1、透射(tu sh)電子顯微鏡思考題1、電子衍射基本公式(gngsh)的應(yīng)用2、多晶電子衍射圖標(biāo)定3、明場像和暗場像的形成4、襯度、質(zhì)厚襯度、衍射襯度的定義共三十七頁第五節(jié) 電子探針X射線(shxin)顯微分析（EPMA）主要(zhyo)內(nèi)容 (1) 電子探針的原理 (2) 電子探針儀的結(jié)構(gòu) (3) 波譜儀(WDS)、能譜儀(EDS)的原理 (4) 電子探針分析方法共三十七頁第一臺商品電子探針X射線顯微分析儀(簡稱電子探針儀)是1956年制成的。電子探針儀是一種微區(qū)成分分析儀器，它利用被聚焦成小于1m的高速電子束(電子探針)轟擊樣品表面，由X射線波譜儀或能譜儀檢測從試樣表面產(chǎn)生的特征X射線的波長

2、和強度，進(jìn)行定性或定量(dngling)的化學(xué)成分。 特點：不損樣，準(zhǔn)確快速，靈敏度高，分析范圍廣（4Be92U）。 共三十七頁電子束與固體(gt)樣品相互作用電子探針信號(xnho)共三十七頁電子探針分析(fnx)的理論依據(jù) 由Moseley（莫塞萊）定律=K/(Z-)2 X射線特征譜線的波長和產(chǎn)生此射線的樣品材料的原子序數(shù)Z有一確定的關(guān)系(K為常數(shù)，為屏蔽系數(shù))。 =K/(Z-)2 只要測出特征X射線的波長，就可確定相應(yīng)元素的原子序數(shù)。 因為某種元素的特征X射線強度與該元素在樣品中的濃度成比例，所以只要測出這種特征X射線的強度，就可計算(j sun)出該元素的相對含量。 這就是利用電子探針

3、儀作定性、定量分析的理論根據(jù)。 共三十七頁一、電子探針儀的構(gòu)造和工作(gngzu)原理 電子探針鏡筒部分的結(jié)構(gòu)大體上和掃描(somio)電子顯微鏡相同，只是在檢測器部分使用的是X射線譜儀，專門用來檢測X射線的特征波長或特征能量，以此來對微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析共三十七頁常用的X射線譜儀有兩種：一種是利用特征(tzhng)X射線的波長不同來展譜，實現(xiàn)對不同波長X射線分別檢測的波長色散譜儀，簡稱波譜儀（Wavelength Dispersive Spectrometer，簡稱WDS）另一種是利用特征X射線能量不同來展譜的能量色散譜儀，簡稱能譜儀（Energy Dispersive Spectrome

4、ter，簡稱EDS）。共三十七頁1、波譜儀（WDS） X射線波譜儀的譜儀系統(tǒng)也即X射線的分光和探測系統(tǒng)是由分光晶體、X射線探測器和相應(yīng)的機械(jxi)傳動裝置構(gòu)成。共三十七頁把單晶體彎曲使它衍射晶面的曲率半徑等于聚焦圓半徑R的兩倍，即2R。表面磨制成和聚焦圓表面相合(即晶體表面的曲率半徑和R相等(xingdng)，當(dāng)某一波長的X射線自點光源S處發(fā)出時，晶體內(nèi)表面任意點A、B、C上接收到的X射線相對于點光源來說,入射角都相等，由此A、B、C各點的衍射線都能在D點聚焦。所以這種方法也叫做完全聚焦法。聚焦(jjio)圓改變晶體和探測器的位置可以測到不同波長的射線旋轉(zhuǎn)式波譜儀X射線的出射窗口較大共三十

5、七頁這種譜儀的特點(tdin)是分光晶體從點光源A向外沿著一直線運動，X射線出射角不變，晶體通過自轉(zhuǎn)改變角。全聚焦(jjio)直進(jìn)式波譜儀這種譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但X射線照射晶體的方向固定，使X射線穿出樣品表面過程中所走的路線相同，也就是吸收條件相同。共三十七頁 可見在直進(jìn)式譜儀中，特征X射線的波長直接與分光晶體(jngt)和點光源間的距離成正比。L由小變大意味著被檢測的X射線波長由短變長，改變L就能檢測到不同波長，即不同元素的X射線。例如：R=140mm，LiF分光(fn un)晶體的衍射晶面間距 d = 0.2013nm（200）， 在L=134.7mm處,可探測Fe ,在L=107.2mm處,

