电子显微分析.ppt
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1、1,电子显微分析,2001年7月,2,基本内容,1 电镜的结构与成象 2 电镜中的电子衍射及分析 1)斑点花样(原理、实验方法、指数标定及应用) 2)菊池线花样 (原理、指数标定、应用) 3)会聚书束花样 (原理、实验方法、指数标定及应用) 3 电镜显微图象解释 1)复形象 2)衍衬象 3)相位象 4 扫描电子显微术 5 X射线显微分析和俄歇能谱分析,3,第一章 电镜的结构与成象,1.1 光学显微镜的局限性 1)一个世纪以来,人们一直用光学显微镜来揭示金属材料的显微组织,借以弄清楚组织、成分、性能的内在联系。但光学显微镜的分辨本领有限,对诸如合金中的G.P 区(几十埃)无能为力。 2)最小分辨
2、距离计算公式 其中 最小分辨距离 波长 透镜周围的折射率 透镜对物点张角的一半, 称为数值孔径,用 N.A 表示,4,3) 由于光的衍射,使得由物平面内的点O1 、 O2 在象平面形成一B1 、 B2圆斑(Airy斑)。若O1 、 O2靠的太近,过分重叠,图象就模糊不清。,O1,O2,d,L,B2,B1,Md,强度,D,图(a)点O1 、 O2 形成两个Airy斑;图(b)是强度分布。,(a),(b),5,图(c)两个Airy斑 明显可分辨出。,图(d)两个Airy斑 刚好可分辨出。,图(e)两个Airy斑 分辨不出。,I,0.81I,6,4)对于光学显微镜,N.A的值均小于1,油浸透镜也只有
3、1.51.6,而可见光的波长有限,因此,光学显微镜的分辨本领不能再次提高。 5)提高透镜的分辨本领:增大数值孔径是困难的和有限的,唯有寻找比可见光波长更短的光线才能解决这个问题。,1.2 电子的波长 比可见光波长更短的有: 1)紫外线 会被物体强烈的吸收; 2)X 射线 无法使其会聚 ; 3)电子波 根据德布罗意物质波的假设,即电子具有微粒性,也具有波动性。电子波,7,h Plank 常数 , m v 电子速度,显然,v越大, 越小,电子的速度与其加速电压(E伏特)有关 即 而 则 埃 即若被150伏的电压加速的电子,波长为 1 埃。若加速电压很高,就 应进行相对论修正。(参考教材 P3 表1
4、-1),8,1.3 电子透镜 1)电子可以凭借轴对称的非均匀电场、磁场的力,使其会聚或发散,从而达到成象的目的。 由静电场制成的透镜 静电透镜 由磁场制成的透镜 磁透镜 2)磁透镜和静电透镜相比有如下的优点 目前,应用较多的是磁透镜,我们只是分析磁透镜是如何工作的。,9,3)磁透镜结构剖面图,图1-2,10,4)磁透镜使电子会聚的原理,O,O,z,图1-3(a)电子在磁透镜中的运动轨迹,A,C,11,O,O,A,C,图1-3(b)A点位置的B 和v的分解情况,12,电子在磁场中要受到磁场作用力:,即,圆周运动,切向运动,向轴运动,在C处有一离心作用力,可以抵消与A点相当的向轴作用力, 但A、C
5、中心处特别大的向轴力是抵不掉的,电子继续向轴偏转。 出磁场后又是直线运动。,13,所有从O点出发的电子类似的轨迹运动,在v一定时,当轨迹与轴的角度很小时,电子会聚在O点(O)的象。 平行于轴的电子运动轨迹如下图所示,O,象,物,O,b,a,象,物,图1-3(c)平行光轴电子束经透镜成象的情况; a b 为磁场作用区域。,14,我们有下面的结论: 1)所有从同一点出发的不同方向的电子,经透镜作用后,交于象 平面同一点,构成相应的象。 2)从不同物点出发的同方向同相位的电子,经透镜作用后,会聚 于焦平面上一点,构成与试样相对应的散射花样。 有极靴的透镜 极靴使得磁场被聚焦在极靴上下的间隔h内,h可
6、以小到1mm左右。 在此小的区域内,场的径向分量是很大的。计算透镜焦距f的近似公式 为,电子显微镜可以提供放大了的象,电子波长又非常短,人们便自 然地把电子显微镜视为弥补光学显微镜不足的有利工具,15,O,z,图1-4 带铁壳的带极靴的透镜,O,16,有极靴,B(z),没有极靴,无铁壳,z,图1-4 磁感应强度分布图,17,1.4 电子透镜的缺陷和理论分辨距离 电子透镜也存在缺陷,使得实际分辨距离远小于理论分辨 距离,对电镜分辨本领起作用的是球差、象散和色差。 1) 球 差 球差是由于电子透镜的中心区域和边沿区域对电子的会聚能力 不同而造成的。远轴的电子通过透镜是折射得比近轴电子要厉害的 多,
7、以致两者不交在一点上,结果在象平面成了一个满散圆斑,半 径为 还原到物平面,则 为球差系数,最佳值是0.3 mm 。 为孔径角,透镜分辨本领随 增大而迅速变坏。,18,P,象,P,透镜,物,P,光轴,图1-5(a) 球差,19,2)象差 磁场不对称时,就出现象差。有的方向电子束的折射比别的 方向强,如图1-5(b)所示,在A平面运行的电子束聚焦在Pa点, 而在B平面运行的电子聚焦在Pb点,依次类推。 这样,圆形物点的象就变成了椭圆形的漫散圆斑,其平均半 径为 还原到物平面 为象散引起的最大焦距差; 透镜磁场不对称,可能是由于极靴被污染,或极靴的机械不 对称性,或极靴材料各项磁导率差异引起。象散
8、可由附加磁场的 电磁消象散器来校正。,20,平面B,PA,透镜平面,物,P,光轴,PB,fA,平面A,图1-5(b)象散,21,3)色差 电子的能量不同,从而波长不一造成的,电子透镜的焦距随着电子能量而改变,因此,能量不同的电子束将沿不同的轨迹运动。产生的漫散圆斑还原到物平面,其半径为 是透镜的色差系数,大致等于其焦距, 是电子能量的变化率。 引起电子束能量变化的主要有两个原因:一是电子的加速电压不稳定;二是电子束照射到试样时,和试样相互作用,一部分电子发生非弹性散射,致使电子的能量发生变化。 使用薄试样和小孔径光阑将散射角大的非弹性散射电子挡掉,将有助于减小色散。,22,能量为E的 电子轨迹
9、,象1,透镜,物,P,光轴,图1-5(c) 色差,能量为E- E的 电子轨迹,象2,23,在电子透镜中,球差对分辨本领的影响最为重要,因为没有一种简便的方法使其矫正,而其它象差,可以通过一些方法消除,PAY ATTENTION,24,4)理论分辨距离 光学显微镜的分辨本领基本上决定于象差和衍射,而象差基本上 可以消除到忽略不计的程度,因此,分辨本领主要取决于衍射。 电子透镜中,不能用大的孔径角,若这样做,球差和象差就 会很大,但可通过减小孔径角的方法来减小象差,提高分辨本领, 但不能过小。 显微镜的分辨极限是 电镜情况下, , 因此 可见,光阑尺寸过小,会使分辨本领变坏,这就是说,光阑的最 佳
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