主要性能,电子光学系统(镜筒),偏转系统,信号检测放大系统,图像显示和记录系统,电源系统,真空系统,SEM的构造,17,电子光学系统示意图,由电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。,电子光学系统,作用：获得扫描电子束。,18,几种类型电子枪性能比较,样品室,扫描电子显微镜的样品室空间较大，一般可放置2010 mm的块状样品。近年来还开发了可放置尺寸在125mm以上的大样品台。观察时，样品台可根据需要沿X、Y及Z三个方向平移，在水平面内旋转或沿水平轴倾斜。样品室内除放置样品外，还安置各种信号检测器。,20,SEM的主要性能指标,（1）放大倍数 可从几倍到20万倍连续调节。（2）分辨率 影响SEM图像分辨率的主要因素有：扫描电子束斑直径；入射电子束在样品中的扩展效应(原子序数Z的影响)；操作方式及其所用的调制信号；信号噪音比；杂散磁场；机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深 SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。适合于粗糙表面的观察和分析。,21,1-入射电子束,2-俄歇电子激发体积,3-样品表面,4-二次电子激发体积,5-背散射电子激发体积,6-初级X射线激发体积,入射电子产生的各种信息的深度和广度范围(a)电子束散射区域形状(梨形作用体积)(b)重元素样品的电子束散射区域形状(半球形作用体积),22,第二节 像衬原理与应用,一、像衬原理 像的衬度：像的各部分(即各像元)强度相对于其平均强度的变化或图像上不同区域间明暗程度的差别。SEM可以用二次电子、背散射电子、吸收电子、特征X射线等信号成像。,23,1二次电子像衬度及特点,二次电子信号主要来自样品表层510nm深度范围，能量较低(小于50eV)。影响二次电子产额的因素主要有：(1)二次电子能谱特性；(2)入射电子的能量；(3)材料的原子序数；(4)样品倾斜角。,24,从表面发射出去的二次电子流与入射电子流的比值（IS/I0）称为二次电子产额，用表示。,二次电子产额与电子能量和入射角的普遍关系,电子能量增加，开始增加，达极大值后反而减少；入射角越大，越大；,25,二次电子像的衬度可以分为以下几类：,(1)形貌衬度(2)成分衬度(3)电压衬度(4)磁衬度(第一类),形貌衬度原理,样品倾斜角,入射电子束,表面法线,样品倾斜角越大，二次电子产额越大，图像越明亮。,26,二次电子像衬度的特点：,（1）分辨率高;（2）立体感强;（3）主要反映形貌衬度。,通常所指的扫描电镜的分辨率，就是指二次电子像的分辨率。,27,2背散射电子像衬度及特点,影响背散射电子产额的因素：(1)原子序数Z(2)入射电子能量E0(3)样品倾斜角 背散射电子像衬度分类：(1)成分衬度(2)形貌衬度(3)磁衬度(第二类),背散射电子、二次电子产额与原子序数的关系,当观察原子序数衬度时，需将样品磨平、抛光。,28,二次电子运动轨迹,背散射电子运动轨迹,与二次电子像比较，其特点：（1）分辨率低；（2）背散射电子检测效率低，衬度小；（3）主要反应原子序数衬度。,SEM样品制备,对金属和陶瓷等块状样品，只需将它们切割成大小合适的尺寸，用导电胶将其粘贴在电镜的样品座上即可直接进行观察；粉末试样的制备：先将导电胶或双面胶纸粘结在样品座上，再均匀地把粉末样撒在上面，用洗耳球吹去未粘住的粉末即可上电镜观察。对绝缘体或导电性差的材料，需预先在分析表面上蒸镀一层厚度约1020 nm的导电层。目的：减少电子堆积，因为电子堆积容易阻挡入射电子束进入和样品内电子射出样品表面。导电层一般是二次电子发射系数比较高的金、银、碳和铝等真空蒸镀层。,SEM样品制备,SEM样品喷金,32,二、应用,1.