6、可探測Cu ,。共三十七頁 分光(fn un)晶體分光晶體是專門用來對X射線起色散(ssn)（分光）作用的晶體，它應(yīng)具有良好的衍射性能、強的反射能力和好的分辨率。在X射線譜儀中使用的分光晶體還必須能彎曲成一定的弧度、在真空中不發(fā)生變化等。各種晶體能色散的X射線波長范圍，取決于衍射晶面間距d和布拉格角的可變范圍，對波長大于2d的X射線則不能進(jìn)行色散。譜儀的角有一定變動范圍，15-65；每一種晶體的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波長范圍的X射線和適用于一定原子序數(shù)范圍的元素分析。目前，電子探針儀能分析的元素范圍是原子序數(shù)為4的鈹（Be）到原子序數(shù)為92的鈾（U）。其中小于氟（F）的元素稱為輕

7、元素，它們的X射線波長范圍大約在1.8-11.3 nm。共三十七頁共三十七頁X-ray探測器：與X-ray衍射儀相同(xin tn)。記錄系統(tǒng)：X-ray強度顯示， X-ray強度分布曲線圖292，X-ray波長(bchng)色散譜共三十七頁2、 能譜儀（EDS）利用特征X-ray能量(nngling)不同展譜 能譜儀的主要組成部分如圖所示，由探測器、前置放大器、脈沖信號處理(xn ho ch l)單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、小型計算機及顯示記錄系統(tǒng)組成，它實際上是一套復(fù)雜的電子儀器。共三十七頁 鋰漂移(pio y)硅Si(Li)探測器 Si(Li)是厚度為3-5 mm、直徑為3-10mm的

8、薄片，它是p型Si在嚴(yán)格的工藝條件下漂移進(jìn)Li制成的。Si(Li)探測器實際上是一個p-I-n型二級管，鍍金的p型Si接高壓(goy)負(fù)端，n型Si接高壓正端并和前置放大器的場效應(yīng)管相連接。 Si(Li)探測器處于真空系統(tǒng)內(nèi)，其前方有一個7-8 m的鈹窗，整個探頭裝在與存有液氮的杜瓦瓶相連的冷指內(nèi)。電子空穴對數(shù)目N=E/3.8共三十七頁 能譜儀的特點1.能譜儀所用的Li(Si)檢測器尺寸小，可以裝在靠近樣品的區(qū)域，X射線利用率比較高；2.電子束流小，束斑尺寸小，對樣品的污染作用小，采樣的體積也較小,最小可達(dá)0.1um3；而波譜儀大于1um3;3.分析速度快，可在2-3分鐘內(nèi)完成元素定性全分析;

9、4.能譜儀工作時，不需要象波譜儀那樣聚焦，因而不受聚焦圓的限制，樣品的位置可起伏2-3mm，適用于粗糙表面成分(chng fn)分析;5.Si(Li)探測器必須在液氮溫度(77K)下使用保存，維護(hù)費用高.共三十七頁二、波譜儀和能譜儀的比較(bjio)操作特性 波譜儀（WDS） 能譜儀（EDS） 分析方式 用幾塊分光晶體按順序進(jìn)行分析 用Si(Li) EDS進(jìn)行多元素同時分析分析元素范圍 92 Z492 Z6 (無窗) 92 Z11 (鈹窗) 分辨率 與分光晶體有關(guān)，5 eV （高）與能量有關(guān)，145150 eV（低）幾何收集效率 0.2% 2% 共三十七頁量子效率 30% 100% (2.51

10、5 keV)瞬時接收范圍 波長滿足式（263） 全部能量范圍對表面要求 平整，光滑 較粗糙表面也適用典型數(shù)據(jù)收集時間 10 min 23 min 波譜儀和能譜儀的比較(bjio)共三十七頁波譜儀和能譜儀的比較(bjio)譜失真 不存在主要包括：逃逸峰、峰重疊、脈沖堆積、電子束散射、鈹窗吸收效應(yīng)等最小束斑直徑 200 nm 5 nm 探測極限 0.010.1% 0.10.5%對試樣損傷 大小共三十七頁三、分析方法及其應(yīng)用(yngyng) 電子探針儀的分析方法 電子探針分析有三種基本分析方法： 點分析、線掃描分析、面掃描分析 分析方式有定性分析和定量分析。 準(zhǔn)確的分析對實驗條件有兩大方面的要求。一

11、是對樣品有一定的要求：如良好(lingho)的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，表面平整度等；二是對工作條件有一定的要求：如加速電壓，計數(shù)率和計數(shù)時間，X射線出射角等。共三十七頁定點定性分析是對試樣某一選定點（區(qū)域）進(jìn)行定性成分分析，以確定該點區(qū)域內(nèi)存在的元素(yun s)。其原理如下：在熒光屏顯示的圖像上選定需要分析的點，使聚焦電子束照射在該點上，激發(fā)試樣元素的特征X射線。用譜儀探測并顯示X射線譜。根據(jù)譜線峰值位置的波長或能量確定分析點區(qū)域的試樣中存在的元素。1、定點(dn din)定性分析共三十七頁 能譜定性分析(dngxngfnx)能譜譜線的鑒別可以用以下二種方法：(1)根據(jù)經(jīng)驗及譜線所在的能量位置估計某一

