材料研究方法B课件：第2章 电子束与物质作用产生的信号（第一章）.ppt

1、中国地质大学中国地质大学( (武汉武汉) )材化材化学院学院The Faculty of Material Science & Chemistry ,China University of Geosciences2第二章 电子束与物质作用产生的信号第三章 扫描电子显微镜的结构及工作原理 第四章 扫描电子显微镜的操作与应用主要内容第一章 电子光学基础3第二章第二章 电子束与物质作用产生的信号电子束与物质作用产生的信号4 只有了解上述物理信息的产生原理及只有了解上述物理信息的产生原理及所代表的含义，才能设法检测它们、利用所代表的含义，才能设法检测它们、利用它们。它们。l 扫描电子显微镜扫描电子显微

2、镜 (SEM)(SEM)l 透射电子显微镜透射电子显微镜 (TEM)(TEM)l 电子探针电子探针 (EPMA)(EPMA) 分别侧重于对上述某一方面或几方面分别侧重于对上述某一方面或几方面的信息进行测量分析的。的信息进行测量分析的。52.1 2.1 二次电子及其成像二次电子及其成像钛酸铋钠粉体的六面体形貌钛酸铋钠粉体的六面体形貌 2000020000绿泥石绿泥石1 1、二次电子的产生原理、二次电子的产生原理u 二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中二次电子是指被入射电子轰击出来的样品中原子的核外电子原子的核外电子。u由于原子核外层价电子间的结合能很小，由于原子核外层价电子间的结合能很小，当原

3、子的核外电子从入射电子获得了大于相当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成应的结合能的能量后，即可脱离原子核变成自由电子。自由电子。6u那些能量大于那些能量大于材料逸出功材料逸出功的自由电子可从样的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电二次电子子。78（1 1）二次电子发生在材料表面二次电子发生在材料表面5-10nm5-10nm的的区域，能量为区域，能量为0-50eV0-50eV，大部分为，大部分为2 23eV3eV。 因为只有在这个深度范围，由于入射因为只有在这个深度范围，由于入射电子激发而产生的自由电

4、子，才具有足够电子激发而产生的自由电子，才具有足够的能量，克服材料表面的势垒，从样品中的能量，克服材料表面的势垒，从样品中发射出来，成为二次电子。发射出来，成为二次电子。2 2、二次电子的特点、二次电子的特点 （2 2） 二次电子产额：二次电子产额：二次电子产额与以下三个因素有关：二次电子产额与以下三个因素有关：a a、样品的成分、样品的成分不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个不同元素发射二次电子的能力不同，不过这个差别较小。差别较小。9 b b、入射电子的能量与加速电压、入射电子的能量与加速电压10所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子特定能所以，二次电子发射率的最高值出现在入射电子

5、特定能量的电压上。量的电压上。11 c、入射电子束与试样表面法线之间的夹角、入射电子束与试样表面法线之间的夹角入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系：入射电子束与试样表面法线之间的夹角满足以下关系： k/cos ：二次电子产额；：二次电子产额； k ：比例常数：比例常数 ：电子束与试样表面法线之间的夹角：电子束与试样表面法线之间的夹角可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，可见，入射电子束与试样法线之间的夹角越大，二次电子产额也越大。二次电子产额也越大。12Why?13产生上述规律的原因：产生上述规律的原因：I.I.随着随着角的增加角的增加, ,入射电子束在样品表层范围入射电子束在样

6、品表层范围内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会内运动的总轨迹增长，引起价电子电离的机会增多，产生二次电子数量就增加；增多，产生二次电子数量就增加；10nms1s2s3= 0= 30= 60S=d/cos ，s1s220后，其信号强度随Z变化很小。 （2）背散射电子产额Z40的范围内，背散射电子的产额对原子序数十分敏感。26背射电子的产额随样品的原子序数增大而背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化样品的化学组成学组成有关，即与组成样品的各元素有关，即与组成样品的各元素平均原子平均原子序数序数有关。有关。iiizcZ4332

7、ZI背散射电子的信号强度背散射电子的信号强度I I与原子序数与原子序数Z Z的关系为的关系为: :式中式中Z Z为原子序数，为原子序数，C C为百分含量为百分含量(Wt%)(Wt%)。27SiOSiO2 2和和SnOSnO2 2，前者的平均原子序数，前者的平均原子序数为为15.315.3，后者的为，后者的为27.327.3，因此后者的背散，因此后者的背散射强度明显大于前者。射强度明显大于前者。 Example 因此不同的物质相也具有不同的背散因此不同的物质相也具有不同的背散射能力，用背散射电子的测量亦可以大射能力，用背散射电子的测量亦可以大致的确定材料中致的确定材料中物质相态的差别物质相态的差

