材料的形貌分析.pptVIP

清华大学化学系 材料与表面实验室 材料分析化学第6讲扫描电镜分析原理 朱永法 清华大学化学系 2002.11.15 形貌分析简介 材料的形貌也是材料分析的重要组成部分，主要分析材料的几何形貌，材料的颗粒度以及颗粒度的分布等方面。 扫描电子显微镜 透射电子显微镜 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 扫描电镜分析 扫描电子显微镜是最常用的显微形貌分析仪器之一 。 二次电子象 背散射电子象 吸收电流象 透射电子象等信息 基本知识 由于可见光波的波长在500nm左右，其衍射效应使得光学显微镜的分辨本领不能小于200nm。 显微镜的分辩本领：d＝0.61×λ/（nsinα），由此可见显微镜的分辩本领与光的波长成正比。当光的波长越长，其分辨率越低。只有采用比较短的波长的光线，才能获得较高的放大倍数 电子波 λ＝（1.50/E）1/2 nm。 当加速电压为100 kV时，电子的波长仅为0.0037nm ；当 E = 30KeV 时, λ≈ 0.007nm 电子显微镜可以获得很好的高分辨率图像，0.5nm； 显微镜的工作原理 三种显微镜比较 分辨率影响因素 由于电子束的波长很短，理论上电镜可以达到很高的分辨率 ； 在光学显微镜中决定分辨率的是光的波长 ，象差不是主要原因； 在电子显微镜中，波长已经不是决定性因素 ； 而透镜产生的象散和球差，电子波产生的色差和衍射差是主要因素 ； 象差原理 象散和球差 几何象差是由于实际电子轨道并不符合光程相等原理所引起的。 色差则是因电子波长差异所引起的。 球差是由于电子透镜中心区域和边缘区域对电子会聚能力不同所产生的。 球差与透镜的性质有关，但难以通过校准的方法进行补偿，对分辩本领的影响最大。 象散主要来自于透镜磁场的不对称性。而磁场的不对称起因主要有极 内部污染，机械不对称性等因素，可以通过附加磁场的电磁消象散器来矫正。 色差与衍射差 色差是电子的能量不同，从而波长不一所造成的。 电子透镜的焦距随电子能量而改变，因此，能量不同的电子束将沿着不同的轨道运行，产生满散的圆斑。色散斑点大小与电子的能量变化率成正比。 色差主要来自加速电压的波动和非弹性散射的能量损失。使用小孔径光阑可以屏蔽散射角大的非弹性散射电子束，减少色差。 衍射差是由电子束的波动性而产生的象差，主要由透镜的有效半径决定。 在电镜中对分辩本领起决定作用的是球差，象散和色差。 表面电子信息 当高速电子照射到固体样品表面时，就可以发生相互作用，产生一次电子的弹性散射，二次电子，等信息。 这些信息与样品表面的几何形状以及化学成份等有很大的关系。 通过这些信息的解析就可以获得表面形貌和化学成份的目的。 各种信息分辨率比较 二次电子电子象 在扫描电镜中主要利用二次电子的信息观察样品的表面形貌。 二次电子的能量一般在50eV以下，并从样品表面5～10纳米左右的深度范围内产生，并向样品表面的各个方向发射出去。 利用附加电压集电器就可以收集从样品表面发射出来的所有二次电子。被收集的二次电子经过加速，可以获得10keV左右的能量。 可以通过闪 器把电子激发为光子，最后再通过光电倍增管产生电信号，进行放大处理，获得与原始二次电子信号成正比的电流信号。 二次电子象的分辨率 在扫描电镜中形貌象的信息主要来自二次电子象。一般来说，二次电子象的信息来自于样品表面下5～10纳米的深度范围。 产生区域大小则是由辐照电子束的直径以及二次电子能发射到表面深度下电离化区域大小所决定。 此外，由发射电子和X射线激发所产生的二次电子原则上也应该包括进去。 因此，二次电子象的衬度信息来自与三个生成因素。 二次电子象的衬度 二次电子象的衬度是由样品中电子束的入射角，样品表面的化学成份以及样品和检测器的几何位置等因素所决定的。 衬度： (对比度，是得到图象的最基本要素) S为检测信号强度 分别介绍如下。 入射角关系 垂直于样品表面入射一次电子时，样品表面所产生的二次电子的量最小。随着倾斜度的增加，二次电子的产率逐渐增加。因此，二次电子的强度分布反映了样品表面的形貌信息。 由于在样品表面存在很多的凹叠面，到处存在30～50度的倾斜角，因此，在电镜观察时不一定需要将样品倾斜起来。但在观察表面非常光滑的样品时，则必须把样品倾斜起来。 在扫描电镜分析时，一般倾斜角不大于45度，过大的倾斜角会使样品的聚焦困难，并观察不到被阴影部分遮盖的部分。 二次电子强度与入射角的关系 二次电子信号与角度关系 样品成份的差异 二次电子的产量与样品表面元素的原子序数有关。 因此，虽然样品表面很平坦，但元素成份不同就可以产生二次电子象的衬度。 因此，在观察绝缘样品时，在样品表面蒸发一层重金属比蒸发轻金属可获得更好的二次电子象。 利用扫描电镜的景深大以及衬度与形貌的关系，可以通过多张照片观察样