12、峰或幾個峰是某元素的特征X射線峰，讓能譜儀在熒光屏上顯示該元素特征X射線標(biāo)志線來核對；(2)當(dāng)無法估計可能是什么元素時，根據(jù)譜峰所在位置的能量查找元素各系譜線的能量卡片(kpin)或能量圖來確定是什么元素。共三十七頁X射線能譜定性分析與定量分析相比，雖然比較簡單、直觀，但也必須遵循一定的分析方法，能使分析結(jié)果正確可靠。一般來說，對于試樣中的主要元素（例如含量10）的鑒別是容易(rngy)做到正確可靠的；但對于試樣中次要元素（例如含量在0.5-10）或微量元素（例如含量0.5）的鑒別則必須注意譜的干擾、失真、譜線的多重性等問題，否則會產(chǎn)生錯誤。共三十七頁 波譜(bp)定性分析由于波譜儀的分辨率高

13、，波譜的峰背比至少是能譜的10倍，因此(ync)對一給定元素，可以在譜中出現(xiàn)更多的譜線。共三十七頁此外，由于波譜儀的晶體分光(fn un)特點，對波長為的X射線不僅可以在 B處探測到n1的一級X射線，同時可在其它角處探測到n = 2，3的高級衍射線。EF共三十七頁同樣，在某一 B 處，n1，1的X射線可以產(chǎn)生衍射；n2，1/2的X射線也可以產(chǎn)生衍射，如果波譜儀無法將它們分離，則它們將出現(xiàn)于波譜的同一波長（角）處而不能分辨(fnbin)。 p167 例子共三十七頁 使聚焦電子束在試樣觀察區(qū)內(nèi)沿一選定直線（穿越粒子或界面）進(jìn)行(jnxng)慢掃描，X射線譜儀處于探測某一元素特征X射線狀態(tài)。 顯像管

14、射線束的橫向掃描與電子束在試樣上的掃描同步，用譜儀探測到的X射線信號強度（計數(shù)率）調(diào)制顯像管射線束的縱向位置就可以得到反映該元素含量變化的特征X射線強度沿試樣掃描線的分布。 通常將電子束掃描線，特征X射線強度分布曲線重疊于二次電子圖象之上可以更加直觀地表明元素含量分布與形貌、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。2、線掃描(somio)分折共三十七頁共三十七頁共三十七頁共三十七頁線掃描分析對于測定元素在材料相界和晶界上的富集與貧化是十分有效的。在有關(guān)擴散現(xiàn)象的研究中，電子探針比剝層化學(xué)分析(huxu fnx)、放射性示蹤原子等方法更方便。在垂直于擴散界面的方向上進(jìn)行線掃描，可以很快顯示濃度與擴散距離的關(guān)系曲線，若以

15、微米級逐點分析，即可相當(dāng)精確地測定擴散系數(shù)和激活能。共三十七頁3、面掃描(somio)分析聚焦電子束在試樣上作二維光柵掃描，X射線(shxin)譜儀處于能探測某一元素特征X射線狀態(tài)，用譜儀輸出的脈沖信號調(diào)制同步掃描的顯像管亮度，在熒光屏上得到由許多亮點組成的圖像，稱為X射線掃描像或元素面分布圖像。試樣每產(chǎn)生一個X光子，探測器輸出一個脈沖，顯像管熒光屏上就產(chǎn)生一個亮點。若試樣上某區(qū)域該元素含量多，熒光屏圖像上相應(yīng)區(qū)域的亮點就密集。根據(jù)圖像上亮點的疏密和分布，可確定該元素在試樣中分布情況。共三十七頁在一幅X射線掃描像中，亮區(qū)代表(dibio)元素含量高，灰區(qū)代表(dibio)元素含量較低，黑色區(qū)域代表(dibio)元素含量很低或不存在。 共三十七頁共三十七頁思考題1.電子探針顯微分析(fnx)的基本原理。2.波譜儀的工作原理。3.定點分析、線掃描分析及面掃描分析。共三十七頁內(nèi)容摘要透射電子顯微鏡思考題。3、明場像和暗場像的形成。旋轉(zhuǎn)式波譜儀?？梢娫谥边M(jìn)式譜儀中，特征