8、别。 背散射电子像亦称为成分像。背散射电子像亦称为成分像。2 2、背散射电子成像原理、背散射电子成像原理( (原子序数衬度原理）原子序数衬度原理）样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的样品表面上平均原子序数大的部位产生较强的背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序背散射电子信号，形成较亮的区域；而平均原子序数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏数较低的部位则产生较少的背散射电子，在荧光屏上或照片上就是较暗的区域，这样就形成上或照片上就是较暗的区域，这样就形成原子序数原子序数衬度衬度。2829 另外,背散射电子也可以用来显示形貌衬度,但是用背散射信号进行形貌分析时，其分辨率远比二次电

9、子低。 背散射电子能量较高，以直线轨迹逸出样品表面，对于背向检测器的样品表面，因检测器无法收集到背散射电子，而掩盖了许多有用的细节;所以背散射电子像也被称为有影像; 背散射电子信号强度要比二次电子低的多，所以粗糙表面的原子序数衬度往往被形貌衬度所掩盖。 背散射电子成像背散射电子成像分辨率一般为分辨率一般为50-200nm50-200nm。303 3、背散射电子像、背散射电子像An image of a (Cu,Al) alloy formed using backscattered electron imaging. The light area is Cu and the dark area

10、 is Al.31ZrO2-Al2O3-SiO2系耐火材料的背系耐火材料的背散射电子成分像，散射电子成分像，1000ZrO2-Al2O3-SiO2系系耐火材料的背散射耐火材料的背散射电子像。由于电子像。由于ZrO2相平均原子序数远相平均原子序数远高于高于Al2O3相和相和SiO2 相，所以图中白色相，所以图中白色相为斜锆石，小的相为斜锆石，小的白色粒状斜锆石与白色粒状斜锆石与灰色莫来石混合区灰色莫来石混合区为莫来石斜锆石为莫来石斜锆石共析体，基体灰色共析体，基体灰色相为莫来石。相为莫来石。32 透射电子透射电子是指电子束轰击样品时能透过薄样品是指电子束轰击样品时能透过薄样品（1 1 mm以下）

11、的入射电子。这种透射电子是由直径以下）的入射电子。这种透射电子是由直径很小（很小（10nm10nm）的高能电子束照射薄样品时产生）的高能电子束照射薄样品时产生的，因此，透射电子信号是由的，因此，透射电子信号是由微区的厚度、成分和微区的厚度、成分和晶体结构晶体结构来决定的。来决定的。 2.3 2.3 透射电子透射电子33 入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，入射电子进入样品后，经过多次非弹性散射，能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），能量损失殆尽（假定样品足够厚，无透射电子），最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏最后被样品吸收。若在样品和地之间接一个高灵敏度的电流表，就可以测得

12、样品对地的信号，这个信度的电流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号即由吸收电子提供。号即由吸收电子提供。2.4 2.4 吸收电子吸收电子34吸收电子的产额与背散射电子相反，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，则背散射电子越多，吸收电子越少。入射电子激发固体样品产入射电子激发固体样品产生的四种电子信号强度生的四种电子信号强度与入射电子强度之间的与入射电子强度之间的关系关系ib+is+i+it=i0ib背散射电子信号背散射电子信号is二次电子信号二次电子信号i吸收电子信号强度吸收电子信号强度it透射电子信号强度透射电子信号强度35两边除以两边除以i0，改写成

13、，改写成 1 ib/i0，叫做背散射系数，叫做背散射系数 is/i0，叫做二次电子产，叫做二次电子产额（或发射）系数额（或发射）系数 i/i0，叫做吸收系数；，叫做吸收系数； it/i0，叫做透射系数。，叫做透射系数。36铜样品铜样品吸收电子信号能产生原子序数衬度，同样也可以吸收电子信号能产生原子序数衬度，同样也可以用来进行定性的微区成分分析。用来进行定性的微区成分分析。吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增吸收电子的检测是以样品本身为检测器，用高增益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像益的吸收电流放大器，将吸收电流放大，并调试显像管的亮度，便得到吸收电子像。管的亮度，便得到吸收电

14、子像。吸收电子像与背散射吸收电子像与背散射电子像成反像电子像成反像. .吸收电子像分辨率低，约为吸收电子像分辨率低，约为0.1-10.1-1 mm。3738吸收电子图像吸收电子图像奥氏体铸铁的显微组织奥氏体铸铁的显微组织 (a)(a)背散射电子像背散射电子像 (b)(b)吸收电子像吸收电子像 39特征特征X X射线是高能电子激发原子的内层射线是高能电子激发原子的内层电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子电子，使原子处于不稳定态，从而外层电子填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃填补内层空位使原子趋于稳定的状态，在跃迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波迁的过程中，直接释放出具有特征能量和波长的