二次电子像（1）颗粒形态、大小、分布观察与分析（2）断口形貌观察（3）显微组织观察等 2.背散射电子像（1）分析晶界上或晶粒内部不同种类的析出相（2）定性地判定析出物相的类型（3）形貌观察等,第三节 电子探针X射线显微分析,（Electron Probe Micro-Analysis，EPMA）,电子探针概述,Hiller在20世纪40年代首先提出电子探针的设想；Castaing对该设想加以完善，在一台电子显微镜上加一个X射线谱仪和一台金相显微镜拼凑成；1956年第一台商品电子探针问世；目前，一般是一台扫描电镜配上X射线能谱仪（EDS），构成一台简易的“电子探针”；有的加上X射线波谱仪（WDS）；专用的EPMA一般配有一台能谱仪、几台波谱仪以及一个专用的光学显微镜。,35,电子探针仪的构造与扫描电镜大体相似，只是增加了接收记录X射线的谱仪。现代扫描电镜一般都可以配上X射线谱仪，实现电子探针的功能。电子束作用下，样品表面以下m数量级的作用体积中激发出X射线，若这个体积中的样品是由多种元素组成，则可激发出各个相应元素的特征X射线。X射线谱仪有波谱仪和能谱仪两类。,电子探针结构示意图,36,一、能谱仪,能量分散（色散）谱仪简称能谱仪，EDS。检测特征X射线的能量目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的n-i-p型二极管。,Si(Li)检测器探头结构示意图,微区成分分析（EDS）,38,Si(Li)能谱仪的特点,优点：(1)定性分析速度快 可在几分钟内分析和确定样品中含有的几乎所有元素。铍窗口：11Na92U，新型材料窗口：4Be92U(2)灵敏度高 X射线收集立体角大，空间分辨率高。(3)谱线重复性好 适合于表面比较粗糙的分析工作。缺点：(1)能量分辨率低，峰背比低。能谱仪的能量分辨率(130eV)比波谱仪的能量分辨率(5eV)低。(2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温状态。(3)定量分析精度不如波谱仪。,39,二、波谱仪,波长分散（色散）谱仪简称波谱仪，WDS。检测特征X射线的波长,样品被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散)，即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。,41,波谱仪的特点：,优点：（1）波长分辨率很高 如可将波长十分接近的VK(0.228434nm)、CrK1(0.228962nm)和CrK2(0.229351nm)3根谱线清晰地分开；（2）分析的元素范围宽 4Be92U；（3）定量比能谱仪准确。缺点：（1）X射线信号的利用率极低；（2）灵敏度低，难以在低束流和低激发强度下使用；（3）分析速度慢，不适合定性分析；,能谱议和波谱仪的谱线比较,(a)能谱曲线；,(b)波谱曲线,43,三、电子探针分析的基本工作方式,定点分析：对样品表面选定微区作定点的全谱扫描，进行定性或半定量分析，并对其所含元素的质量分数进行定量分析；线扫描分析：电子束沿样品表面选定的直线轨迹进行所含元素质量分数的定性或半定量分析；面扫描分析（X射线成像）：电子束在样品表面作光栅式面扫描，以特定元素的X射线的信号强度调制阴极射线管荧光屏的亮度，获得该元素质量分数分布的扫描图像。,44,ZrO2(Y2O3)陶瓷析出相与基体的定点分析,Y2O3mol%,析出相（t相）Y2O3含量低,基体(c相)Y2O3含量高,45,在晶界上有O的偏聚,BaF2晶界的线扫描分析,(a)形貌像及扫描线位置,(b)O及Ba元素在扫描线位置上的分布,46,Bi在晶界上有严重偏聚,ZnO-Bi2O3陶瓷烧结表面的面分布成分分析,(a)形貌像,(b)Bi元素的X射线面分布像,作业,10-210-310-4,