15、一种电磁辐射，即特征长的一种电磁辐射，即特征X X射线。射线。2.6 2.6 特征特征X X射线射线 40特征特征X X射线的一般发射深度为射线的一般发射深度为0.5-50.5-5 mm范围范围. . 由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，由于各种元素的原子结构不同，跃迁方式各异，因而对因而对不同元素不同元素电子跃迁所产生的特征电子跃迁所产生的特征X X射线射线能量能量（或波长）不同（或波长）不同。 只要测出特征只要测出特征X X射线波长，或测出特征射线波长，或测出特征X X射线射线光子的能量，便可确定原子序数光子的能量，便可确定原子序数Z Z，即可确定特，即可确定特征征X X射线发射区所

16、含的化学元素。射线发射区所含的化学元素。41特征特征X X射线的检测射线的检测: :波长色散法（WDS)：测定特征X射线波长，进行成分分析。能量色散法（EDS)：测定特征X射线能量进行成分分析。特征特征X X射线成分分析方法射线成分分析方法: :点分析:测定样品上某个指定点的化学成分线分析:测定某种元素沿给定直线分布的情况面分析:测定某种元素的面分布情况422.7 2.7 俄歇电子俄歇电子e43当入射电子束照射样品时，俄歇电子与特征当入射电子束照射样品时，俄歇电子与特征X X射线同时产生。可是射线同时产生。可是X X射线的发射几率随原子序数射线的发射几率随原子序数减小而减小。相反，俄歇电子发射

17、几率却显著增大，减小而减小。相反，俄歇电子发射几率却显著增大，而且原子序数较小的元素的俄歇电子谱简单易识。而且原子序数较小的元素的俄歇电子谱简单易识。因此，俄歇电子能谱适合于表面层轻因此，俄歇电子能谱适合于表面层轻元素和超轻元素的分析。元素和超轻元素的分析。 44俄歇电子能量低，平均自由程非常短（一般俄歇电子能量低，平均自由程非常短（一般为为5 52020),),尽管入射电子束能激发出大量俄歇尽管入射电子束能激发出大量俄歇电子，而实际上只有极表面电子，而实际上只有极表面3-53-5范围的俄歇电子范围的俄歇电子才能从样品表面发射出来，工作真空过低，往往才能从样品表面发射出来，工作真空过低，往往使

18、分析结果失真。因此使分析结果失真。因此, ,尽管尽管俄歇电子俄歇电子19251925年被发年被发现，直到现，直到19671967年，高真空（大于年，高真空（大于1010-9-9帕帕) )技术的获技术的获得和高灵敏度电子分析仪器的制成，才使俄歇电得和高灵敏度电子分析仪器的制成，才使俄歇电子作为表面分析的一种重要信息进入了实用阶段。子作为表面分析的一种重要信息进入了实用阶段。 俄歇电子能谱仪必须保持高真空（大于俄歇电子能谱仪必须保持高真空（大于1010-9-9帕帕) )45一些不导电的样品，在高能电子的作用下，一些不导电的样品，在高能电子的作用下，可发射出可见光信号，称之为阴极荧光。可发射出可见光

19、信号，称之为阴极荧光。 它是由这些物质的价电子，在受激态和基态它是由这些物质的价电子，在受激态和基态之间能级跃迁直接释放的之间能级跃迁直接释放的波长比较长、能量比较低波长比较长、能量比较低的光波的光波，波长在可见光范围内。波长在可见光范围内。利用阴极荧光现象研究物体中发光微粒，确利用阴极荧光现象研究物体中发光微粒，确定物质的发光区域及光波波长，也可分析晶体结构、定物质的发光区域及光波波长，也可分析晶体结构、环带构造、缺陷和有无杂质等。对研究发光材料和环带构造、缺陷和有无杂质等。对研究发光材料和发光半导体材料很有价值。发光半导体材料很有价值。2.8 2.8 阴极荧光阴极荧光46信号信号 产生深度产生深度 分辨率分辨率AugerAuger： 0.50.52nm 2nm2nm 2nmSeSe： 5 510nm 10nm 10nm 10nm BeBe： 100nm-1100nm-1m 50-200nmm 50-200nmX ray 1X ray 1数数m m 空间上的分布宽度影响分辨率空间上的分布宽度影响分辨率 主要信号产生的深度及空间分辨率的关系主要信号产生的深度及空间分辨率的关系47作作 业业电子束入射固体样品主要会激发哪些信号，电子束入射固体样品主要会激发哪些信号，它们的特点和主要用途？它们的特点和主要用途？